DE102016223624A1

DE102016223624A1 - Verfahren zur Abschaltung einer stromerregten Synchronmaschine eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102016223624A1
Application number: DE102016223624.5A
Authority: DE
Inventors: Zakaria El Khawly; Igor Gusyev; Jörg Merwerth; Nuno Miguel da Silva Cerqueira; Christian Steinbauer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2018-05-30
Also published as: US20190275890A1; WO2018099701A1; CN109792222A; US11433770B2; CN109792222B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschaltung einer einen Rotor (R) sowie einen Stator (S) umfassenden, über eine Leistungselektronik versorgten stromerregten Synchronmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der Rotor (R) über eine Erregerschaltung (20) der Leistungselektronik versorgt wird und der Stator (S) über eine Brückenschaltung (30) der Leistungselektronik versorgt wird. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Unterbrechen der Stromzufuhr für den Rotor (R) und den Stator (S); Umschalten der Erregerschaltung (20) in eine erste Freilaufstellung, so dass die in der Erregerschaltung (20) und im Rotor (R) enthaltene Energie über eine erste Rückspeiseanordnung (D2, D3) in einen ersten Energiespeicher (HVS1) eingespeist wird; und Umschalten der Brückenschaltung (30) in eine zweite Freilaufstellung, so dass die in der Brückenschaltung (30) und im Stator (S) enthaltene Energie über eine zweite Rückspeiseanordnung (D5 -D10) in einen zweiten Energiespeicher (HVS2) eingespeist wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschaltung einer einen Rotor sowie einen Stator umfassenden, über eine Leistungselektronik versorgten stromerregten Synchronmaschine eines Kraftfahrzeugs, eine zur Ausführung dieses Verfahrens geeignete Steueranordnung sowie ein damit ausgerüstetes Kraftfahrzeug.
Stromerregte Synchronmaschinen stellen eine interessante Alternative zu permanentmagneterregten Synchronmaschinen dar, weil solche magnetlosen Maschinen einige Vorteile aufweisen: Bei einer Störung in der Leistungselektronik treten keine Bremsmomente an der Maschinenwelle auf, beim Mitschleppen einer ausgeschalteten Maschine sind keine Schleppmomente vorhanden, und bei höheren Drehzahlen ist eine konstante Leistung verfügbar. Darüber hinaus sind die erforderlichen Materialien sehr gut verfügbar, und es sind vergleichsweise geringe Herstellungskosten zu verzeichnen.
Entsprechend der andersartigen konstruktiven Ausgestaltung von stromerregten Synchronmaschinen muss auch die Vorgehensweise bei deren Abschaltung angepasst werden. Insbesondere muss auch sichergestellt werden, dass derartige stromerregte Synchronmaschinen mittels einer Notabschaltung schnell und zuverlässig ausgeschaltet werden können, um einen Schutz gegen Berührung von gefährlicher Spannung, gegen Fehlfunktionen der Maschine und vor einem fehlerhaften Drehmoment zu bieten. Außerdem muss gewährleistet sein, dass der Antrieb nicht durch transiente Drehmomente beschädigt wird, dass der Inverter nicht durch transiente Ströme im Stator und der Erreger im Zwischenstromkreis nicht durch transiente Ströme im Rotor beschädigt wird, und die Zeitkonstante für die Entregung so bemessen ist, dass Beschädigungen im Niedervoltnetz vermieden werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abschaltung einer stromerregten Synchronmaschine eines Kraftfahrzeugs anzugeben, das die vorgenannten Anforderungen erfüllt und das auch für eine - möglichst schnelle - Notabschaltung geeignet ist. Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine für die Durchführung dieses Verfahrens geeignete Steueranordnung zu geben.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Steueranordnung gemäß Anspruch 3. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zum Abschalten der stromerregten Synchronmaschine sowohl der Rotor als auch der Stator von der Stromversorgung getrennt, und die für die Versorgung des Rotors vorgesehene Erregerschaltung und die für die Versorgung des Stators vorgesehene Brückenschaltung werden jeweils in eine Freilaufstellung umgeschaltet, so dass die in diesen Schaltungen sowie in Rotor und Stator gespeicherte Energie in einen Energiespeicher eingespeist bzw. zurückgespeist wird. Mit dieser Vorgehensweise werden mehrere Vorteile erzielt: Es treten keine transienten Ströme auf, es wird kein transientes Bremsmoment erzeugt (zumindest so lange die Spannung des Energiespeichers größer als die induzierte Strangspannung ist), und die Entregungszeit ist sehr kurz. Darüber hinaus können die Herstellungskosten für den Inverter reduziert werden, da diese Bauelemente keine transienten Ströme aufnehmen müssen.
