EP4396020A1

EP4396020A1 - Steuervorrichtung und verfahren zum ansteuern eines stromrichters sowie elektrisches antriebssystem

Info

Publication number: EP4396020A1
Application number: EP22757525.5A
Authority: EP
Inventors: Helge SPRENGER; Thomas ZELTWANGER
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-09-03
Filing date: 2022-07-25
Publication date: 2024-07-10
Also published as: US12587123B2; US20240348189A1; CN117916114A; DE102021209685A1; WO2023030760A1

Abstract

Erweitertes Ansteuerschema für eine elektrische Maschine (2). Insbesondere ist es vorgesehen, gezielt in einen Freilaufzustand zu wechseln, falls an der elektrischen Maschine (2) nur ein geringes Drehmoment bzw. ein geringer Phasenstrom eingestellt werden soll. Für den Wechsel in den Freilauf wird darüber hinaus auch die aktuelle Drehzahl der elektrischen Maschine (2) mit in Betracht gezogen.

Description

Beschreibung

Titel

Steuervorrichtung und Verfahren zum Ansteuern eines Stromrichters sowie elektrisches Antriebssystem

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung sowie ein Verfahren zum Ansteuern eines Stromrichters, insbesondere eines Stromrichters in einem elektrischen Antriebssystem. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein elektrisches Antriebssystem.

Stand der Technik

Elektrische Antriebssysteme umfassen in der Regel eine elektrische Maschine, die von einer elektrischen Energiequelle gespeist wird. Hierbei ist zwischen der Energiequelle und der Maschine ein Stromrichter vorgesehen, welcher die elektrische Maschine gemäß Sollwertvorgaben ansteuert. Beispielsweise kann eine von der elektrischen Energiequelle bereitgestellte Gleichspannung mittels einer pulsbreitenmodulierten Ansteuerung der Schaltelemente in dem Stromrichter in eine ein- oder mehrphasige elektrische Wechselspannung konvertiert werden, welche dazu geeignet ist, die elektrische Maschine gemäß den Sollwertvorgaben anzusteuern. Durch die Variation des Tastverhältnisses der Pulsbreitenmodulation kann die Spannungshöhe am Ausgang des Spannungswandlers eingestellt werden.

Darüber hinaus kann der Stromrichter auch einen sogenannten aktiven Kurzschluss einstellen, in welchem die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine über die Schaltelemente des Stromrichters miteinander kurzgeschlossen sind. Ferner existiert ein sogenannter Freilaufzustand, in welchem alle Schaltelemente des Stromrichters geöffnet sind.

Die Druckschrift DE 10 2013 226560 Al beschreibt einen Wechsel vom Freilaufbetrieb in einen aktiven Kurzschluss einer elektrischen Maschine. Hierbei wird vorgeschlagen, den Wechsel vom Freilauf in den aktiven Kurzschluss solange zu verzögern, bis sich an Außenklemmen der elektrischen Maschine vorgegebene Spannungsverhältnisse einstellen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine Steuervorrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern eines Stromrichters, insbesondere eines Stromrichters in einem elektrischen Antriebssystem, sowie ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Steuervorrichtung zum Ansteuern eines Stromrichters in einem elektrischen Antriebssystem. Die Steuervorrichtung ist dazu ausgelegt, einen Sollwert und/oder einen Istwert für die Ansteuerung des Stromrichters zu erfassen. Die Steuervorrichtung ist ferner dazu ausgelegt, eine Drehzahl oder eine elektrische Frequenz einer elektrischen Maschine des Antriebssystems zu ermitteln. Weiterhin ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, in dem elektrischen Stromrichter einen Freilaufzustand zu aktivieren, falls der erfasste Sollwert und/oder Istwert für die Ansteuerung des Stromrichters einen vorgegebenen ersten Schwellwert unterschreitet und die ermittelte Drehzahl oder die elektrische Frequenz der elektrischen Maschine einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.

Weiterhin ist vorgesehen:

Ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine, einem elektrischen Stromrichter und einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung. Der elektrische Stromrichter ist dazu ausgelegt, mit der elektrischen Maschine und einer elektrischen Energiequelle verbunden zu werden. Ferner ist der Stromrichter dazu ausgelegt, die elektrische Maschine unter Verwendung einer Sollwertvorgabe anzusteuern.

Schließlich ist vorgesehen: Ein Verfahren zum Ansteuern eines Stromrichters in einem elektrischen Antriebssystem. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erfassen eines Sollwerts und/oder eines Istwerts für eine Ansteuerung des Stromrichters. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Ermitteln einer Drehzahl und/oder einer elektrischen Frequenz einer elektrischen Maschine des Antriebssystems. Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt zum Aktivieren eines Freilaufzustands in dem elektrischen Stromrichter. Der Freilaufzustand wird insbesondere aktiviert, falls der erfasste Sollwert und/oder Istwert für die Ansteuerung des Stromrichters einen vorgegebenen ersten Schwellwert unterschreitet und die ermittelte Drehzahl oder elektrische Frequenz der elektrischen Maschine einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.

Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Regelsysteme für die Stromrichter eines elektrischen Antriebssystems zum Einstellen eines sogenannten Nullvektors, das heißt zum Einstellen eines Stroms von Null Ampere (A) bzw. eines Drehmoments von Null Newtonmeter (Nm) in der Regel zwischen zwei Schaltzuständen wechseln, wobei in dem ersten Schaltzustand die Schaltelemente der oberen Halbbrücken des Stromrichters geschlossen sind und in dem zweiten Schaltzustand die Schaltelemente der unteren Halbbrücken des Stromrichters geschlossen sind. Beide Schaltzustände entsprechen hierbei einem aktiven Kurzschluss der Phasenanschlüsse der angeschlossenen elektrischen Maschine.

Bei dem Wechsel zwischen den beiden Schaltzuständen erfolgt jeweils ein Schaltvorgang der beteiligten Schaltelemente in dem Stromrichter. Insbesondere das gleichzeitige Schalten aller Schaltelemente in den oberen Halbbrücken und den unteren Halbbrücken stellt dabei aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit eine relativ hohe Belastung dar. Darüber hinaus entstehen bei diesen Schaltvorgängen Schaltverluste auf der Hochvoltseite, sowie die Regelstromverluste in der elektrischen Maschine. Ferner sind auch Verluste bei der Ansteuerung der Leistungselektronik durch die Treiberstufen für die Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente sowie für die Generierung der erforderlichen Steuersignale zu erwarten.

Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und Schaltvorgänge, bei welchen alle Schaltelemente der oberen Halbbrücken bzw. unteren Halbbrücken eines elektrischen Stromrichters in einem Antriebssystem gleichzeitig oder annähernd gleichzeitig schalten, auf ein Minimum zu reduzieren.

Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, Sollwerte und/oder Istwerte für den Betrieb des elektrischen Antriebssystems, insbesondere für die Ansteuerung eines Stromrichters in einem solchen Antriebssystem zu überwachen und Betriebszustände zu erkennen, in welchen ein gleichzeitiges oder zumindest annähernd gleichzeitiges Schalten aller Schaltelemente der oberen Halbbrücken bzw. unteren Halbbrücken in einem Stromrichter zu erwarten ist. In solchen Fällen kann gezielt ein Freilaufzustand eingestellt werden. In einem solchen Freilaufzustand sind alle Schaltelemente des Stromrichters geöffnet. Ein Stromfluss kann somit bestenfalls über die Freilaufdioden parallel zu den Schaltelementen in dem Stromrichter erfolgen.

Als Bedingung für den Wechsel in den Freilaufzustand kann zunächst prinzipiell jede Sollwertvorgabe genutzt ausgewertet, welche zum gleichzeitigen Schalten der Schaltelemente in den oberen Halbbrücken bzw. unteren Halbbrücken des Stromrichters führen kann. Beispielsweise können diese Sollwertvorgaben für das Einstellen eines Drehmoments von 0 Nm oder eines Drehmoments mit einem Betrag unterhalb einer vorgegebenen Obergrenze sein. Alternativ kann die Sollwertvorgabe auch eine Sollwertvorgabe für einen elektrischen Strom, insbesondere die Phasenströme an den Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine umfassen. Beispielsweise kann ein Wechsel in den Freilaufzustand in Betracht gezogen werden, wenn als Phasenstrom 0 A oder einen Strom mit einem Betrag unterhalb einer vorgegebenen Grenze vorgeben wird. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere Sollwertvorgaben möglich, welche zu einem gleichzeitigen Ansteuern der Schaltelemente in den oberen Halbbrücken bzw. unteren Halbbrücken des Stromrichters führen. Neben einer Betrachtung von Sollwertvorgaben für das Ansteuern der Schaltelemente in dem Stromrichter ist es zusätzlich oder alternativ auch möglich, Istwerte von Betriebszuständen in dem elektrischen Antriebssystem, insbesondere dem Stromrichter mit in Betracht zu ziehen. Beispielsweise können elektrische Ströme an den Phasenanschlüssen zwischen dem Stromrichter und der elektrischen Maschine sensorisch erfasst und ausgewertet werden. Unterschreitet der Betrag der Phasenströme einen vorgegebenen Schwellwert, so kann dies ebenfalls als Hinweis auf ein gleichzeitiges oder zumindest annähernd gleichzeitiges Ansteuern der Schaltelemente in den oberen bzw. unteren Halbbrücken des Stromrichters gewertet werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, direkt die Ansteuersignale für die Schaltelemente in dem Stromrichter zu betrachten oder Daten heranzuziehen, welche für die Generierung der Steuersignale zur Ansteuerung der Schaltelemente verwendet werden.

