einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einstellen eines vorbestimmten Betriebszustands einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs gemäß den Hauptansprüchen.

Eine mit einem Wechselrichterbetriebene elektrische Maschine, speziell eine PSM (PSM = permanent-erregte Synchronmaschine), wie sie in Hybrid- und Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommt, sollte als sicherheitskritisches Teilsystem im Fehlerfall einen sicheren Zustand erreichen. Dies ist in der Regel ein Betriebspunkt in dem die elektrische Maschine ein reduziertes Drehmoment erzeugt, welches das Fahrzeug nicht destabilisieren kann. Der sichere Zustand ist bei einer permanent-erregten Synchronmaschine (PSM), je nach Betriebspunkt, ein aktiver Kurzschlussmodus oder eine Wechselrichtersperre. Im aktiven Kurzschlussmodus werden meist zumindest zwei, günstiger jedoch alle Motorwicklungen mit den elektrischen Schaltern des Wechselrichters kurzgeschlossen. Dieser Modus stellt für eine PSM den sicheren Systemzustand dar und lässt sich mit verschiedenen Schalterstellungen des Wechselrichters hersteilen. In der Wechselrichtersperre werden die Schalter des Wechselrichters (alle) geöffnet, sodass die Motorwicklungen der elektrischen Maschine nicht durch den Wechselrichter bestromt werden.

In der Regel wird für den Wechselrichter eine B6-Brückenschaltung verwendet. Als Schalter einer solchen Brückenschaltung kann beispielsweise eine IGBT-Dioden- Kombination oder ein MOSFET verwendet werden. Der aktive Kurzschlussmodus (AKS), auch aktiver Kurzschluss genannt, wird typischerweise über das gleichzeitige Schließen aller High-side-Schalter (HS) oder auch wahlweise aller Low-side-Schalter (LS) hergestellt. Dabei bleiben die Schalter der jeweiligen gegenüberliegenden Seite geöffnet. Dieser Modus wird dann auch dreiphasiger oder bei einem Mehrphasensystem vollphasiger Kurzschlussmodus bezeichnet.

Üblicherweise wird nur eine der beiden Schalterstellungen für den aktiven Kurzschlussmodus verwendet. Diese lässt sich per Hardware sehr leicht implementieren. Alternativ lässt sich auch ein wechselnder aktiver Kurzschlussmodus verwenden. Hierbei wird regelmäßig zwischen beiden möglichen Schalterstellungen mittels einer entsprechenden Ansteuerung der Schalter gewechselt.

Um den sicheren Zustand auch bei einem Ausfall des Bordnetzes des Fahrzeugs zu erreichen, welches üblicherweise als Niederspannungsnetz mit einer Betriebsspannung von beispielsweise 12 Volt ausgelegt ist, wird meist ein Spannungswandler eingesetzt. Dieser wandelt eine in einem Hochspannungsnetz verfügbare Spannung und stellt sie dem Bordnetz zur Verfügung. Ein solcher Spannungswandler versorgt das Niederspannungsnetz auch bei Abfall des Bordnetzes weiter mit Spannung. Das Hochspanungsnetz ist hierbei primär als Energiequelle für einen elektrischen Traktionsmotor des Fahrzeugs vorgesehen und weist eine Spannung von beispielsweise mehreren hundert Volt auf, um den Traktionsmotor mit hinreichend hoher elektrischer Energie zur Fortbewegung des Fahrzeugs versorgen zu können.

Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Einstellen eines (vor-) bestimmten Betriebszustands einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Es wird mit dem hier vorgeschlagenen Ansätze eine Vorrichtung zum Einstellen eines bestimmten Betriebszustands einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs vorgestellt, insbesondere eines vorbestimmten Betriebszustands. Die Vorrichtung weist die folgenden Merkmale auf:

Einen Wechselrichter zum Liefern einer aus einem Hochspannungsnetz des Fahrzeugs bereitgestellten elektrischen Energie an die elektrische Maschine.

Eine Ansteuereinheit zum Beaufschlagen zumindest eines Schalters des Wechselrichters mit einem Steuersignal, um den Schalter in einen dem (vor-) bestimmten Betriebszustand der elektrischen Maschine entsprechenden Schaltzustand zu bringen. Die Ansteuereinheit ist mit einem Niederspannungsnetz und dem Hochspannungs- netz gekoppelt. Die Ansteuereinheit ist hierbei ausgebildet, um das Steuersignal unter Verwendung von Energie direkt aus dem Hochspannungsnetz zu erzeugen.

Unter einem Schalter kann vorliegend beispielsweise ein Teilelement einer Brücke oder einer Halbbrücke des Wechselrichters verstanden werden. Als Schalter kann beispielsweise eine IGBT oder ein MOSFET verwendet werden.