Es ist von Vorteil, wenn die Stromzufuhr für den Rotor und den Stator einerseits und das Umschalten der Erregerschaltung und der Brückenschaltung in die Freilaufstellung andererseits gleichzeitig - oder zumindest im Wesentlichen gleichzeitig - erfolgt.
Bei der erfindungsgemäßen Steueranordnung sind Schalter zum Unterbrechen der Stromzufuhr für den Rotor und den Stator sowie Schalter zum Umschalten der Erregerschaltung und der Brückenschaltung in eine jeweilige Freilaufstellung vorgesehen. Zusätzlich sind eine erste und eine zweite Rückspeiseanordnung vorgesehen, über welche in der jeweiligen Freilaufstellung die in der Erregerschaltung und im Rotor bzw. in der Brückenschaltung und im Stator gespeicherte Energie in einen jeweiligen Energiespeicher eingespeist bzw. zurückgespeist werden kann.
Eine besonders einfache und kostengünstige Realisierung der Rückspeiseanordnungen ist möglich, wenn diese aus jeweiligen Freilaufdioden gebildet sind.
Es ist von Vorteil, wenn die beiden Energiespeicher jeweils aus einem Hochvoltspeicher gebildet sind. Alternativ kann auch ein gemeinsamer Hochvoltspeicher für das Aufnehmen der Energie aus dem Rotor und dem Stator vorgesehen sein.
Mit Vorteil ist der Energiespeicher bzw. der Hochvoltspeicher aus je einem Zwischenkreiskondensator eines Stromrichters der Leistungselektronik oder aber aus einem für beide Schaltungen gemeinsamen Zwischenkreiskondensator gebildet. Alternativ zu einem Zwischenkreiskondensator kann auch ein Akkumulator verwendet werden.
Als zur vorliegenden Erfindung gehörig wird auch ein Kraftfahrzeug angesehen, das mit einer stromerregten Synchronmaschine ausgestattet ist, die unter anderem einen Rotor und einen Stator umfasst. Ferner weist ein solches Kraftfahrzeug eine Leistungselektronik mit einer Erregerschaltung für die Versorgung des Rotors und einer Brückenschaltung für die Versorgung des Stators auf. Außerdem sind Energiespeicher vorgesehen, die zur Aufnahme von Energie aus der Leistungselektronik, dem Rotor und dem Stator bestimmt sind. Dieses Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass es eine erfindungsgemäße Steueranordnung gemäß der vorherigen Beschreibung umfasst, mit der das bereits beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Dementsprechend ergeben sich auch gleiche oder ähnliche Vorteile wie die in Verbindung mit dem vorstehend Beschriebenen, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Steueranordnung verwiesen wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:

1 ein Ersatzschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steueranordnung für eine stromerregte Synchronmaschine;
2 die Phasenspannungen einer erfindungsgemäß abgeschalteten stromerregten Synchronmaschine in Volt für die Phasen U, V, W des Stators;
3 die Phasenströme der erfindungsgemäß abgeschalteten stromerregten Synchronmaschine in Ampere für die Phasen U, V, W des Stators;
4 den Rotorstrom der erfindungsgemäß abgeschalteten stromerregten Synchronmaschine in Ampere; und
5 das Drehmoment der erfindungsgemäß abgeschalteten stromerregten Synchronmaschine in Newtonmetern.