Neben den zuvor beschriebenen Soll- und/oder Istwerten wird zusätzlich auch die Drehzahl der elektrischen Maschine bzw. die elektrische Frequenz in Betracht gezogen. Beispielsweise kann ein Wechsel in den Freilauf auch nur dann aktiviert werden, wenn die elektrische Maschine stillsteht oder sich die Drehzahl unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes befindet. Dieser Grenzwert kann einerseits auf relativ geringe Geschwindigkeiten nahe dem Nullpunkt begrenzt sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, einen Wechsel in den Freilauf auch für höhere Drehzahlen freizugeben. Insbesondere kann der Wechsel in den Freilauf auch für höhere Drehzahlen freigegeben werden, solange eine durch die Rotation der elektrischen Maschine generierte elektrische Spannung kleiner ist als eine elektrische Spannung, welche von einer elektrischen Energiequelle bereitgestellt wird, die den elektrischen Stromrichter speist. Auf diese Weise kann ein inverser Stromfluss von der elektrischen Maschine über die Freilaufdioden der elektrischen Schaltelemente in Richtung der elektrischen Energiequelle vermieden werden.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Sollwert eine Sollwertvorgabe für elektrische Ströme in der elektrischen Maschine. Insbesondere kann die Sollwertvorgabe eine Vorgabe für die Phasenströme an den Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann die Sollwertvorgabe auch eine Vorgabe für ein einzustellendes Drehmoment an der elektrischen Maschine umfassen. Entsprechend kann ein Wechsel in den Freilaufzustand vorgesehen werden, falls der Betrag der gemäß der Sollwertvorgabe einzustellenden elektrischen Ströme unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt, oder der Betrag für das einzustellende Drehmoment an der elektrischen Maschine unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt. In diesen Fällen ist zu erwarten, dass für das Einstellen eines elektrischen Stroms von 0 A oder zumindest annähernd 0 A bzw. eines Drehmoments von 0 Nm oder zumindest, annähernd 0 Nm die Schaltelemente in dem elektrischen Stromrichter in den oberen bzw. unteren Halbbrücken gleichzeitig oder zumindest annähernd gleichzeitig angesteuert werden.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der zu betrachtende Istwert einen gemessenen elektrischen Strom der elektrischen Maschine. Beispielsweise können die Phasenströme zwischen dem elektrischen Stromrichter und den Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine mittels geeigneter Sensoren erfasst werden. Zusätzlich oder alternativ können als Istwert auch die Schaltsignale für die Schaltelemente in dem elektrischen Stromrichter betrachtet werden. Beispielsweise können die Zeitpunkte der Ansteuersignale für die Schaltelemente ausgewertet werden, um ein gleichzeitiges oder zumindest annähernd gleichzeitiges Schalten der Schaltelemente in den oberen bzw. unteren Halbbrücken des Stromrichters zu identifizieren.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, mindestens ein weiteres Steuersignal von einer externen Steuereinrichtung zu empfangen. In diesem Fall kann die Steuervorrichtung dazu ausgelegt sein, den Freilaufzustand unter Verwendung des empfangenen Steuersignals von der externen Steuereinrichtung zu aktivieren oder gegebenenfalls auch zu deaktivieren. Das externe Steuersignal kann ein beliebiges externes Steuersignal umfassen, welches Einfluss auf die Entscheidung hat, ob der Freilaufzustand aktiviert werden soll oder darf. Beispielsweise kann das externe Steuersignal eine Fehlerinformation von einer externen Steuervorrichtung umfassen, wobei die externe Steuervorrichtung den Stromrichter oder das gesamte elektrische Antriebssystem überwacht. Insbesondere kann durch solche zusätzlichen Steuersignale auch angezeigt werden, ob die empfangenen Soll- und/oder Istwerte eine ausreichende Zuverlässigkeit aufweisen. Wird beispielsweise festgestellt, dass ein Stromsensor einen Fehler aufweist, so kann dies signalisiert werden, um die Werte eines solchen fehlerhaften Stromsensors nicht in die Entscheidung für einen Wechsel in den Freilauf heranzuziehen. Darüber hinaus sind auch beliebige weitere externe Steuersignale möglich, welche beispielsweise anzeigen, ob in einem gegenwärtigen Betriebszustand ein Wechsel in einen Freilaufzustand erlaubt bzw. möglich ist. Gegebenenfalls kann durch ein Steuersignal von einer externen Steuereinrichtung auch signalisiert werden, dass ein Wechsel in einen Freilaufzustand ausdrücklich erwünscht oder verboten ist.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, den Freilaufzustand zu aktivieren, wenn die zuvor genannten Bedingungen für einen Wechsel in den Freilaufzustand mindestens für eine vorgegebene Zeitspanne erfüllt sind. Entsprechend kann die Steuervorrichtung beispielsweise erst dann in einem Freilaufzustand wechseln, nachdem der erfasste Sollwert und/oder Istwert für die Ansteuerung des Stromrichters den vorgegebenen ersten Schwellwert mindestens für eine vorgegebene Zeitspanne unterschritten hat und die ermittelte Drehzahl oder elektrische Frequenz der elektrischen Maschine den vorgegebenen maximalen Grenzwert mindestens für die vorgegebene Zeitspanne unterschritten hat. Auf diese Weise kann insbesondere in einem Grenzbereich ein häufiger Wechsel zwischen dem normalen Betriebsmodus mit beispielsweise pulsbreitenmodulierter Ansteuerung und dem Freilaufzustand verhindert oder zumindest reduziert werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu gelegt, eine Regelung des elektrischen Stroms für die elektrische Maschine in dem Antriebssystem zu deaktivieren, wenn der Freilaufzustand aktiviert ist. Durch das Deaktivieren der Stromregelung während des aktivierten Freilaufzustands kann verhindert werden, dass der Zustand des Stromreglers während des Freilaufzustands abdriftet. Alternativ kann auch der Regler rückgesetzt werden, wenn der Freilaufzustand verlassen werden soll.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, einen aktivierten Freilaufzustand zu deaktivieren, falls ein Sollwert für die Ansteuerung des Stromrichters einen vorgegebenen zweiten Schwellwert überschreitet oder die ermittelte Drehzahl oder elektrische Frequenz der elektrischen Maschine den vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Auf diese Weise kann nach einem aktivierten Freilaufzustand wieder in den normalen Betriebsmodus beispielsweise mit einer pulsbreitenmodulierten Ansteuerung der Schaltelemente in dem Stromrichter zurückgewechselt werden. Zwischen dem ersten Schwellwert für das Aktivieren des Freilaufzustands und dem zweiten Schwellwert für das Deaktivieren des Freilaufzustands kann hierbei beispielsweise eine Hysterese vorgesehen werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch für den Grenzwert in Zusammenhang mit der Drehzahl bzw. der elektrischen Frequenz ebenfalls eine Hysterese vorgesehen sein. Auf diese Weise kann ein zu häufiger Wechsel zwischen normalem Betriebsmodus und Freilaufzustand insbesondere in Grenzsituationen vermieden werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, den Grenzwert für die Drehzahl oder die elektrische Frequenz unter Verwendung einer Eingangsgleichspannung des Stromrichters festzulegen. Beispielsweise kann der Grenzwert für die Drehzahl derart festgelegt werden, dass der Freilaufzustand nur dann aktiviert wird, wenn aufgrund der von der elektrischen Maschine induzierten Spannung während des Freilaufs auf der Gleichspannungsseite keine Spannung anliegt, welche höher ist als die elektrische Spannung der Eingangsgleichspannung. Insbesondere kann neben der Eingangsgleichspannung beispielsweise auch ein Erregerfluss in der elektrischen Maschine mitberücksichtigt werden. Der Grenzwert für die maximale Drehzahl bzw. elektrische Frequenz kann beispielsweise als Kennfeld abhängig von der Eingangsgleichspannung und einer Rotortemperatur der elektrischen Maschine zuvor festgelegt und in einem Speicher der Steuervorrichtung abgespeichert werden. Darüber hinaus sind selbstverständlich beliebige andere Kriterien für das Festlegen des Grenzwertes für die maximale Drehzahl der elektrischen Maschine möglich.