Unter einem (vor-) bestimmten Betriebszustand der elektrischen Maschine wird insbesondere ein vorbestimmter sicherer Zustand der elektrischen Maschine verstanden. Unter einem solchen (vor-) bestimmten Betriebszustand der elektrischen Maschine kann daher insbesondere entweder ein aktiver Kurzschluss von Wicklungen / Phasen der elektrischen Maschine (aktiver Kurzschlussmodus; AKS) verstanden werden, oder eine Abtrennung der (aller) Wicklungen / Phasen der elektrischen Maschine von einer Energiequelle verstanden werden, oder eine Wechselrichtersperre (Öffnen aller Schalter des Wechselrichters) verstanden werden. Unter einem solchen (vor-) bestimmten Betriebszustand kann somit ein gewünschter Betriebszustand verstanden werden. Welcher mögliche bestimmte Betriebszustand eingestellt werden soll, wird insbesondere in Abhängigkeit des gegenwärtigen Betriebszustands der Vorrichtung (Ist- Betriebszustand) und/oder eines Fehlerfalles entschieden.

Unter einem Schaltzustand wird insbesondere ein geschlossener Zustand des Schalters (d.h. ein Zustand bei dem der Schalter leitend ist) oder ein geöffneter Zustand des Schalters (d. h. ein Zustand bei dem der Schalter nicht leitend ist) verstanden.

Unter einem Niederspannungsnetz kann vorliegend ein elektrisches Netz verstanden werden, in welchem ein niedrigerer Spannungspegel als im Hochspannungsnetz vorliegt. Beispielsweise kann das Niederspannungsnetz zur Übertragung von Sensor- und/oder Steuersignalen verwendet werden. Demgegenüber kann das Hochspannungsnetz zur Lieferung von elektrischer Energie dienen, die durch den Wechselrichter gewandelt wird und die somit der elektrischen Maschine für deren Betrieb zur Verfügung gestellt wird. Beispielsweise kann das Hochspannungsnetz eine Spannung von mehreren hundert Volt aufweisen und an eine (Hochvolt-) Batterie oder einen entsprechenden Akkumulator angeschlossen sein. Insbesondere sind das Hoch- spannungsnetz und das Niederspannungsnetz derart voneinander elektrisch getrennt, dass eine Beschädigung von Bauelementen des Niederspannungsnetzes durch die im Hochspannungsnetz vorliegende elektrische Spannung verhindert wird.

Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass der zumindest eine Schalter des Wechselrichters durch die Ansteuereinheit unter Verwendung von Energie direkt aus dem Hochspannungsnetz angesteuert werden kann, ohne dass hierzu die Verwendung von elektrischer Energie aus dem Niederspannungsnetz erforderlich ist. Die Ansteuereinheit ist demnach unmittelbar an das Hochspannungsnetz angeschlossen.

Durch den direkten Anschluss der Ansteuereinheit an das Hochspannungsnetz ist sichergestellt, dass auch bei einem Ausfall oder beim Hochfahren des Bordnetzes des Fahrzeugs, welches üblicherweise das Niederspannungsnetz bildet, sehr schnell der zumindest eine Schalter des Wechselrichters in einem bestimmten Schaltzustand gebracht werden kann. Entsprechend schnell kann die elektrische Maschine hierdurch in den sicheren Zustand gebracht werden kann. Durch die Verwendung der Energie direkt aus dem Hochspannungsnetz, welches meist kontinuierlich und stabil zur Verfügung steht, lässt sich somit auch in Grenzsituationen ein Betrieb der elektrischen Maschine sicher gestalten. Auf diese Weise kann auch vermieden werden, dass bei einem Ausfall oder einem Hochfahren des Niederspannungsnetzes ein Undefinierter Schaltzustand des Schalters des Wechselrichters vorliegt, der zu einem kritischen Betriebszustand der elektrischen Maschinen führen kann.

Die Vorrichtung zum Einstellen des bestimmten Betriebszustands der elektrischen Maschine kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale, verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnitt- stellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Entsprechendes gilt für die Ansteuereinheit.

Die Vorrichtung zum Einstellen des bestimmten Betriebszustands kann dazu ausgebildet sein, den bestimmten Betriebszustand in einem Fehlerfall zu erzeugen. Dementsprechend ist dann die Ansteuereinheit ausgebildet, um das Steuersignal in einem Fehlerfall unter Verwendung von Energie direkt aus dem Hochspannungsnetz zu erzeugen. Ein solcher Fehlerfall kann beispielsweise ein nichtbestimmungsgemäßer Betrieb der elektrischen Maschine und/oder des Niederspannungsnetzes sein, wie beispielsweise ein (kompletter oder teilweiser) Ausfall eines als Niederspannungsnetz ausgebildeten Bordnetzes des Fahrzeugs. Ein solcher Fehlerfall liegt also außerhalb eines Normalbetriebs. Die Kriterien zum Vorliegen eines solchen Fehlerfalls, können vorab festgelegt worden sein. Unter einem Normalbetrieb wird insbesondere eine bestimmungsgemäße feldorientierte Steuerung (FOS) oder eine feldorientierte Regelung (FOR) der elektrischen Maschine mittels des Wechselrichters verstanden.

