Betriebszustandsschaltung für Wechselrichter und Verfahren zum Einstellen von

Betriebszuständen eines Wechselrichters

Die Erfindung betrifft eine Betriebszustandsschaltung für einen Wechselrichter und ein Verfahren zum Einstellen von Betriebszuständen eines Wechselrichters, insbesondere für einen Wechselrichter zur Versorgung einer Synchronmaschine.

Stand der Technik Elektrische Antriebe von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen können permanent-erregte elektrische Maschinen, insbesondere Synchronmaschinen aufweisen, welche mittels eines Pulswechselrichters mit Wechselspannung versorgt werden. Dabei kann es bei Fehlerzuständen auf der Niedervoltseite, beispielsweise bei einem Ausfall der

elektronischen Ansteuerung, der Energieversorgung, verschiedener Sensoren, der Datenkommunikation oder einer Sicherung, notwendig sein, im Wechselrichter einen sicheren Zustand einzustellen, das heißt einen Schaltzustand des Wechselrichters, in welchem die Sicherheit für auf das Fahrzeug zugreifende Personen, wie beispielsweise Rettungskräfte bei einem Unfall, und für die Integrität des elektrischen Systems gewährleistet bleibt.

Üblicherweise wird eine Steuereinrichtung des Wechselrichters durch das

Niedervoltsystem des Fahrzeugs versorgt. Bei einem Ausfall der Niedervoltversorgung kann die Steuereinrichtung des Wechselrichters den Wechselrichter selbstständig in einen sicheren Zustand schalten, um eine mögliche Schädigung elektrischer Komponenten zu verhindern, beispielsweise durch einen unkontrollierten Energieeintrag in den

Gleichspannungszwischenkreis, aus dem der Wechselrichter gespeist wird. Dabei können in herkömmlichen Verfahren verschiedene Schaltungszustände realisiert werden.

Beispielsweise können sämtliche mit dem niedrigen Potential verbundenen Schalter, sogenannte Low-Side-Schalter, geschlossen und alle mit dem hohen Potential verbundenen Schalter, sogenannte High-Side-Schalter, geöffnet werden. Diese

Betriebsart wird auch als Kurzschlusszustand zu niedrigem Potential bezeichnet. Es können alternativ auch alle High-Side-Schalter geschlossen und alle Low-Side-Schalter geöffnet werden, so dass ein Kurzschlusszustand zu hohem Potential entsteht. Bei einem anderen Abschaltverfahren werden sämtliche Schalter des Pulswechselrichters geöffnet. Dies wird auch als Freilaufmodus bezeichnet. Aus der Druckschrift DE 10 2006 003 254 AI beispielsweise ist eine Kombination von Abschaltverfahren bekannt: Nachdem beispielsweise der Phasenstrom nach dem

Umschalten in den Kurzschlusszustand noch kurze Zeit ansteigen kann, wird dort vorgeschlagen, beide bekannte Abschalt- Betriebsarten sequentiell zu nutzen und die elektrische Maschine zunächst in den Freilaufmodus und anschließend in den

Kurzschlusszustand zu schalten.

Die Druckschrift DE 10 2009 047 616 AI offenbart eine Wechselrichterschaltung für eine elektrische Maschine, welche im Fehlerfall von dem Betriebszustand eines aktiven Kurzschlusses in den Betriebszustand eines Freilaufs versetzt werden kann.

Die Druckschrift WO 2012/000710 A2 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer als Antriebsaggregat in einem Kraftfahrzeug dienenden mindestens dreiphasigen elektrischen Maschine, welche über einen Wechselrichter, insbesondere einen Pulswechselrichter, angesteuert wird, wobei der Wechselrichter Schaltelemente in Form von Halbbrücken umfasst und jeweils eine Halbbrücke elektrisch mit einer Phase der elektrischen Maschine verbunden ist. Ist ein erstes Schaltelement einer mit einer ersten Phase verbundenen ersten Halbbrücke ausfallbedingt dauerhaft geschlossen, so wird erfindungsgemäß ein zweites Schaltelement der ersten Halbbrücke dauerhaft geöffnet und in einem ersten Winkelbereich einer elektrischen Umdrehung, welcher von der ersten Phase unbeeinflusst ist, werden sämtliche Schaltelemente der weiteren Halbbrücken in herkömmlicher Weise angesteuert.

In einem Kurzschlusszustand bildet sich ein Bremsmoment aus, welches durch den generatorischen Betrieb der Synchronmaschine erzeugt wird. Bei einem Abschleppen des Fahrzeugs beispielsweise ist dieses Bremsmoment hinderlich. Insbesondere bei geringen Drehzahlen ist das durch den Kurzschlusszustand bedingte Bremsmoment der elektrischen Maschine relativ groß. Die Druckschrift JP 60005791 AI beispielsweise schlägt vor, zur Begrenzung des Bremsmoments einen in Abhängigkeit von der

Zwischenkreisspannung ansteuerbaren Momentenbegrenzer einzusetzen, um ein

Überladen des Zwischenkreiskondensators zu vermeiden.