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:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds eines elektrischen Antriebssystems mit einer Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform;

Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Timing-Diagramms zur

Veranschaulichung der Schaltzeitpunkte der Schaltelemente in einem elektrischen Stromrichter;

Fig. 3: eine schematische Darstellung der Aktivierungsbereiche für einen

Freilaufzustand gemäß einer Ausführungsform; und

Fig. 4: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Ansteuerung eines Stromrichters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.

Beschreibung von Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds für ein elektrisches Antriebssystem gemäß einer Ausführungsform. Das Antriebssystem umfasst einen elektrischen Stromrichter 1 und eine elektrische Maschine 2.

Hierbei sind die Anschlüsse am Ausgang des Stromrichters 1 mit den Phasenanschlüssen U, V, W der elektrischen Maschine 2 verbunden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine dreiphasige elektrische Maschine 2, de entsprechend von einem dreiphasigen Wechselrichter 1 gespeist wird. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch elektrische Antriebssysteme mit einer von drei verschiedenen Phasenanzahl möglich.

Das elektrische Antriebssystem, insbesondere der Stromrichter 1 wird von einer elektrischen Energiequelle 3, insbesondere einer Gleichspannungsquelle wie zum Beispiel der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs gespeist. Eingangsseitig kann in dem elektrischen Stromrichter 1 ein sogenannter Zwischenkreiskondensator C vorgesehen sein.

Der Stromrichter 1 umfasst für jede elektrische Phase jeweils eine sogenannte Halbbrücke mit zwei Schaltelementen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Stromrichter 1 somit drei Halbbrücken mit den Schaltelementen Ml bis M6 auf. Hierbei können die Schaltelemente Ml, M3, M5, welche mit einem ersten Anschluss (beispielsweise dem Pluspol) der Gleichspannungsquelle 3 verbunden sind, als obere Schaltelemente bezeichnet werden, und die Schaltelemente M2, M4, M6, welche mit dem anderen Anschluss (beispielsweise dem Minuspol) der elektrischen Energiequelle 3, verbunden sind, können als untere Schaltelemente bezeichnet werden.

Zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 2 werden die Schaltelemente Ml bis M6 in dem Stromrichter 1 jeweils kontrolliert geöffnet und geschlossen. Hierzu können von der Steuervorrichtung 10 des Stromrichters 1 jeweils entsprechende Ansteuersignale an den Schaltelementen Ml bis M6 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann hierzu eine pulsbreitenmodulierte (englisch pulse width modulation, PWM) Ansteuerung der einzelnen Schaltelemente Ml bis M6 erfolgen. Während einer solchen pulsbreitenmodulierten Ansteuerung ist in der Regel jeweils entweder ein oberes Schaltelement Ml, M3, M5 geöffnet und das jeweils korrespondierende untere Schaltelement M2, M4, M6 geschlossen, oder komplementär jeweils das obere Schaltelement Ml, M3, M5 ist geöffnet und das jeweils korrespondierende untere Schaltelement M2, M4, M6 ist geschlossen. Hierbei kann jeweils zwischen den Schaltvorgängen für die oberen Schaltelemente und den Schaltvorgängen für die korrespondierenden unteren Schaltelemente eine sogenannte Totzeit vorgesehen sein. An der Steuervorrichtung 10 können beispielsweise ein oder mehrere Sollwerte S vorgegeben werden. Diese Sollwerte S können beispielsweise ein an der elektrischen Maschine einzustellendes Drehmoment, eine gewünschte Drehzahl der elektrischen Maschine 2, Sollwerte für die Phasenströme der elektrischen Maschine 2 oder beliebige andere Sollwertvorgaben umfassen. Gegebenenfalls können an der Steuervorrichtung 10 auch zusätzliche weitere Signalisierungen Z bereitgestellt werden. Ferner können die elektrischen Ströme von dem Stromrichter 1 zu der elektrischen Maschine 2 mittels geeigneter Stromsensoren 11 erfasst werden und die Sensorsignale von diesen Stromsensoren 11 können ebenfalls an der Steuervorrichtung 10 bereitgestellt werden. Weiterhin kann gegebenenfalls auch mittels eines geeigneten Sensors 12 eine Winkelposition des Rotors oder eine Drehzahl der elektrischen Maschine 2 erfasst werden und die Sensorwerte dieses Sensors 11 können ebenfalls an der Steuervorrichtung 10 bereitgestellt werden.