Die Vorrichtung zum Einstellen des bestimmten Betriebszustands kann eine weitere (zweite) Ansteuereinheit aufweisen, welche zur Ansteuerung des zumindest einen Schalter des Wechselrichters im Normalbetrieb dient. Diese weitere Ansteuereinheit ist bevorzugt konventionell ausgebildet. Es braucht daher nicht näher auf diese weitere Ansteuereinheit eingegangen werden. Die Energie zur Ansteuerung des zumindest einen Schalters im Normalbetrieb wird dann insbesondere direkt aus dem Niederspannungsnetz entnommen.

Es kann demnach vorgesehen sein, dass der zumindest eine Schalter des Wechselrichters im Normalbetrieb durch Signale aus dem Niederspannungsnetz angesteuert wird. Es kann dementsprechend vorgesehen sein, dass die vorgenannte (erste) Ansteuereinheit zum Einstellen des bestimmten Betriebszustands der elektrischen Maschine nur außerhalb des Normalbetriebs eingesetzt wird, also beispielsweise in gewissen Notsituationen. Dann ist das Einlegen des (vor-) bestimmten Betriebszustands erforderlich. Die vorgenannte (erste) Ansteuereinheit ist dann dementsprechend als eine Notansteuereinheit ausgebildet. Die Vorrichtung zum Einstellen des bestimmten Betriebszustands kann ein Steuergerät des Wechselrichters umfassen oder sein. Ein solches Steuergerät kann die vorgenannte (erste) Ansteuereinheit aufweisen. Ein solches Steuergerät kann auch die weitere (zweite) Ansteuereinheit für den Normalbetrieb aufweisen.

Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Ansteuereinheit einen Linearregler und/oder einen Spannungsteiler zur Wandlung von Energie aus dem Hochspannungsnetz zur Bereitstellung des Steuersignals aufweist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, mit technisch einfachen Mitteln und sehr schnell das entsprechende Steuersignal zum Ansteuern des Schalters des Wechselrichters bereitstellen zu können.

Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Wechselrichter eine Brückenschaltung, insbesondere eine B6-Brückenschaltung aufweisen, wobei der durch die Ansteuereinheit angesteuerte Schalter dann einen Teilabschnitt der Brückenschaltung bildet. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, bereits vorhandene Komponenten vorteilhaft miteinander zu verbinden, um die Sicherheitsfunktion für die elektrische Maschine schnell realisieren zu können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Wechselrichter neben dem vorgenannten (ersten) Schalter zumindest einen zweiten Schalter aufweisen. Die Ansteuereinheit ist dabei zum Beaufschlagen des zumindest einen zweiten Schalters des Wechselrichters mit einem zweiten Steuersignal ausgebildet, um auch den zweiten Schalter in einen dem (vor-) bestimmten Betriebszustand entsprechenden Schaltzustand zu bringen. Die Ansteuereinheit ist dazu ausgebildet, um auch das zweite Steuersignal unter Verwendung von Energie direkt aus dem Hochspannungsnetz zu erzeugen. Hierbei kann der Schaltzustand des zweiten Schalters dem Schaltzustand des vorgenannten (ersten) Schalters entsprechen. Beispielsweise können die Schaltzustände gleich sein oder sie können zueinander invertiert sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, die Sicherheitsfunktion für die elektrische Maschine durch die entsprechende Ansteuerung des zweiten Schalters schnell und sicher sicherstellen zu können. Der erste Schalter und der zweite Schalter können eine Halbbrücke des Wechselrichters bilden. Einer vom ersten und zweiten Schalter bildet dann einen High-side- Schalter und der andere vom ersten und zweiten Schalter bildet dann einen Low- side-Schalter. Die Vorrichtung kann dazu ausgebildet sein, analog zu der beschriebenen Vorgehensweise auch weitere oder alle Schalter des Wechselrichters zum Einstellen des bestimmten Betriebszustands der elektrischen Maschine anzusteuern.

Bei einer Ausführungsform ist die Ansteuereinheit ausgebildet, um das oder die Steuersignale ferner in Abhängigkeit von einem im Niederspannungsnetz vorliegenden Spannungspegel zu erzeugen. Insbesondere ist die Ansteuereinheit ausgebildet, um das oder die Steuersignale dann zu erzeugen, wenn der Spannungspegel im Niederspannungsnetz einen vordefinierten Niederspannungspegel unterschreitet (= Fehlerfall). Beispielsweise kann das oder die Steuersignale dann bereitgestellt werden, wenn der Spannungspegel im Niederspannungsnetz unter fünf Volt, beispielsweise bei null Volt, liegt. Somit kann sichergestellt werden, dass der zumindest eine Schalter des Wechselrichters beim Ausfall des als Niederspannungsnetz ausgebildeten Bordnetzes in einen definierten Schaltzustand gebracht wird und somit keinen sicherheitskritischen Betrieb der elektrischen Maschine zulässt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Ansteuereinheit ausgebildet sein, um das oder die Steuersignale in Abhängigkeit von einem Spannungspegel des Hochspannungsnetzes zu erzeugen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, in Abhängigkeit von einem aktuell vorliegenden Spannungspegel des Hochspannungsnetzes einen bestimmten Schaltzustand des Schalters einstellen zu können. Somit ist beispielsweise in Abhängigkeit vom Spannungspegel des Hochspannungsnetzes eine Auswahl einer von mehreren Sicherheitsfunktionen für den Betrieb der elektrischen Maschine möglich. Auf diese Weise lässt sich eine sehr flexible Einstellung der Sicherheitsfunktion der elektrischen Maschine in Abhängigkeit des vorliegenden Spannungspegels des Hochspannungsnetzes erreichen.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Ansteuereinheit ausgebildet ist, um das oder die Steuersignale derart zu erzeugen, dass der zumindest eine Schalter geschlossen ist, wenn der Spannungspegel im Hochspannungsnetz größer als ein erster Hochspannungspegel ist (= erster Fehlerfall). Alternativ oder zusätzlich ist die Ansteuereinheit ausgebildet, um das oder die Steuersignale derart zu erzeugen, dass der zumindest eine Schalter geöffnet ist, wenn der Spannungspegel im Hochspannungsnetz kleiner als ein zweiter Hochspannungspegel ist (= zweiter Fehlerfall). Insbesondere ist der erste Hochspannungspegel größer als der zweite Hochspannungspegel.

Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, einen aktiven Kurzschluss der Wicklungen / Phasen der elektrischen Maschine dann vorgeben zu können, wenn die Spannung des Hochspannungsnetzes größer als ein bestimmter Pegel (erster Hochspannungspegel) ist. In einem solchen Fall kann im Hochspannungsnetz eine ausreichende Energie vorhanden sein, um die elektrische Maschine in gewisse kritische Betriebszustände bringen zu können. Liegt jedoch im Hochspannungsnetz ein Spannungspegel vor, der gering im Vergleich zum vorstehend genannten Pegel ist (zweiter Hochspannungspegel), kann eventuell davon ausgegangen werden, dass im Hochspannungsnetz ebenfalls ein Fehler vorliegt. Die Energie in diesem Hochspannungsnetz kann dann gegebenenfalls nicht mehr ausreichen, um die elektrische Maschine in einen sicherheitskritischen Zustand zu bringen. In diesem Fall kann es ausreichen, den Wechselrichter in den Schaltzustand der Wechselrichtersperre zu schalten und dementsprechend den zumindest einen Schalter zu öffnen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Ansteuereinheit ausgebildet sein, um Ansteuersignale aus dem Niederspannungsnetz zur Steuerung des Schalters zu blockieren, wenn das Steuersignal unter Verwendung von Energie direkt aus dem Hochspannungsnetz erzeugt wird. Ein solches Blockieren kann beispielsweise ein nicht-Weiterleiten sein. Solche Ansteuerungssignale kommen insbesondere von der oben genannten weiteren (zweiten) Ansteuereinheit, die für den Normalbetrieb dient. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, möglicherweise fehlerhaft ermittelte Ansteuersignale aus dem Niederspannungsnetz zu unterdrücken. Somit wird die Ansteuerung des zumindest einen Schalters in den entsprechenden Schaltzustand nicht behindert und eine Betriebssicherheit der elektrischen Maschine gewährleistet. Die vorstehend genannten Vorteile können in einer Ausführungsform auch als Verfahren zum Einstellen eines vorbestimmten Betriebszustands einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs realisiert werden. Dies erfolgt unter Verwendung der hier vorgestellten Vorrichtung. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

• Liefern von elektrischer Energie aus dem Hochspannungsnetz an die Ansteuereinheit.

• Erzeugen eines Steuersignals zur Ansteuerung des Schalters des Wechselrichters unter Verwendung der direkt aus dem Hochspannungsnetz gelieferten Energie, um den Schalter des Wechselrichters in einen dem (vor-) bestimmten Betriebszustand der elektrischen Maschine entsprechenden Schaltzustand zu bringen.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, in welchem ein elektrisches System mit einer Vorrichtung sowie eine elektrischen Maschine angeordnet ist;

Fig. 2 eine Blockschaltbilddarstellung eines Signalflusses;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Einstellen eines vorbestimmten Betriebszustands einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100, im Detail eines Kraftfahrzeugs, in welchem ein elektrisches System 105 mit einer Vorrichtung 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sowie eine elektrischen Maschine 115 angeordnet ist. Die elektrische Maschine 115 kann beispielsweise ein Traktionsmotor sein, mittels derer das Fahrzeug 100 angetrieben werden kann, also fortbewegt werden kann. Die elektrische Maschine 115 wird hierzu aus einem Hochspannungsnetz 120 mit elektrischer Energie versorgt, welches einen Hochspannungsnetzenergiespeicher 125, beispielsweise eine Hochvoltbatterie, aufweist. Der Hochspannungsnetzenergiespeicher 125 kann beispielsweise eine (Gleich-) Spannung von mehreren hundert Volt, beispielsweise 600 Volt bis 800 Volt bereitstellen. Diese wird einem Wechselrichter 130 bereitgestellt.