Es besteht daher ein Bedarf an Lösungen für die Ansteuerung eines Wechselrichters in einem elektrischen Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine, bei denen auch bei einem Ausfall der Niedervoltversorgung der Steuerung Betriebszustände des

Wechselrichters in sicherer und effizienter Weise eingestellt werden können.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Betriebszustandsschaltung zum Ansteuern eines Wechselrichters mit jeweilige Schalteinrichtungen aufweisenden Halbbrücken, welcher eine n-phasige elektrische Maschine über den jeweiligen

Halbbrücken zugeordnete Phasenanschlüsse mit einer n-phasigen Versorgungsspannung versorgt, wobei n > 1. Die Betriebszustandsschaltung umfasst eine Auswerteeinrichtung, welche mit den Phasenanschlüssen des Wechselrichters einerseits und mit

Eingangsanschlüssen des Wechselrichters andererseits verbunden ist, und welche dazu ausgelegt ist, eine Eingangsspannung des Wechselrichters sowie Phasenströme an den Phasenanschlüssen des Wechselrichters zu erfassen, und eine Ansteuereinrichtung, welche mit der Auswerteeinrichtung gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von der erfassten Eingangsspannung den Wechselrichter von einem Kurzschlusszustand in einen Freilaufmodus zu schalten, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, ein Freilauftriggersignal zu erzeugen und an die Ansteuereinrichtung auszugeben, wenn die erfasste Eingangsspannung geringer als ein einstellbarer

Freilaufschwellwert ist, und wobei die Ansteuereinrichtung dazu ausgelegt ist, die jeweiligen Schalteinrichtungen der Halbbrücken nach Empfang des Freilauftriggersignals erst dann in einen geöffneten Zustand zu versetzen, wenn der jeweilige erfasste

Phasenstrom an dem zugeordneten Phasenanschluss einen Nulldurchgang oder eine aus dem Wechselrichter herausweisende Stromrichtung aufweist.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein elektrisches Antriebssystem, mit einem Gleichspannungszwischenkreis, welcher dazu ausgelegt ist, von einer

Hochspannungsquelle mit einer Gleichspannung versorgt zu werden, einem

Wechselrichter mit jeweilige Schalteinrichtungen aufweisenden Halbbrücken, welcher mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbunden ist, und welcher dazu ausgelegt, eine n- phasige Versorgungsspannung für eine n-phasige elektrische Maschine an n

Phasenanschlüssen bereitzustellen, wobei n > 1, und einer erfindungsgemäßen

Betriebszustandsschaltung, welche dazu ausgelegt ist, die Vielzahl der

Schalteinrichtungen des Wechselrichters zum Einstellen eines Freilaufzustands oder eines aktiven Kurzschlusses anzusteuern.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Einstellen von Betriebszuständen eines Wechselrichters, welcher jeweilige Schalteinrichtungen aufweisende Halbbrücken umfasst und welcher eine n-phasige elektrische Maschine über den jeweiligen Halbbrücken zugeordnete Phasenanschlüsse mit einer n-phasigen Versorgungsspannung versorgt, wobei n > 1. Das Verfahren umfasst die Schritte des Erfassens einer Eingangsspannung des Wechselrichters, des Erfassens von Phasenströmen an den Phasenanschlüssen des Wechselrichters, des Erzeugens eines Freilauftriggersignals, wenn die erfasste Eingangsspannung geringer als ein einstellbarer Freilaufschwellwert ist, und des Schaltens des Wechselrichters von einem Kurzschlusszustand in einen Freilaufmodus in Abhängigkeit von der erfassten

Eingangsspannung. Dabei werden die jeweiligen Schalteinrichtungen der Halbbrücken nach Empfang des Freilauftriggersignals erst dann in einen geöffneten Zustand versetzt, wenn der jeweilige erfasste Phasenstrom an dem zugeordneten Phasenanschluss einen Nulldurchgang oder eine aus dem Wechselrichter herausweisende Stromrichtung aufweist. Vorteile der Erfindung

Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Wechsel des Betriebszustands eines Wechselrichter einer elektrischen Maschine, insbesondere einer

Synchronmaschine, von einem aktiven Kurzschlusszustand in einen Freilaufmodus die momentanen Phasenströme in dem Wechselrichter zu überwachen und die Halbbrücken des Wechselrichters individuell und separat voneinander anzusteuern. So werden eine oder mehrere der Schalteinrichtungen einer Halbbrücke erst dann von einem leitenden in einen sperrenden Zustand überführt, wenn der Phasenstrom einen Nulldurchgang aufweist oder zum Zeitpunkt des Betriebszustandswechsels der Phasenstrom von dem Wechselrichter in die elektrische Maschine fließt.