Ausgehend von den Sollwertvorgaben S und den gegebenenfalls bereitgestellten weiteren Sensorwerten bzw. Vorgaben kann die Steuervorrichtung 10 geeignete Ansteuersignale für die Schaltelemente Ml bis M6 generieren und an den jeweiligen Schaltelementen Ml bis M6 bereitstellen.

Soll an der elektrischen Maschine 2 kein Drehmoment bereitgestellt werden, das heißt ein Sollwert von 0 Nm, bzw. sollen die Phasenströme der elektrischen Maschine 2 auf 0 A eingestellt werden, so kann die Steuervorrichtung 10 jeweils gleichzeitig alle oberen Schaltelemente Ml, M3, M5 oder alle unteren Schaltelemente M2, M4, M6 schließen und somit die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine 2 miteinander verbinden. Ein solcher Zustand wird auch als aktiver Kurzschluss bezeichnet. Hierbei ist es möglich, dass die Steuervorrichtung 10 abwechselnd entweder die oberen Schaltelemente Ml, M3, M5 oder die unteren Schaltelemente M2, M4, M6 schließt und dabei jeweils die korrespondierenden anderen Schaltelemente öffnet.

Um ein solches wechselndes Öffnen und Schließen der Schaltelemente Ml bis M6 zu verhindern, kann die Steuervorrichtung 10 solche Betriebszustände detektieren und daraufhin sämtliche Schaltelemente Ml bis M6 öffnen. Dieser Zustand wird als Freilauf bezeichnet. Die Steuervorrichtung 10 kann hierzu beispielsweise die Sollwertvorgaben S überwachen und mittels einer Analyse der empfangenen Sollwertvorgaben S einen Betriebszustand detektieren, bei welchem in allen Halbbrücken jeweils gleichzeitig oder zumindest annähernd gleichzeitig entweder die oberen Schaltelemente Ml, M3, M5 oder die unteren Schaltelemente M2, M4, M6 geschlossen werden sollen. Wie zuvor bereits angeführt, können es sich hierbei um die Vorgabe eines einzustellenden Drehmoments von 0 Nm handeln. Darüber hinaus können gegebenenfalls auch Sollwertvorgaben für das Drehmoment mit in Betracht gezogen werden, bei welchen der Betrag des einzustellenden Drehmoments unterhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt. Ebenso ist es auch möglich, eine Sollwertvorgabe für einen einzustellenden elektrischen Strom von den Ausgängen des Stromrichters 1 zu der elektrischen Maschine 2 zu analysieren. Liegt der Betrag bzw. die Amplitude des einzustellenden elektrischen Stroms in den Phasen von dem Stromrichter 1 zu der elektrischen Maschine 2 unterhalb einer vorgegebenen Schwelle, so kann auch dies als Indiz gewertet werden, dass die Schaltelemente der oberen Halbbrücken Ml, M3, M5 und die Schaltelemente der unteren Halbbrücken M2, M4, M6 jeweils gleichzeitig oder zumindest annähernd gleichzeitig geschaltet werden. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere Sollwertvorgaben möglich, aus denen abgeleitet werden kann, dass die Schaltelemente der oberen Halbbrücken Ml, M3, M5 und die Schaltelemente der unteren Halbbrücken M2, M4, M6 gleichzeitig oder zumindest annähernd gleichzeitig geschaltet werden. Unter dem Begriff „zumindest annähernd gleichzeitig geschaltet werden“ ist hierbei zu verstehen, dass die Schaltvorgänge der Schaltelemente Ml, M3, M5 in der oberen Halbbrücke sowie die Schaltvorgänge für die Schaltelemente M2, M4; M5 in der unteren Halbbrücke innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne geschaltet werden.

Neben der Betrachtung von Sollwertvorgaben S zur Ermittlung, ob die Schaltelemente Ml, M3, M5 in der oberen Halbbrücke und die Schaltelemente M2, M4, M6 in der unteren Halbbrücke jeweils gleichzeitig oder zumindest annähernd gleichzeitig geschaltet werden, ist auch eine Betrachtung von geeigneten Istwerten möglich. Hierzu können beispielsweise Messwerte der elektrischen Ströme zwischen dem Stromrichter 1 und der elektrischen Maschine 2 ausgewertet werden. Liegt der Betrag bzw. die Amplitude dieser elektrischen Ströme unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, so kann beispielsweise auch hieraus darauf geschlossen werden, dass die entsprechenden Schaltelemente Ml bis M6 in dem Stromrichter gleichzeitig oder zumindest annähernd gleichzeitig geschaltet werden. Ferner ist es auch möglich, direkt die Ansteuersignale zur Ansteuerung der Schaltelemente Ml bis M6 auszuwerten oder Daten bzw. Signale heranzuziehen, die zur Generierung dieser Ansteuersignale verwendet werden. Es versteht sich, dass selbstverständlich auch beliebige andere geeignete Messwerte oder Signale genutzt werden können, die dazu geeignet sind, das Schaltverhalten der einzelnen Schaltelemente Ml bis M6 des Stromrichters 1 zu charakterisieren.