Der Wechselrichter 130 umfasst beispielsweise eine Brückenschaltung mit mehreren Schaltern 135, von denen in der Fig. 1 lediglich zwei exemplarisch mit einem Bezugszeichen versehen sind (Bezugszeichen 135 und 135‘). Durch eine entsprechende Ansteuerung der Schalter 135 kann aus der von dem Hochspannungsnetz 120 bereitgestellten Energie eine Wechselspannung auf drei Phasenleitungen 140 bereitgestellt werden. Mit dieser 3-phasigen Wechselspannung kann nun die elektrische Maschine 115 als Elektromotor, insbesondere als Traktionsmotor des Fahrzeugs 100, betrieben werden kann.

Weiterhin kann von dem Hochspannungsnetz 120 elektrische Energie einem Spannungswandler 145 (beispielsweise ein Schaltnetzteil) zugeführt werden. Der Spannungswandler 145 stellt einem Niederspannungsnetz 150 des Fahrzeugs 100 elektrische Energie bereit, die eine niedrigere elektrische Spannung als die elektrische Spannung im Hochspannungsnetz 120 aufweist. Speziell kann das Niederspannungsnetz 150 beispielsweise als Bordnetzes mit den in der Fahrzeugtechnik gebräuchlichen Spannungen von 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt arbeiten und entsprechend mikroelektronische Bauteile, wie integrierte Schaltkreise, Microcontroller oder dergleichen mit elektrischer Energie versorgen. Üblicherweise erfolgt von dem Niederspannungsnetz 150 aus eine Ansteuerung der Schalter 135, 135‘ des Wechselrichters 130 mittels PWM-Signalen 152. Diese PWM- Signale 152 werden von einer nicht näher gezeigten konventionellen Ansteuereinheit im Niederspannungsnetz 150 erzeugt, die für den Normalbetrieb der Vorrichtung 110 dient. Dies ist jedoch insbesondere dann problematisch, wenn bei der Inbetriebnahme des Fahrzeugs 100 das Niederspannungsnetz 150 von dem Spannungswandler 145 noch nicht mit elektrischer Energie mit einer ausreichenden Spannung versorgt wird oder wenn ein Defekt im Niederspannungsnetz 150 auftritt und somit die Funktion von Steuerelementen des Niederspannungsnetzes 150 nicht mehr gewährleistet ist (= Fehlerfall). In diesem Fall kann beispielsweise einer oder mehrere der Schalter 135, 135‘ des Wechselrichters 130 in einen nicht-definierten Schaltzustand geraten, sodass möglicherweise die elektrische Maschine 115 mit einer hohen elektrischen Leistung beaufschlagt wird und in einen sicherheitskritischen Betriebszustand gerät. Dann kann sie beispielsweise eine ungewollte ruckartige Bewegung ausführen. Zwar wird ein derartiger Fall lediglich in sehr kurzen Zeiträumen auftreten, dies kann jedoch ausreichen, um die elektrische Maschine 115 und/oder das Fahrzeug 100 in den vorstehend genannten kritischen Betriebszustand zu versetzen.

Um einen solchen sicherheitskritischen Betriebszustand der elektrischen Maschine 115 zu vermeiden, weist die Vorrichtung 110 eine nachfolgend noch näher beschriebene Ansteuereinheit 155 auf. Diese Ansteuereinheit 155 ist zwischen das Niederspannungsnetz 150 einerseits sowie den Wechselrichter 130 oder zumindest einen der Schalter 135, 135‘ des Wechselrichters 130 andererseits geschaltet. Die Ansteuereinheit 155 ist ferner mit dem Hochspannungsnetz 120 verbunden, um Energie mit der hohen Spannung aus dem Hochspannungsnetz 120 aufzunehmen.

Die Ansteuereinheit 155 ist weiterhin ausgebildet, um zumindest einen, vorzugsweise alle der Schalter 135, 135‘unter Verwendung eines jeweiligen Steuersignals 160,

160‘ anzusteuern, welches direkt unter Verwendung der elektrischen Energie aus dem Hochspannungsnetz 120 erzeugt wird. Auf diese Weise kann bei einen Ausfall oder einem noch nicht betriebsbereiten Zustand des Niederspannungsnetzes 150 sichergestellt werden, dass der zumindest eine Schalter 135, 135‘ in einen ge- wünschten Schaltzustand gebracht werden kann, der für den bestimmten Betriebszustand erforderlich ist.

Vorteilhaft an der Verwendung der elektrischen Energie direkt aus dem Hochspannungsnetz 120 ist, dass diese Energie meist zuverlässig und stabil bereitsteht und somit das Steuersignal 160, 160‘ sehr schnell zur Verfügung steht. Dies kann beispielsweise im Bereich von Mikrosekunden erfolgen. Somit kann ein deutlicher Zeitgewinn gegenüber der Verwendung von Signalen aus dem Niederspannungsnetz 150 (PWM-Signale 152) realisieren werden.