Ein Vorteil dieser Vorgehensweise ist es, dass kein Energieeintrag in den

Gleichspannungszwischenkreis erfolgt, so dass der Freilaufmodus länger beibehalten werden kann. Da im Freilaufmodus kein Bremsmoment auftritt, kann beispielsweise bei einem Auftreten einer Fehlfunktion während der Fahrt mit einem elektrisch betriebenen Fahrzeug ein sanfteres Ausrollen erfolgen. Zudem wird die für ein Abschleppen eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs benötigte Leistung reduziert. In einigen Fehlerfällen, beispielsweise bei einem Ausfall der Niedervoltversorgung, bei einem Ausfall der niedervoltseitigen Lageerfassung des Polrads der elektrischen Maschine, bei einem Ausfall sonstiger niedervoltseitiger elektronischer Steuerkomponenten oder sonstigen niedervoltseitigen Fehlfunktionen, kann das elektrisch betriebenen Fahrzeug geschoben werden, ohne das Bremsmoment der elektrischen Maschine im aktiven

Kurzschlusszustand überwinden zu müssen. Vorteilhafterweise wird eine Belastung oder thermische Überlastung des Wechselrichters in dem aktiven Kurzschlusszustand vermieden, da im Freilaufmodus keine

Kurzschlussströme auftreten. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn aufgrund einer fehlenden Niedervoltenergieversorgung das Kühlsystem des Wechselrichters nicht funktionsfähig ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Betriebszustandsschaltung kann die

Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt sein, Ausgangsspannungen des Wechselrichters an den Phasenanschlüssen zu erfassen und, insbesondere auf der Basis der erfassten Ausgangsspannungen, eine Drehzahl der elektrischen Maschine zu ermitteln. Der einstellbare Freilaufschwellwert kann dabei einen ersten Spannungsschwellwert aufweisen, wenn die ermittelte Drehzahl unter einem einstellbaren Drehzahlschwellwert liegt, und einen zweiten Spannungsschwellwert aufweisen, der kleiner als der erste Spannungsschwellwert ist, wenn die ermittelte Drehzahl über dem einstellbaren

Drehzahlschwellwert liegt. Bei hohen Drehzahlen ist das durch die elektrische Maschine erzeugte Bremsmoment niedriger als bei niedrigen Drehzahlen, so dass oberhalb des einstellbaren Drehzahlschwellwert der Schutz des Gleichspannungszwischenkreises gegenüber Überspannungen priorisiert werden kann, indem der aktive

Kurzschlusszustand schon bei geringeren Eingangsspannungen eingestellt wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Betriebszustandsschaltung kann die

Ansteuereinrichtung eine Hardwareschaltung aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, den Wechselrichter in einem Kurzschlusszustand zu halten, solange die erfasste

Eingangsspannung größer als ein einstellbarer Kurzschlussschwellwert ist. Dies stellt vorteilhafterweise sicher, dass die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis einen sicherheitskritischen Schwellwert nicht überschreiten kann. Beispielsweise kann der einstellbare Kurzschlussschwellwert der um eine Sicherheitsmarge abgesenkten minimalen Batteriespannung der Hochvoltbatterie entsprechen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Betriebszustandsschaltung kann der einstellbare Kurzschlussschwellwert dem einstellbaren Freilaufschwellwert entsprechen, wenn die ermittelte Drehzahl unter dem einstellbaren Drehzahlschwellwert liegt, und wobei der einstellbare Kurzschlussschwellwert größer als der einstellbare

Freilaufschwellwert ist, wenn die ermittelte Drehzahl über dem einstellbaren

Drehzahlschwellwert liegt. Dadurch kann der einstellbare Freilaufschwellwert zwischen dem minimal benötigten Schaltschwellwert für die Energieversorgung der Ansteuerung der Schalteinrichtungen des Wechselrichters und dem einstellbaren Kurzschlussschwellwert flexibel variiert werden, um in den niedrigen Drehzahlbereichen eine möglichst lange Freilaufdauer und damit ein möglichst geringes mittleres

Bremsmoment durch die elektrische Maschine gewährleisten zu können. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin eine n-phasige elektrische Maschine umfassen, deren Leistungsanschlüsse mit den Phasenanschlüssen des Wechselrichters gekoppelt sind. Vorteilhafterweise kann diese eine permanent-erregte Synchronmaschine sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen

Antriebssystems kann der Gleichspannungszwischenkreis mit der

Betriebszustandsschaltung gekoppelt sein, und dazu ausgelegt ist, die

Betriebszustandsschaltung mit elektrischer Energie zu versorgen. Dies ermöglicht eine autarke Energieversorgung der Betriebszustandsschaltung, unabhängig von der

Versorgung mit Energie aus der Niedervoltseite. Insbesondere bei einem Ausfall der Niedervoltenergieversorgung, beispielsweise bei einem Defekt oder einer Fehlfunktion, oder bei einem Abschleppen eines mit dem erfindungsgemäßen elektrischen

Antriebssystem ausgestatteten elektrisch betriebenen Fahrzeug, kann dies eine zuverlässige Implementierung einer Betriebszustandskontrolle des Wechselrichters gewährleisten.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin die Schritte des Erfassens der Ausgangsspannungen des Wechselrichters an den Phasenanschlüssen des Wechselrichters, und des Ermitteins der Drehzahl der elektrischen Maschine, insbesondere auf der Basis der erfassten Ausgangsspannungen, umfassen. Dabei kann der einstellbare Freilaufschwellwert einen ersten

Spannungsschwellwert aufweisen, wenn die ermittelte Drehzahl unter einem einstellbaren Drehzahlschwellwert liegt, und einen zweiten Spannungsschwellwert aufweisen, der kleiner als der erste Spannungsschwellwert ist, wenn die ermittelte Drehzahl über dem einstellbaren Drehzahlschwellwert liegt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Haltens des Wechselrichters in einem

Kurzschlusszustand umfassen, solange die erfasste Eingangsspannung größer als der einstellbare Freilaufschwellwert ist.