Neben der oben beschriebenen Auswertung von Soll- bzw. Istwerten für die Charakterisierung des Schaltverhaltens der Schaltelemente Ml bis M6 des Stromrichters 1 kann für die Entscheidung, ob die Schaltelemente Ml bis M6 für einen Freilauf angesteuert werden sollen, auch noch zusätzlich die Drehzahl der elektrischen Maschine 2 oder die elektrische Frequenz der elektrischen Maschine 2 in Betracht gezogen werden. Beispielsweise kann ein Wechsel in den Freilauf nur dann erlaubt werden, wenn neben den oben genannten Bedingungen für die Soll- bzw. Istwerte auch die Drehzahl der elektrischen Maschine 2 unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Freilauf nur dann eingestellt werden, wenn die elektrische Maschine 2 stillsteht oder sich nur mit geringer Drehzahl dreht. Alternativ ist es auch möglich, einen Wechsel in den Freilauf zu ermöglichen, solange eine rotierende elektrische Maschine 2 mit der aktuellen Drehzahl an den Ausgängen der elektrischen Maschine keine elektrische Spannung generiert, welche über die Freilaufdioden in dem Stromrichter 1 an der Eingangsseite des Stromrichters 1 eine Spannung erzeugt, die höher ist als die elektrische Spannung, welche von der elektrischen Energiequelle 3 bereitgestellt wird.

Hierzu kann beispielsweise eine feste maximale Drehzahl für die elektrische Maschine 2 spezifiziert werden. Alternativ ist es auch möglich, die Obergrenze für die maximal erlaubte Drehzahl der elektrischen Maschine 2 dynamisch anzupassen. Beispielsweise kann die Obergrenze für die maximal erlaubte Drehzahl in Abhängigkeit der Spannungshöhe am Eingang bzw. Zwischenkreiskondensator C des Stromrichters 1 angepasst werden. Darüber hinaus können auch weitere Parameter, wie beispielsweise Erregerfluss in der elektrischen Maschine 2, Rotortemperatur in der elektrischen Maschine 2 oder Ähnliches mit in Betracht gezogen werden. Die Obergrenze für die maximale Drehzahl, bei welcher ein Wechsel in den Freilauf noch möglich ist, kann hierbei entweder mittels einer geeigneten mathematischen Formel bzw. eines Algorithmus berechnet werden. Alternativ ist es auch möglich, zuvor ein Kennlinienfeld zu berechnen und dieses Kennlinienfeld in einem Speicher (nicht dargestellt) der Steuervorrichtung 10 abzulegen.

Nachdem die oben genannten Bedingungen erfüllt sind, das heißt die Drehzahl unterhalb der vorgegebenen Obergrenze für die Drehzahl der elektrischen Maschine liegt und ausgehend von Soll- und/oder Istwerten ein gleichzeitiges oder zumindest annähernd gleichzeitiges Schalten der Schaltelemente Ml, M3, M5 der oberen Halbbrücken bzw. M2, M4, M6 der unteren Halbbrücken detektiert worden ist, kann daraufhin in dem Stromrichter 1 ein Freilaufzustand eingestellt werden, bei welchem alle Schaltelemente Ml bis M6 geöffnet sind.

Die Drehzahl der elektrischen Maschine kann beispielsweise mittels eine Drehzahlsensors 12 sensorisch erfasst werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Drehzahl oder elektrische Frequenz auch aus Steuer- bzw. Regelparametern abgeleitet oder berechnet werden.

Während des Freilaufzustands wird die Stromregelung in der Steuervorrichtung 10 deaktiviert. Mit anderen Worten, solange der Freilaufzustand eingestellt ist, ist die Regelschleife zwischen Sollwertvorgaben für das Drehmoment bzw. die Phasenströme und den Istwerten der Phasenströme außer Kraft gesetzt. Auf diese Weise kann ein Abdriften des Reglerzustands während des Freilaufs verhindert werden.

Neben den zuvor genannten Bedingungen für das Aktivieren des Freilaufzustands in dem Stromrichter 1 können gegebenenfalls noch weitere Parameter bzw. Signalisierungen Z für das Aktivieren bzw. Deaktivieren des Freilaufzustands mit in Betracht gezogen werden. Beispielsweise können zusätzliche Signalisierungen über mögliche Fehlfunktionen an der Steuervorrichtung 10 bereitgestellt werden. Eine solche Signalisierung Z kann beispielsweise eine Fehlfunktion innerhalb des elektrischen Antriebssystems, insbesondere einer oder mehrerer Komponenten des elektrischen Antriebssystems signalisieren. Wird beispielsweise in einem der Stromsensoren 11 eine Fehlfunktion detektiert, so können die Daten von diesem Stromsensor 11 daraufhin nicht mehr mit in Betracht gezogen werden. Gegebenenfalls kann nach der Signalisierung Z einer Fehlfunktion ein Wechsel in den Freilaufzustand vollständig unterbunden werden.