Insbesondere wird durch das Steuersignal 160 der (erste) Schalter 135 und durch das Steuersignal 160' der (zweite) Schalter 135' entsprechend des bestimmten Betriebszustands angesteuert, beispielsweise also um einen Kurzschluss (aktiver Kurzschlussmodus) zwischen zumindest zwei der Phasenleitungen 140 herzustellen und somit zumindest zwei Wicklungen / Phasenleitungen 140 der elektrischen Maschine 115 kurzzuschließen.

Zusammenfassend ist anzumerken, dass mit dem hier vorgestellten Ansatz somit eine Hardware-Beschaltung zum Einleiten eines sicheren Zustands in der elektrischen Maschine 115 im Fehlerfall beschrieben wird.

Fig. 2 zeigt eine Blockschaltbilddarstellung eines Signalflusses zu der Vorrichtung 110 zum Einstellen des vorbestimmten Betriebszustands der elektrischen Maschine 115. Hierbei wird durch eine Motorsteuerungseinheit 200, die mit dem Niederspannungsnetz 150 betrieben wird, zumindest ein PWM-Signal 152 zur Steuerung zumindest einer der Schalter 135, 135‘ des Wechselrichters 130 ausgegeben. Dieses PWM-Signal 152, das den Spannungspegel des Niederspannungsnetzes 150 aufweist, wird durch eine Treibereinheit 210 verstärkt und an einen entsprechenden Eingang einer Schnittstelle 215 zum Hochspannungsnetz 120 übergeben.

Das PWM-Signal 152 wird durch die Treibereinheit 210 in ein verstärktes PWM- Signal 152‘ gewandelt und einer Boostereinheit 220 zugeführt, um ein nochmals verstärktes PWM-Signal 152“ zu erhalten. Das von der Boostereinheit 220 gelieferte und nochmals verstärkte PWM-Signal 152“ wird dann der Vorrichtung 110 zugeführt. Durch den Einsatz der Vorrichtung 110 im Bereich oder zumindest mit Energie des Hochspannungsnetzes 120 ist es nicht notwendig, das Niederspannungsnetz 150 bei einem Fehlerfall mit Spannung zu versorgen.

Das nochmals verstärkte PWM-Signal 152“ wird, beispielsweise direkt nach der Boostereinheit 220, bei einem Fehlerfall im Niederspannungsnetz 150 unterdrückt. Der zumindest eine Schalter 135, 135‘ des Wechselrichters 130 (hier beispielhaft der Schalter 135) wird dann unter Verwendung des mit Energie aus dem Hochspannungsnetz 120 erzeugten Steuersignals 160 angesteuert. Hierzu wird das Gate oder die Basis dieses Schalters 135 auf ein definiertes elektrisches Potenzial aufgeladen, sodass der Schalter 135 entsprechend gezielt geöffnet oder geschlossen wird und in diesem Schaltzustand verbleibt. Somit wird der bestimmte Betriebszustand der elektrischen Maschine 115 erzeugt.

Die Vorrichtung 110 ist dazu vorliegend als Hardware-Schaltung (Hardware Control Module) ausgeführt. Sie wird direkt aus dem Hochspannungsnetz 120 gespeist.

Die Vorrichtung 110 kann folgende Funktionen realisieren: Zunächst kann eine Spannungsversorgung der Vorrichtung 110 aus dem Hochspannungsnetz 120 mit minimaler Einschaltlatenz (im Bereich weniger Mikrosekunden) realisiert werden, da kein Spannungswandler 145 erforderlich ist, um den Schalter 135 in den Schaltzustand für den bestimmten Betriebszustand zu bringen. Ferner kann auch eine Auswertung der Niedervoltspannung erfolgen, also des Spannungspegels des Niederspannungsnetzes 150. Alternativ oder zusätzlich kann eine Auswertung der Hochvoltspannung erfolgen, also des Spannungspegels des Hochspannungsnetzes 120. Alternativ oder zusätzlich kann ein Blockieren der PWM-Signale 152, 152‘, 152“ erfolgen, um einen Undefinierten Schaltzustand der Schalter 135 zu vermeiden. Auch kann ein bestimmter betriebspunktabhängiger sicherer Betriebszustand (Kurzschlussmodus oder Wechselrichtersperre) in Abhängigkeit von dem Spannungspegel im Hochspannungsnetz 120 und/oder Niederspannungsnetz 150 durch ein entsprechendes Steuersignal 160 angefordert werden. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 1 10 umfasst beispielsweise einen Spannungswandler 300 für die elektrische Spannung des Steuersignals 160. Dieser Spannungswandler 300 kann als Linearregler und/oder als Spannungsteiler ausgestaltet sein. Zwischen einem Hochspannungsnetz-Eingangsanschluss 305 und einen ersten Abgriffspunkt AP1 ist ein Spannungsteiler 310 mit sechs in Reihe geschalteten ohmschen Widerständen vorgesehen. Ferner ist in diesem Spannungswandler 300 eine Reihenschaltung 315 von drei Schaltern (beispielhaft als Transistoren dargestellt) vorgesehen. Der Basisanschluss des ersten Schalters ist mit einem Abgriffspunkt nach den ersten beiden Widerständen des Spannungsteilers 310 (vom Hochspannungsnetz-Eingangsanschluss 305 aus) verbunden. Der Basisanschluss des zweiten Schalters ist mit einem Abgriffspunkt nach den ersten vier Widerständen des Spannungsteilers 310 (vom Hochspannungsnetz-Eingangsanschluss 305 aus gesehen) verbunden. Der Basisanschluss des dritten Schalters über einen ohmschen Widerstand mit dem ersten Abgriffspunkt AP1 verbunden ist. Der gesteuerte Ausgang des dritten Schalters der Reihenschaltung 315 stellt über einen ohmschen Widerstand das Steuersignal 160 bereit, welches an das Gate des Schalters 135 (beispielhaft als IGBT dargestellt) angelegt ist. Das Steuersignal 160 ist ferner über eine Kapazität und einen ohmschen Widerstand mit einem Masseanschluss verbunden. Mit diesem Masseanschluss ist ferner auch eine Anode einer Diode verbunden, deren Kathode mit dem ersten Abgriffspunkt AP1 verbunnen ist. Der Schalter 135 kann mit dieser Zusatzbeschaltung als Schaltelement 320 des Wechselrichters 130 verstanden werden.