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

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Betriebszustandsdiagramms für die

Ansteuerung eines Wechselrichters eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig.3 eine schematische Darstellung eines Strom-Zeit- Diagramms für die Phasenströme eines Wechselrichters bei einem Wechsel der Betriebszustände eines

Wechselrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Einstellen von

Betriebszuständen eines Wechselrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts Anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Es versteht sich, dass Komponenten und Elemente in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu wiedergegeben sind.

Weitere mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden beschriebenen Merkmalen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 10. Das elektrische Antriebssystem 10 umfasst eine Hochspannungsenergiequelle 1,

beispielsweise eine Hochspannungsquelle wie eine Traktionsbatterie, welche eine Versorgungsspannung bereitstellen kann. Die Hochspannungsenergiequelle 1 kann in einem Antriebssystem eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs beispielsweise als

Energiespeicher 1 ausgelegt sein. Es ist auch möglich, dass die

Hochspannungsenergiequelle 1 netzbasiert ist, das heißt, dass das elektrische

Antriebssystem elektrische Energie aus einem Energieversorgungsnetz bezieht. Die Versorgungsspannung der Hochspannungsenergiequelle 1 kann über einen Zwischenkreis 2 mit einem Zwischenkreiskondensator 2a an Versorgungsanschlüsse 2c und 2d eines Wechselrichters 3, beispielsweise eines Pulswechselrichters, angelegt werden. Dabei liegt ein Anschluss der Hochspannungsenergiequelle 1 auf hohem

Potential, und ein Anschluss der Hochspannungsenergiequelle 1 auf niedrigem Potential, beispielsweise Masse. Der Wechselrichter 3 kann beispielsweise einen dreiphasigen Ausgang mit Phasenanschlüssen 5a, 5b, 5c aufweisen, die über Leistungsanschlüsse an eine dreiphasige elektrische Maschine 5 angeschlossen sind. Die elektrische Maschine 5 kann beispielsweise eine Synchronmaschine 5 bzw. ein Synchronmotor 5 sein. Der Wechselrichter 3 ist im vorliegenden Beispiel der Fig. 1 als Vollbrückenschaltung oder B6-Brücke ausgelegt. Dazu umfasst der Wechselrichter 3 obere Halbbrückenschalter mit auf hohes Potential bezogenen Schalteinrichtungen 3a, 3c, 3e und untere

Halbbrückenschalter mit auf niedriges Potential bezogenen Schalteinrichtungen 3b, 3d, 3f. Je zwei der Halbbrückenschalter sind jeweils als Halbbrücke 4a, 4b und 4c mit

Mittelabgriff ausgestaltet. Die Schalteinrichtungen 3a bis 3f können beispielsweise jeweils Leistungshalbleiterschalter aufweisen. Die Schalteinrichtungen 3a bis 3f können beispielsweise Feldeffekttransistorschalter wie n-MOSFETs (n-leitende Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors, Anreicherungstyp), JFETs (Junction Field-Effect Transistors) oder p-MOSFETs (p-leitende Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) aufweisen. Die Schalteinrichtungen 3a bis 3f können auch IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors, Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode) aufweisen.

Der Wechselrichter 3 kann durch entsprechende Ansteuerung der Schalteinrichtungen 3a bis 3f eine dreiphasige Wechselspannung zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 5 erzeugen. Dazu wird an den jeweiligen Phasenanschlüssen 5a, 5b, 5c des

Wechselrichters 3 eine entsprechende Phasenspannung erzeugt. In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel sind drei Phasenanschlüsse und eine B6-Brücke gezeigt, wobei jede andere Anzahl von Phasenanschlüssen mit einer entsprechenden Anzahl an

Halbbrückenzweigen bzw. Halbbrücken ebenso möglich ist. Die Schalteinrichtungen 3a, 3c, 3e werden dabei als High-Side-Schalter bezeichnet, die Schalteinrichtungen 3b, 3d, 3f als Low-Side-Schalter.