In 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steueranordnung 40 schematisch dargestellt. Die Steueranordnung 40 umfasst eine Erregerschaltung 20 für die Spannungs-und Stromversorgung eines Rotors R aus einem ersten Hochvoltspeicher HVS1 sowie eine Brückenschaltung 30 für die Spannungs-und Stromversorgung eines Stators S aus einem zweiten Hochvoltspeicher HVS2. Gemäß Darstellung in 1 sind somit zwei verschiedene Hochvoltspeicher HVS1 und HVS2 vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, dass beide Schaltungen nur auf einen einzigen, gemeinsamen Hochvoltspeicher zugreifen.
In der Erregerschaltung 20 sind zwei Schalter in Form von Transistoren Q1 und Q2, die jeweils in Parallelschaltung mit einer Diode D1 bzw. D4 angeordnet sind, vorgesehen. Die Transistoren Q1 und Q2 werden im Normalbetrieb, d.h. während der Stromversorgung des Rotors R, zeitgleich getaktet. Der Strom fließt über die Transistoren Q1 und Q2, wenn diese eingeschaltet sind. Während der Ausschaltphase der Transistoren Q1 und Q2 fließt der Strom über zwei Freilaufdioden D2 und D3.
Für eine Abschaltung des Rotors R (hierzu zählt auch eine Notabschaltung) werden die Transistoren Q1 und Q2 nicht mehr angesteuert. Hierdurch wird die Erregerschaltung 20 in eine sogenannte Freilaufstellung gebracht. Die im Rotor R (und gegebenenfalls in der Erregerschaltung 20) enthaltene Energie wird dann über die zwei Dioden D2 und D3 abgebaut und in den ersten Hochvoltspeicher HVS1 eingespeist bzw. zurückgespeist. Der resultierende Stromfluss ist mit einer dicker eingezeichneten Linie sowie entsprechenden Pfeilen schematisch angedeutet. In anderen Worten wird dadurch die im Rotor R enthaltene Energie nicht wie bei der Durchführung eines aktiven Kurzschlusses über einen Widerstand „vernichtet“, sondern wiedergewonnen, was die Energieeffizienz erhöht. Es ist ersichtlich, dass die beiden Dioden D2 und D3 als Rückspeiseanordnung für das Einspeisen der im Rotor R enthaltenen Energie in den ersten Hochvoltspeicher HVS1 dienen. Außerdem ist ersichtlich, dass die beiden Transistoren Q1 und Q2 sowohl als Schalter zum Ausschalten der Stromzufuhr für den Rotor R als auch zum Umschalten der Erregerschaltung 20 in die Freilaufstellung dienen.
In der Brückenschaltung 30 sind sechs Schalter in Form von Transistoren Q3 bis Q8, die jeweils in Parallelschaltung mit einer jeweiligen der Dioden D5 bis D10 angeordnet sind, vorgesehen. Die Transistoren Q3 bis Q8 werden im Normalbetrieb, d.h. während der Stromversorgung des Stators S über die drei Phasenleitungen U, V, W, in der für Stromrichter üblichen Weise durch ein pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert. Auch in der Brückenschaltung 30 fließt der Strom über die Transistoren Q3 bis Q8, wenn diese eingeschaltet sind. Während der Ausschaltphase der Transistoren Q3 bis Q8 übernehmen die Dioden D5 bis D10, die als Freilaufdioden dienen, den Stromfluss.