Um die Auswertung des Spannungspegels des Hochspannungsnetzes 120 vornehmen zu können, ist eine Hochspannungsauswertungseinheit 330 vorgesehen. Diese Hochspannungsauswertungseinheit 330 umfasst einen Auswertungsschalter (beispielhaft als IGBT dargestellt), der zwischen dem ersten Abgriffspunkt AP1 und dem Masseanschluss geschaltet ist. Ferner ist in der Hochspannungsauswertungseinheit 330 ein zweiter Abgriffspunkt AP2 vorgesehen, der über einen ohmschen Widerstand des Spannungsteilers 310 mit dem ersten Abgriffspunkt AP1 gekoppelt ist. Der zweite Abgriffspunkt AP2 ist über einen ohmschen Widerstand mit dem Steueranschluss des Auswertungsschalters gekoppelt, wobei eine Kathode einer Diode zwi- sehen diesem Steueranschluss des Auswertungsschalters und dem Masseanschluss ebenfalls mit dem Steueranschluss des Auswertungsschalters gekoppelt ist. Der zweite Abgriffspunkt AP2 ist ferner über einen Stannungsteiler mit dem Masseanschluss verbunden. Ein weiterer Auswertungsschalter ist in der Form eines weiteren Schalters (beispielhaft als Transistor dargestellt) zwischen den Steueranschluss des Auswertungsschalters und den Masseanschluss gekoppelt. Der Steueranschluss des weiteren Auswertungsschalters ist mit einem Abgriffspunkt zwischen den Widerständen des zwischen dem zweiten Abgriffspunkt AP2 und dem Masseanschluss gekoppelt. Hierdurch kann nun entsprechend der nachfolgenden Beschreibung der Spannungspegel des Hochspannungsnetzes 120 ausgewertet und ein entsprechendes Steuersignal 160 von der Vorrichtung 110 ausgegeben werden.

Weiterhin ist auch noch eine Niederspannungsauswertungseinheit 340 der Vorrichtung 110 vorgesehen. Über diese kann ein Spannungspegel des PWM-Signals 152 oder 152‘ oder 152“ überwacht werden, oder es kann ein von diesem Spannungspegel abgeleitetes Steuersignal 160 erzeugt werden. Hierzu umfasst die Niederspannungsauswertungseinheit 340 einen Niederspannungsauswertungsschalter (beispielhaft als IGBT dargestellt), der zwischen den ersten Abgriffspunkt AP1 und den Masseanschluss geschaltet ist. Der Steueranschluss des Niederspannungsauswertungsschalters ist über einen ohmschen Widerstand und eine parallel dazu geschaltete Kapazität mit dem Masseanschluss verbunden. Ferner ist dieser Steueranschluss über eine Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand, einer Diode, die in Durchlassrichtung zum Niederspannungsauswertungsschalter geschaltet ist, und einer Kapazität mit einem Eingangsanschluss 345 der Niederspannungsauswertungseinheit 340 verbunden. An dem Eingangsanschluss 345 liegt dann das PWM- Signal 152 oder 152‘ oder 152“ an.

Die Bereitstellung des Steuersignals 160 kann somit in Abhängigkeit von einem Spannungspegel im Niederspannungsnetz 150 und zusätzlich oder alternativ von einem Spannungspegel im Hochspannungsnetz 120 erfolgen. Insbesondere kann bei der Erzeugung des Steuersignals 160 eine vom Spannungspegel des Hochspannungsnetzes abhängige Aktivierung oder Deaktivierung des Schalters 135 mit einer Hysterese in der Vorrichtung 110 als Funktionsbaugruppe implementiert sein. Dadurch kann beispielsweise bei einem Hochspannungspegel kleiner X der Schalter 135 geöffnet und offen gehalten werden, um eine Wechselrichtersperre zu implementieren. Demgegenüber kann der Schalter 135 bei einem Hochspannungspegel größer Y geschlossen und geschlossen gehalten werden, um einen aktiven Kurzschlussmodus zu realisieren. Die (Hochspannungspegel-) Werte X und Y können wählbar gestaltet sein, um eine einfache Ansteuerung der elektrischen Maschine 115 je nach Bautyp des Fahrzeugs 100 und/oder der elektrischen Maschine 115 implementieren zu können.