Der Wechselrichter 3 ist dazu ausgelegt, über entsprechende Ansteuerung der

Schalteinrichtungen 3a bis 3f die Phasenanschlüsse 5a, 5b, 5c der elektrischen Maschine 5 wechselseitig gegen ein hohes Versorgungspotential, beispielsweise die

Versorgungsspannung, oder ein niedriges Bezugspotential, beispielsweise ein

Massepotential zu schalten. Der Wechselrichter 3 bestimmt Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 5 und wird von der Steuereinrichtung 7 entsprechend angesteuert. Die elektrische Maschine 5 kann somit wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden, beispielsweise in einem elektrischen Antriebssystem eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Im Motorbetrieb erzeugt sie ein zusätzliches Antriebsmoment, das einen Verbrennungsmotor zum Beispiel in einer Beschleunigungsphase unterstützt. Im Generatorbetrieb kann dagegen mechanische Energie in elektrische Energie gewandelt und in dem Energiespeicher 1 gespeichert bzw. in ein elektrisches Versorgungsnetz rückgespeist werden. Das elektrische Antriebssystem umfasst neben der Steuereinrichtung 7 eine

Auswerteeinrichtung 6. Die Ansteuereinrichtung 7 und die Auswerteeinrichtung 6 können dabei in einer Betriebszustandsschaltung 6 integriert sein, beispielsweise in einem Mikrocontroller. Die Betriebszustandsschaltung 6 kann beispielsweise mit dem

Gleichspannungszwischenkreis 2 gekoppelt sein, um mit elektrischer Energie von der Hochvoltseite des Wechselrichters 3 versorgt zu werden. Im Normalfall ist jedoch eine nicht gezeigte Niedervoltenergieversorgungseinrichtung vorgesehen sein, die die

Betriebszustandsschaltung 6 mit elektrischer Energie von der Niedervoltseite des Wechselrichters 3 versorgt, das heißt in einem regulären Ansteuerbetrieb durch die Niedervoltseite.

Ein Freilaufmodus des Wechselrichters 3 kennzeichnet sich dadurch, dass alle

Schalteinrichtungen 3a bis 3f geöffnet, das heißt im sperrenden Zustand sind, und ein eventuell in der elektrischen Maschine 5 vorhandener Strom über die den

Schalteinrichtungen 3a bis 3f zugeordneten Freilaufdioden geleitet und damit verringert oder ganz abgebaut werden kann. In einem ersten Kurzschlusszustand des

Wechselrichters 3 sind die Low-Side-Schalter 3b, 3d, 3f geschlossen, während die High- Side-Schalter 3a, 3c, 3e geöffnet sind. In diesem Zustand sind daher die

Phasenanschlüsse 5a, 5b, 5c jeweils mit dem Eingangsanschluss 2d verbunden. Dadurch wird ein Stromfluss durch die Freilaufdioden der Low-Side-Schalter bzw. die Low-Side- Schalter 3b, 3d, 3f ermöglicht. In einem zweiten Kurzschlusszustand des Wechselrichters 3 hingegen sind die Low-Side-Schalter 3b, 3d, 3f geöffnet, während die High-Side- Schalter 3a, 3c, 3e geschlossen sind. In diesem Zustand sind daher die

Phasenanschlüsse 5a, 5b, 5c jeweils mit dem Eingangsanschluss 2c verbunden. Dadurch wird ein Stromfluss durch die Freilaufdioden der High-Side-Schalter bzw. die High-Side- Schalter 3a, 3c, 3e ermöglicht.

Im Falle des Ausfalls der Niedervoltenergieversorgung oder des Niedervoltsystems übernimmt die Hochvoltseite des Wechselrichters die Energieversorgung der Betriebszustandsschaltung 6 und insbesondere der Steuereinrichtung 7 für die

Wechselrichter 3. Damit die Steuereinrichtung 7 den Betriebszustand des aktiven Kurzschlusses, das heißt, einen der oben geschilderten ersten und zweiten

Kurzschlusszustände einstellen kann, muss die Zwischenkreisspannung über einem minimalen Schwellwert liegen, um die Schalteinrichtungen 3a bis 3f zuverlässig einzuschalten. Ohne gezielte Ansteuerstrategie sinkt die Zwischenkreisspannung während einer ersten Zeitdauer ab, bis sie unter den minimalen Schwellwert fällt und die Schalteinrichtungen 3a bis 3f automatisch geöffnet werden. Dadurch lädt die elektrische Maschine 5 den Zwischenkreis sehr schnell mit der zu diesem Zeitpunkt in den

Statorinduktivitäten gespeicherten Energie wieder auf, so dass die

Zwischenkreisspannung wieder über den minimalen Schwellwert ansteigt, und der Kurzschlusszustand wieder hergestellt werden kann. Dieses Prozedere wiederholt sich, wobei die Zwischenkreisspannung in periodischen Abständen durch die schnelle

Aufladung einen sägezahnartigen zeitlichen Verlauf aufweist. Das Verhältnis der gesamten Zeitdauer, in der sich der Wechselrichter 3 bei dieser Situation in einem

Kurzschlusszustand befindet, zur gesamten Zeitdauer, in der sich der Wechselrichter 3 in einem Freilaufmodus befindet, ist sehr hoch, so dass das Fahrzeug näherungsweise mit einem konstanten Bremsmoment beaufschlagt wird. Insbesondere bei niedrigen

Drehzahlen der elektrischen Maschine 5 ist dieses Bremsmoment verhältnismäßig hoch.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Betriebszustandsdiagramms 20 für die Ansteuerung eines Wechselrichters eines elektrischen Antriebssystems. Beispielsweise kann das Betriebszustandsdiagramm 20 für eine Ansteuerstrategie des Wechselrichters 3 des elektrischen Antriebssystems 10 in Fig. 1 herangezogen werden. Dabei kann die Ansteuerstrategie durch die Betriebszustandsschaltung 6 in Fig. 1 implementiert werden.