Für eine Abschaltung des Stators S (hierzu zählt wiederum die Notabschaltung) werden alle Transistoren Q3 bis Q8 nicht mehr angesteuert, wodurch diese sperren. Hierdurch wird die Brückenschaltung 30 in eine sogenannte Freilaufstellung gebracht. Das Sperren der Transistoren Q3 bis Q8 sollte dabei möglichst zeitgleich mit dem Sperren der Transistoren Q1 und Q2 erfolgen. Die im Stator S (und gegebenenfalls in der Brückenschaltung 30) enthaltene Energie wird dann bei dem in 1 dargestellten Betriebszustand über die drei Dioden D5, D8 und D9 abgebaut und in den zweiten Hochvoltspeicher HVS2 eingespeist bzw. zurückgespeist. Der resultierende Stromfluss ist wiederum mit dicker eingezeichneten Linien sowie entsprechenden Pfeilen für die drei Phasen U, V, W schematisch angedeutet. In anderen Worten wird dadurch auch die im Stator S enthaltene Energie nicht wie bei der Durchführung eines aktiven Kurzschlusses über einen Widerstand „vernichtet“, sondern wiedergewonnen, was die Energieeffizienz weiter erhöht. Es ist ersichtlich, dass die sechs Dioden D5 bis D10 als Rückspeiseanordnung für das Einspeisen der im Stator S enthaltenen Energie in den zweiten Hochvoltspeicher HVS2 dienen. Außerdem ist ersichtlich, dass die sechs Transistoren Q3 bis Q8 sowohl als Schalter zum Ausschalten der Stromzufuhr für den Stator S als auch zum Umschalten der Brückenschaltung 30 in die Freilaufstellung dienen.
In den 2 bis 5 sind jeweils Darstellungen für relevante Größen einer stromerregten Synchronmaschine im Normalbetrieb und nach einer zum Zeitpunkt T = 0,01 s erfolgten erfindungsgemäßen Abschaltung angegeben. Dabei wurde von folgenden Werten während des Normalbetriebs ausgegangen: Drehmoment M = 294 Nm, Statorstrom IStator = 600 Aeff, Rotorstrom IRotor = 25 A, Drehzahl n = 3000 U/min.
2 zeigt die Phasenspannungen in Volt für die Phasen U, V, W (des Stators).
3 zeigt die Phasenströme in Ampere für die Phasen U, V, W (des Stators).
4 zeigt den Rotorstrom in Ampere.
5 zeigt das Drehmoment in Newtonmetern.
Aus der vorstehenden Beschreibung in Verbindung mit den Figuren ist ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren der Abschaltung einer stromerregten Synchronmaschine - mittels einer erfindungsgemäßen Steueranordnung - transiente Ströme und ein transientes Moment vermeidet und unter Zugrundelegung der vorgenannten Ausgangsdaten eine schnelle Entregung innerhalb von 10 ms ermöglicht. In anderen Worten entsteht hinsichtlich des Drehmoments, der Statorströme und des Rotorstroms kein transientes Überschwingen.
Gemäß vorhergehender Darstellung sind die Schalter jeweils aus einem IGBT gebildet. Es versteht sich, dass stattdessen ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch andere als Schalter verwendbare Leistungstransistoren verwendet werden können. Ferner sind die beiden Hochvoltspeicher HVS1 und HVS2 als zwei getrennte Bauelemente dargestellt; sie können jedoch auch zu einem einzigen Bauelement integriert sein, beispielsweise als Zwischenkreiskondensator in einem Zwischenkreis der Leistungselektronik.
Es versteht sich, dass bei der vorliegenden Erfindung ein Zusammenhang zwischen einerseits Merkmalen besteht, die im Zusammenhang mit Verfahrensschritten beschrieben wurden, sowie andererseits Merkmalen, die im Zusammenhang mit entsprechenden Vorrichtungen beschrieben wurden. Somit sind beschriebene Verfahrensmerkmale auch als zur Erfindung gehörige Vorrichtungsmerkmale - und umgekehrt - anzusehen, selbst wenn dies nicht explizit erwähnt wurde.
Es ist festzuhalten, dass die unter Bezug auf die Ausführungsform bzw. Varianten hiervon beschriebenen Merkmale der Erfindung, wie beispielsweise Art und Ausgestaltung der einzelnen Schaltungskomponenten sowie deren räumliche Anordnung oder die genauen Modalitäten der Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte, auch bei anderen Ausführungsformen vorhanden sein können, außer wenn es anders angegeben ist oder sich aus technischen Gründen von selbst verbietet. Von derartigen, in Kombination beschriebenen, Merkmalen einzelner Ausführungsformen müssen außerdem nicht notwendigerweise immer alle Merkmale in einer betreffenden Ausführungsform realisiert sein.