Von Vorteil ist ferner, dass der zumindest eine Schalter 135 für einen aktiven Kurzschlussmodus (AKS) der elektrischen Maschine 115 geschlossen werden, wenn sowohl der Spannungspegel im Hochspannungsnetz 120 über dem ersten Hochspannungspegel Y liegt, als auch der Spannungspegel des Niederspannungsnetzes 150 unter einem Schwellwert (von beispielsweise 5 Volt) liegt, insbesondere bei 0 Volt liegt. Ein solches Ausführungsbeispiel kann technisch sehr einfach durch die Verwendung eines UND-Gatters abgebildet werden. Bei dem UND-Gatter liegt dann als erster Eingang beispielsweise ein Komparatorausgang eines Komparators an, zum Vergleichen, ob der Spannungspegel im Hochspannungsnetz 120 über dem ersten Hochspannungsschwellwert Y liegt. Und bei dem UND-Gatter liegt dann als zweiter Eingang ein negierter Spannungswert des Niederspannungsnetzes 150 an. Vorausgesetzt wird hierbei, dass dann der aktive Kurzschlussmodus (AKS) eingestellt werden soll, wenn im Niederspannungsnetz tatsächlich nur ein Spannungswert von 0 Volt vorliegt, anderenfalls wäre auch hier ein Komparator mit einer entsprechenden Beschaltung der Eingänge zu verwenden.

Alternativ oder zusätzlich kann der oder die Schalter 135, 135‘ für eine Wechselrichtersperre des Wechselrichters 130 geöffnet werden, wenn sowohl der Spannungspegel im Hochspannungsnetz 120 geringer als der zweite Hochspannungspegel X ist, als auch der Spannungspegel des Niederspannungsnetzes 150 unter einem Schwellwert (beispielsweise 5 Volt) liegt, insbesondere bei 0 Volt. Ein solches Ausführungsbeispiel kann technisch sehr einfach durch die Verwendung eines UND- Gatters abgebildet werden. Bei dem UND-Gatter liegt dann als erster Eingang beispielsweise ein Komparatorausgang eines Komparators an, zum Vergleichen, ob der Spannungspegel im Hochspannungsnetz 120 unter dem zweiten Hochspannungsschwellwert X liegt. Und bei dem UND-Gatter liegt dann als zweiter Eingang ein negierter Spannungswert des Niederspannungsnetzes 150 an. Vorausgesetzt wird hierbei, dass dann die Wechselrichtersperre eingestellt werden soll, wenn im Niederspannungsnetz tatsächlich nur ein Spannungswert von 0 Volt vorliegt, anderenfalls wäre auch hier ein Komparator mit einer entsprechenden Beschaltung der Eingänge zu verwenden.

Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des hier vorgestellten Verfahrens 400 zum Einstellen des vorbestimmten Betriebszustands der elektrischen Maschine 1 15 unter Verwendung der hier vorgestellten Vorrichtung 1 10. Das Verfahren 400 umfasst einen Schritt 410 des Lieferns von elektrischer Energie aus dem Hochspannungsnetz 120 an die Ansteuereinheit 155. Und das Verfahren 400 umfasst einen Schritt 420 des Erzeugens des Steuersignals 160 zur Ansteuerung des Schalters 135 des Wechselrichters 130 unter Verwendung der direkt aus dem Hochspannungsnetz 120 gelieferten Energie, um den Schalter 135 in einen dem vorbestimmten Betriebszustand der elektrischen Maschine 1 15 entsprechenden Schaltzustand zu bringen.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Bezuqszeichen

100 Fahrzeug

105 elektrisches System

110 Vorrichtung

115 elektrische Maschine

120 Hochspannungsnetz

125 Hochspannungsnetzenergiespeicher

130 Wechselrichter

135, 135‘ Schalter

140 Phasenleitungen

145 Spannungswandler

150 Niederspannungsnetz

152, 152‘, 152“ PWM-Signal

155 Ansteuereinheit

160, 160‘ Steuersignal

200 Motorsteuerungseinheit

210 Treibereinheit

215 Schnittstelle

220 Boostereinheit

300 Spannungswandler

305 Hochspannungsnetz-Eingangsanschluss

310 Spannungsteiler

315 Reihenschaltung

320 Schaltelement

330 Hochspannungsauswertungseinheit

340 Niederspannungsauswertungseinheit

345 Eingangsanschluss der Niederspannungsauswertungseinheit

AP1 erster Abgriffspunkt

AP2 zweiter Abgriffspunkt 400 Verfahren zum Einstellen eines vorbestimmten Betriebszustands einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs

410 Schritt des Lieferns

420 Schritt des Erzeugens