Darüber hinaus sind auch Signalisierungen Z möglich, die an der Steuervorrichtung 10 anzeigen, ob sich das Antriebssystem in einem Zustand befindet, in welchem ein Wechsel in den Freilaufzustand möglich ist oder nicht. Ferner können auch an der Steuervorrichtung 10 Signalisierungen bereitgestellt werden, durch welche eine externe Steuereinrichtung signalisiert, dass aktuell ein Freilaufzustand erwünscht ist.

Gegebenenfalls ist es auch möglich, den Wechsel in den Freilaufzustand zunächst um eine vorgegebene Zeitspanne zu verzögern. Auf diese Weise kann beispielsweise gewährleistet werden, dass insbesondere in Grenzfällen ein häufiger Wechsel zwischen dem normalen Betriebsmodus mit pulsbreitenmodulierter Ansteuerung und dem Freilauf vermieden wird.

Sind nach einem Wechsel in den Freilauf die oben beschriebenen Bedingungen nicht weiter erfüllt, das heißt es soll an der elektrischen Maschine ein signifikantes Drehmoment eingestellt werden bzw. ein signifikanter Strom zwischen Stromrichter 1 und elektrischer Maschine 2 fließen, so kann der Freilaufzustand deaktiviert werden. Daraufhin erfolgt, wie vor dem Freilauf, eine normale pulsbreitenmodulierte Ansteuerung der Schaltelemente Ml bis M6. Hierzu können während des Freilaufs die Sollwertvorgaben S, wie beispielsweise Vorgaben für das Drehmoment oder den einzustellenden elektrischen Strom zwischen Stromrichter 1 und elektrischer Maschine 2 überwacht werden. Darüber hinaus wird auch die Drehzahl der elektrischen Maschine 2 überwacht, um zu detektieren, ob sich während des Freilaufs die Drehzahl der elektrischen Maschine 2 erhöht und somit die Bedingungen für einen Freilauf nicht mehr erfüllt sind. Um einen zu raschen Wechsel zwischen Freilauf und normalem Betriebszustand zu vermeiden, kann beispielsweise zwischen dem Grenzwert für einen Wechsel in den Freilauf und dem Grenzwert für den Wechsel von dem Freilauf in den normalen Betriebsmodus eine Hysterese vorgesehen sein.

Es versteht sich, dass die Überwachung der Bedingungen für das Aktivieren bzw. Deaktivieren des Freilaufs ausreichend schnell erfolgen muss, um keine Einbußen bei der Drehmomentdynamik zu erhalten. Beispielsweise können die jeweiligen Überprüfungen für das Aktivieren bzw. Deaktivieren des Freilaufes in einem Zeitraster von 1 Millisekunde (ms), 2 ms oder 10 ms erfolgen.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Timing-Diagramms für das Ansteuern bzw. Schalten der Schaltelemente Ml, M3, M5 der oberen Halbbrücke in einem dreiphasigen Stromrichter. Die komplementären Schaltelemente M2, M4, M6 der unteren Halbbrücke werden unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Totzeit komplementär geschaltet. Wie hierbei zu erkennen ist, werden zum Einstellen eines Drehmoments im Bereich von ca. 0 Nm und einem damit korrespondierenden Phasenstrom von ca. 0 A alle Schaltelemente Ml, M3, M5 der oberen Halbbrücke gleichzeitig oder zumindest annähernd gleichzeitig innerhalb einer Toleranz von At geschaltet. Entsprechend sind alle Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine 2 über die oberen Schaltelemente Ml, M3, M5 oder die unteren Schaltelemente M2, M4, M6 elektrisch miteinander verbunden. In einem solchen Fall ist es erfindungsgemäß möglich, von der aktiven Ansteuerung mit periodischem Wechsel zwischen geöffneten und geschlossenen Schaltelementen Ml bis M6 in einen Freilaufzustand zu wechseln, bei welchem alle Schaltelemente Ml bis M6 permanent geöffnet sind.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung von möglichen Aktivierungsbereichen A oder B für einen Freilauf in Abhängigkeit von Drehzahl n und Drehmoment M. Wie in Figur 3 zu erkennen ist, ist es einerseits möglich, den Freilauf nur innerhalb eines relativ engen Drehzahlbereiches A zu aktivieren. Hierbei wird der Freilauf nur dann aktiviert, wenn der Betrag des einzustellenden Drehmoments M unterhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt und darüber hinaus auch die aktuelle Drehzahl n der elektrischen Maschine 2 annähernd Null ist. Alternativ ist es auch möglich, den Freilauf über einen größeren Drehzahlbereich hinweg zu aktivieren, wie dies durch Aktivierungsbereich B dargestellt ist. Hierbei kann sich der Wechsel in den Freilauf bis nahezu an die Grenze des Grunddrehzahlbereichs erstrecken, welcher durch die gestrichelte Linie in Figur 3 dargestellt ist.

Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Ansteuerung eines Stromrichters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das Verfahren umfasst grundsätzlich beliebige Schritte, wie sie zuvor in Zusammenhang mit dem elektrischen Antriebssystem und dem darin enthaltenden Stromrichter 1 mit der Steuervorrichtung 10 beschrieben worden sind.