Claims

Verfahren zur Abschaltung einer einen Rotor (R) sowie einen Stator (S) umfassenden, über eine Leistungselektronik versorgten stromerregten Synchronmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der Rotor (R) über eine Erregerschaltung (20) der Leistungselektronik versorgt wird und der Stator (S) über eine Brückenschaltung (30) der Leistungselektronik versorgt wird, umfassend folgende Schritte: - Unterbrechen der Stromzufuhr für den Rotor (R) und den Stator (S), - Umschalten der Erregerschaltung (20) in eine erste Freilaufstellung, so dass die in der Erregerschaltung (20) und im Rotor (R) enthaltene Energie über eine erste Rückspeiseanordnung (D2, D3) in einen ersten Energiespeicher (HVS1) eingespeist wird, und - Umschalten der Brückenschaltung (30) in eine zweite Freilaufstellung, so dass die in der Brückenschaltung (30) und im Stator (S) enthaltene Energie über eine zweite Rückspeiseanordnung (D5 -D10) in einen zweiten Energiespeicher (HVS2) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Unterbrechen der Stromzufuhr für den Rotor (R) und den Stator (S), das Umschalten der Erregerschaltung (20) in die Freilaufstellung und das Umschalten der Brückenschaltung (30) in die Freilaufstellung zumindest im Wesentlichen gleichzeitig erfolgt.
Steueranordnung (40) zur Abschaltung einer einen Rotor (R) sowie einen Stator (S) umfassenden, über eine Leistungselektronik versorgten stromerregten Synchronmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der Rotor (R) über eine Erregerschaltung (20) der Leistungselektronik versorgt wird und der Stator (S) über eine Brückenschaltung (30) der Leistungselektronik versorgt wird, umfassend: - Schalter (Q1 - Q8) zum Unterbrechen der Stromzufuhr für den Rotor (R) und den Stator (S), - Schalter (Q1, Q2) zum Umschalten der Erregerschaltung (20) in eine erste Freilaufstellung, - eine erste Rückspeiseanordnung (D2, D3), über welche in der ersten Freilaufstellung die in der Erregerschaltung (20) und im Rotor (R) enthaltene Energie in einen ersten Energiespeicher (HVS1) einspeisbar ist, - Schalter (Q3 - Q8) zum Umschalten der Brückenschaltung (30) in eine zweite Freilaufstellung, und - eine zweite Rückspeiseanordnung (D5 - D10), über welche in der zweiten Freilaufstellung die in der Brückenschaltung (30) und im Stator (S) enthaltene Energie in einen zweiten Energiespeicher (HVS2) einspeisbar ist.
Steueranordnung (40) nach Anspruch 3, wobei die erste Rückspeiseanordnung (D2, D3) und die zweite Rückspeiseanordnung (D5 -D10) aus Freilaufdioden gebildet sind.
Steueranordnung (40) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der erste Energiespeicher (HVS1) und der zweite Energiespeicher (HVS2) aus je einem Hochvoltspeicher oder einem gemeinsamen Hochvoltspeicher gebildet sind.
Steueranordnung (40) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der erste Energiespeicher (HVS1) und der zweite Energiespeicher (HVS2) aus je einem oder einem gemeinsamen Zwischenkreiskondensator eines Stromrichters der Leistungselektronik gebildet sind.
Steueranordnung (40) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der erste Energiespeicher (HVS1) und der zweite Energiespeicher (HVS2) aus je einem oder einem gemeinsamen Akkumulator gebildet sind.
Kraftfahrzeug, aufweisend - eine einen Rotor (R) sowie einen Stator (S) umfassende stromerregte Synchronmaschine, - eine Leistungselektronik mit einer Erregerschaltung (20) für die Versorgung des Rotors (R) und einer Brückenschaltung (30) für die Versorgung des Stators (S), - ein erster Energiespeicher (HVS1) zur Aufnahme von Energie, die aus der Erregerschaltung (20) und dem Rotor (R) einspeisbar ist, - ein zweiter Energiespeicher (HVS2) zur Aufnahme von Energie, die aus der Brückenschaltung (30) und dem Stator (S) einspeisbar ist, und - eine Steueranordnung (40) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7.