Dazu ist die Auswerteeinrichtung 8 der Fig. 1 mit den Phasenanschlüssen 5a, 5b, 5c des Wechselrichters 3 verbunden und kann dazu ausgelegt sein, Ausgangsspannungen des Wechselrichters 3 zu erfassen. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung 8 dazu ausgelegt sein, induzierte Polradspannungen in der elektrischen Maschine 5 zu erfassen. Die Auswerteeinrichtung 8 kann beispielsweise einen Mikrocontroller umfassen, welcher die Polradspannung in eine momentane Drehzahl n bzw. Polradfrequenz der elektrischen Maschine 5 umrechnet. Selbstverständlich kann die momentane Drehzahl n auch über andere Sensoren oder Erfassungseinrichtungen erfasst bzw. ermittelt werden. Zudem kann die Auswerteeinrichtung 8 eine Eingangsspannung U _E an den Eingangsanschlüssen 2c, 2d des Wechselrichters 3 erfassen. Dies kann beispielsweise über die ohnehin vorhandene Hochvoltversorgungsleitung 6a erfolgen, über die die

Betriebszustandsschaltung 6 mit elektrischer Energie versorgt wird. In Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahl n und der Eingangsspannung U _E an den Eingangsanschlüssen 2c, 2d des Wechselrichters 3 kann die Ansteuereinrichtung 7 dann die Schalteinrichtungen 3a bis 3f des Wechselrichters 3 derart ansteuern, dass ein Betriebszustand gemäß der in Fig. 2 dargestellten beispielhaften Betriebsbereiche 22, 23, 24 eingestellt wird. Der Verlauf 21 zeigt dabei die maximale Zwischenkreisspannung, die sich im Freilaufmodus in Abhängigkeit von der Drehzahl n der elektrischen Maschine 3 einstellen kann. Dabei können beispielswise die High-Side-Schalter immer gesperrt bleiben.

Bei niedrigen Drehzahlen kann die elektrische Maschine 5 ein hohes Bremsmoment erzeugen, so dass die Ansteuereinrichtung 7 dazu ausgelegt ist, in dem Wechselrichter 3 einen Freilaufzustand einzustellen, wenn die in der Auswerteeinrichtung 8 ermittelte momentane Drehzahl n einen vorbestimmten Drehzahlschwellwert n _M unterschreitet. Hingegen kann bei hohen Drehzahlen die hohe induzierte Polradspannung die Spannung in dem Gleichspannungszwischenkreis 2 übersteigen und hohe Ladeströme auf der Hochvoltseite des Wechselrichters erzeugen oder einen kritischen Grenzwert

überschreiten (beispielsweise 60 Volt), was zu Schädigungen der Leistungselektronik und der Hochspannungsenergiequelle 1 führen kann. In diesem Fall kann die die

Ansteuereinrichtung 7 dazu ausgelegt sein, in dem Wechselrichter 3 einen aktiven Kurzschlusszustand einzustellen, wenn die in der Auswerteeinrichtung 8 ermittelte momentane Drehzahl n den vorbestimmten Drehzahlschwellwert n _M überschreitet.

Im Bereich 22 liegt die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis 2, das heißt die Eingangsspannung U _E des Wechselrichters 3 über einem vorbestimmten bzw.

vorbestimmbaren Kurzschlussschwellwert U _M . Dieser Kurzschlussschwellwert U _M kann beispielsweise einem Wert entsprechen, der gegenüber einer minimalen

Betriebsspannung der Hochspannungsenergiequelle 1 um einen gewissen Betrag abgesenkt ist. Beispielsweise kann der Kurzschlussschwellwert U _M auf 90% der minimalen Betriebsspannung der Hochspannungsenergiequelle 1 festgelegt werden. Oberhalb dieses Kurzschlussschwellwerts U _M wird der Wechselrichter 3 durch die

Ansteuereinrichtung 7 stets in einem aktiven Kurzschlusszustand gehalten, um eine Überspannung im Gleichspannungszwischenkreis 2 zu vermeiden. Dazu kann die Ansteuereinrichtung 7 eine Hardwareschaltung 7b aufweist, welche dazu ausgelegt ist, den Wechselrichter 3 in einem Kurzschlusszustand zu halten, solange die erfasste

Eingangsspannung U _E größer als der einstellbarer Kurzschlussschwellwert U _M ist. Dieser einstellbare Kurzschlussschwellwert U _M kann aus Sicherheitsgründen unabhängig von der aktuellen Drehzahl n der elektrischen Maschine 5 festgelegt werden. Die Hardwareschaltung 7b kann beispielsweise als Komparatorschaltung integriert werden, die die Eingangsspannung U _E mit dem einstellbaren Kurzschlussschwellwert U _M vergleicht und den Kurzschlusszustand gegenüber allen anderen Betriebszuständen des

Wechselrichters 3 priorisiert. Der Kurzschlusszustand kann dabei auch mit der

Energieversorgung durch die Hochvoltseite gewährleistet werden, da die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 2 stets hoch genug ist.