In Schritt S1 erfolgt das Erfassen mindestens eines Sollwerts S und/oder eines Istwerts für eine Ansteuerung des Stromrichters. Hierbei kann es sich um beliebige Soll- oder Istwerte handeln, wie sie zuvor bereits beschrieben worden sind.

In Schritt S2 wird die Drehzahl oder die elektrische Frequenz einer elektrischen Maschine in dem Antriebssystem ermittelt.

In Schritt S3 erfolgt ein Aktivieren eines Freilaufzustands in dem elektrischen Stromrichter. Der Freilaufzustand wird insbesondere dann aktiviert, wenn der erfasste Sollwert und/oder der erfasste Istwert für die Ansteuerung des Stromrichters einen vorgegebenen ersten Schwellwert unterschreiten und die ermittelte Drehzahl oder elektrische Frequenz der elektrischen Maschine einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein erweitertes Ansteuerschema für eine elektrische Maschine. Insbesondere ist es vorgesehen, gezielt in einen Freilaufzustand zu wechseln, falls an der elektrischen Maschine nur ein geringes Drehmoment bzw. ein geringer Phasenstrom eingestellt werden soll. Für den Wechsel in den Freilauf wird darüber hinaus auch die aktuelle Drehzahl der elektrischen Maschine mit in Betracht gezogen.

Claims

Ansprüche

1. Steuervorrichtung (10) zum Ansteuern eines Stromrichters (1) in einem elektrischen Antriebssystem, wobei die Steuervorrichtung (10) dazu ausgelegt ist: einen Sollwert (S) und/oder einen Istwert für eine Ansteuerung des Stromrichters (1) zu erfassen, eine Drehzahl oder eine elektrische Frequenz einer elektrischen Maschine (2) des Antriebssystems zu ermitteln, und in dem elektrischen Stromrichter (1) einen Freilaufzustand zu aktivieren, falls der erfasste Sollwert (S) und/oder Istwert für die Ansteuerung des Stromrichters (1) einen vorgegebenen ersten Schwellwert unterschreitet und die ermittelte Drehzahl oder elektrische Frequenz der elektrischen Maschine (2) einen vorgegebenen maximalen Grenzwert unterschreitet.

2. Steuervorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der Sollwert (S) eine Sollwertvorgabe für elektrische Ströme in der elektrischen Maschine (2) und/oder ein in der elektrischen Maschine (2) einzustellendes Drehmoment umfasst.

3. Steuervorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Istwert einen elektrischen Strom der elektrischen Maschine (2) und/oder Schaltsignal für Schaltelemente (Ml - M6) in dem elektrischen Stromrichter (1) umfasst.

4. Steuervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuervorrichtung (10) dazu ausgelegt ist, mindestens ein weiteres Steuersignal (Z) von einer externen Steuereinrichtung zu empfangen und den Freilaufzustand unter Verwendung des empfangenen Steuersignals (Z) von der externen Steuereinrichtung einzustellen.

5. Steuervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuervorrichtung (10) dazu ausgelegt ist, den Freilaufzustand zu aktivieren, nachdem der erfasste Sollwert (S) und/oder Istwert für die Ansteuerung des Stromrichters (1) den vorgegebenen ersten Schwellwert für mindestens eine vorgegebene Zeitspanne unterschritten hat und die ermittelte Drehzahl oder elektrische Frequenz der elektrischen Maschine (2) den vorgegebenen maximalen Grenzwert für mindestens die vorgegebene Zeitspanne unterschritten hat.

6. Steuervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuervorrichtung (10) dazu ausgelegt ist, eine Regelung des elektrischen Stroms für die elektrische Maschine (2) in dem Antriebssystem zu deaktivieren, wenn der Freilaufzustand aktiviert ist.

7. Steuervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuervorrichtung (10) dazu ausgelegt ist, einen aktivierten Freilaufzustand zu deaktivieren, falls ein Sollwert für die Ansteuerung des Stromrichters einen vorgegebenen zweiten Schwellwert überschreitet oder die ermittelte Drehzahl oder elektrische Frequenz der elektrischen Maschine (2) den vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

8. Steuervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuervorrichtung (10) dazu ausgelegt ist, den Grenzwert für die Drehzahl oder elektrische Frequenz unter Verwendung einer Eingangsgleichspannung des Stromrichters festzulegen.

9. Elektrisches Antriebssystem, mit: einer elektrischen Maschine (2); einen elektrischen Stromrichter (1), der dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine (2) unter Verwendung einer Sollwertvorgabe (S) anzusteuern; und einer Steuervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

10. Verfahren zum Ansteuern eines Stromrichters (1) in einem elektrischen Antriebssystem, mit den Schritten: Erfassen (Sl) eines Sollwerts (S) und/oder eines Istwerts für eine Ansteuerung des Stromrichters (1),

Ermitteln (S2) einer Drehzahl oder einer elektrischen Frequenz einer elektrischen Maschine (2) des Antriebssystems, und

Aktivieren (S3) einen Freilaufzustands in dem elektrischen Stromrichter (1), falls der erfasste Sollwert (S) und/oder Istwert für die Ansteuerung des Stromrichters (1) einen vorgegebenen ersten Schwellwert unterschreitet und die ermittelte Drehzahl oder elektrische Frequenz der elektrischen Maschine (2) einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.