Unterhalb des einstellbaren Kurzschlussschwellwerts U _M können je nach Drehzahlbereich der elektrischen Maschine 5 zwei verschiedene Ansteuerbereiche 23 und 24

implementiert werden. Der Ansteuerbereich 23 ist ein Ansteuerbereich, in dem die

Ansteuereinrichtung 7 dazu ausgelegt ist, die jeweiligen Schalteinrichtungen 3a bis 3f der Halbbrücken 4a, 4b, 4c des Wechselrichters in einem Freilaufmodus anzusteuern. Dazu kann die Auswerteeinrichtung 8 dazu ausgelegt sein, ein Freilauftriggersignal zu erzeugen und an die Ansteuereinrichtung 7 auszugeben, wenn die erfasste Eingangsspannung U _E geringer als ein einstellbarer Freilaufschwellwert ist. Der einstellbare Freilaufschwellwert kann dabei drehzahlabhängig sein. Beispielsweise kann in einem unteren

Drehzahlbereich unterhalb eines Drehzahlschwellwerts n _M der elektrischen Maschine 5 der einstellbare Freilaufschwellwert dem einstellbaren Kurzschlussschwellwerts U _M entsprechen. Oberhalb des Drehzahlschwellwerts n _M der elektrischen Maschine 5 kann der einstellbare Freilaufschwellwert einem gegenüber dem einstellbaren

Kurzschlussschwellwert U _M abgesenkten Freilaufschwellwert U _F entsprechen.

Der Freilaufschwellwert U _F kann dabei einem Spannungswert entsprechen, der um einen geringen Betrag höher liegt als die für eine zuverlässige Ansteuerung der

Schalteinrichtung 3a bis 3f des Wechselrichters 3 notwendige minimale Spannung im Gleichspannungszwischenkreis 2. Beispielsweise kann diese minimal notwendige

Spannung 30 Volt betragen. Der Freilaufschwellwert U _F kann in diesem Fall

beispielsweise auf etwa 60 Volt festgelegt werden. Nach Empfang des Freilauftriggersignals kann die Ansteuereinrichtung 7 dazu ausgelegt sein, die jeweiligen Schalteinrichtungen 3a bis 3f der Halbbrücken 4a, 4b, 4c erst dann in einen geöffneten Zustand zu versetzen, wenn der jeweilige erfasste Phasenstrom an dem zugeordneten Phasenanschluss 5a, 5b, 5c einen Nulldurchgang oder eine aus dem Wechselrichter 3 herausweisende Stromrichtung aufweist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Bedingungen für ein stromloses Schalten (ZCS,„zero current switching") stets gewährleistet sind. Dies hat zur Folge, dass zum Zeitpunkt des Schaltens in den Freilaufmodus keine Energie in den Statorinduktivitäten der elektrischen Maschine 5 gespeichert ist, die sich durch das Sperren der Schalteinrichtungen 3a bis 3f schlagartig in den Gleichspannungszwischenkreis 2 entladen würde. Dadurch steigt die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis 2 nicht unkontrolliert an, und der Freilaufmodus kann verhältnismäßig lange beibehalten werden. Die Maximierung der Zeitdauer, während der der Wechselrichter 3 im Freilaufmodus betrieben werden kann, minimiert zugleich das zeitlich gemittelte Bremsmoment, was von der elektrischen Maschine 5 auf die Welle des elektrischen Antriebssystems übertragen werden kann. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Strom-Zeit- Diagramms 30 für die Phasenströme l _P eines Wechselrichters bei einem Wechsel der Betriebszustände des Wechselrichters. Das Strom-Zeit- Diagramm 30 kann beispielsweise für

Phasenstromverläufe 31, 32 und 33 eines dreiphasigen Wechselrichters 3 gelten, wie in Fig. 1 dargestellt. Dabei gilt das Strom-Zeit- Diagramm 30 beispielsweise für einen Wechsel von einem der Ansteuerbereiche 22 oder 24 in den Ansteuerbereich 23, in dem die Ansteuereinrichtung 7 den Wechselrichter 3 von einem aktiven Kurzschlusszustand in einen Freilaufmodus überführt.

Zu einem Zeitpunkt tl erfolgt die Ausgabe eines Freilauftriggersignals durch die

Auswerteeinrichtung 8, beispielsweise wenn eine entsprechende

Betriebszustandswechselbedingung in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahl n und/oder der ermittelten Eingangsspannung U _E des Wechselrichters 3 erfüllt ist. Zu diesem Zeitpunkt weisen die beiden Phasenstromverläufe 32 und 33 einen

Phasenstromwert l _z auf, welcher von der elektrischen Maschine 5 in den Wechselrichter 3 hinein läuft. Wenn die Schalteinrichtungen der den beiden Phasenstromverläufen 32 und 33 zugehörigen Halbbrücken des Wechselrichters 3 zum Zeitpunkt tl in geschlossenen Zustand versetzt werden würden, würde sich die in den entsprechenden

Statorinduktivitäten der elektrischen Maschine 5 gespeicherte elektrische Energie schlagartig in den Gleichspannungszwischenkreis 2 entladen, was zu einem

unkontrollierten und damit unerwünschten Anstieg der Spannung im

Gleichspannungszwischenkreis 2 führen würde. Die Ansteuereinrichtung 7 hält daher zum Zeitpunkt tl, also nach dem Empfang des Freilauftriggersignals von der

Auswerteeinrichtung 8, die Schalteinrichtungen der den beiden Phasenstromverläufen 32 und 33 zugehörigen Halbbrücken zunächst noch in leitendem Zustand.

Der Phasenstromverlauf 31 hingegen weist einen Phasenstromwert l _M auf, welcher von dem Wechselrichter 3 in die elektrische Maschine 5 hinein läuft. Damit kann die

Ansteuereinrichtung 7 die dem Phasenstromverlauf 31 zugehörigen Halbbrücken des Wechselrichters 3 bzw. deren Schalteinrichtungen bereits zum Zeitpunkt tl in

geschlossenen Zustand versetzen. Nachdem der Phasenstrom zu einem späteren Zeitpunkt vollständig in die Statorinduktivität der elektrischen Maschine 5 geflossen ist, bleibt der Phasenstrom aufgrund des in diese Halbbrücke eingestellten Freilaufzustands bei Null. Die Ansteuereinrichtung 7 überwacht in Folge nach dem Zeitpunkt tl, das heißt nach dem Empfang des Freilauftriggersignals von der Auswerteeinrichtung 8, die beiden

Phasenstromverläufe 32 und 33. Zu jeweiligen Zeitpunkten t2 und t3, zu denen die Phasenstromverläufe 32 und 33 dann Nulldurchgänge des Phasenstroms aufweisen, können auch die jeweils zugehörigen Halbbrücken bzw. deren Schalteinrichtungen in den Freilaufmodus geschaltet werden. Eine typische Zeitverzögerung zwischen der Ausgabe des Freilauftriggersignals und der vollständigen Aktivierung des Freilaufmodus in dem Wechselrichter 3 kann dabei etliche Millisekunden betragen. Demgegenüber wird der Gleichspannungszwischenkreis 2 jedoch nicht auf hohe, die sofortige Einstellung eines Kurzschlusszustands notwendig machende Spannungen aufgeladen, deren Abbau bis zu einer Sekunde dauern kann. Das bedeutet, dass der Freilaufmodus im zeitlichen Mittel erheblich länger aufrechterhalten werden kann, was in Konsequenz das im zeitlichen Mittel durch die elektrische Maschine 5 erzeugte Bremsmoment ebenfalls minimiert.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 40 zum Betreiben eines Wechselrichters. Das Verfahren 40 kann insbesondere zum Einstellen von

Betriebszuständen des Wechselrichters 3 in Fig. 1 eingesetzt werden, welcher eine n- phasige elektrische Maschine 5 über Phasenanschlüsse 5a, 5b, 5c mit einer n-phasigen Versorgungsspannung versorgt. Das Verfahren 40 umfasst in einem ersten Schritt 41 ein Erfassen einer Eingangsspannung U _E des Wechselrichters 3. In einem zweiten Schritt 42 können Phasenströme an den Phasenanschlüssen 5a, 5b, 5c des Wechselrichters 3 erfasst werden. In einem Schritt 43 kann ein Freilauftriggersignal erzeugt werden, beispielsweise durch die in Fig. 1 gezeigte Auswerteeinrichtung 8, wenn die erfasste Eingangsspannung U _E geringer als ein einstellbarer Freilaufschwellwert U _M bzw. U _F ist. Dann kann in einem Schritt 44 ein Schalten des Wechselrichters von einem

Kurzschlusszustand in einen Freilaufmodus in Abhängigkeit von der erfassten

Eingangsspannung U _E erfolgen.

Beim Schalten in den Freilaufmodus werden die jeweiligen Schalteinrichtungen 3a bis 3f der Halbbrücken 4a, 4b, 4c nach Empfang des Freilauftriggersignals erst dann in einen geöffneten Zustand versetzt, wenn der jeweilige erfasste Phasenstrom an dem zugeordneten Phasenanschluss 5a, 5b, 5c einen Nulldurchgang oder eine aus dem Wechselrichter 3 herausweisende Stromrichtung aufweist. Optional kann das Verfahren 40 weiterhin die Schritte des Erfassens der Ausgangsspannungen des Wechselrichters 3 an den Phasenanschlüssen 5a, 5b, 5c des Wechselrichters 3, und des Ermittelns der Drehzahl n der elektrischen Maschine 5, insbesondere auf der Basis der erfassten Ausgangsspannungen, aufweisen. Der einstellbare Freilaufschwellwert kann dabei gemäß Fig. 2 zwischen ersten und zweiten Spannungsschwellwerten variiert werden, je nach Drehzahlbereich der ermittelten Drehzahl n. Darüber hinaus kann optional ein Halten des Wechselrichters 3 in einem Kurzschlusszustand erfolgen, solange die erfasste Eingangsspannung U _E größer als der einstellbare Freilaufschwellwert ist, unabhängig von der erfassten Drehzahl n.