DE102020207856A1 - Inverter for an electrical machine, electrical machine with such an inverter and steering system with such an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Inverter (10) für eine elektrische Maschine (100), wobei der Inverter (10) eine Halbbrücken-Schaltung (20) mit Schaltern (22) und eine Steuereinheit (30) zur Ansteuerung der Schalter (22) der Halbbrücken-Schaltung (20) aufweist, und wobei die Steuereinheit (30) dazu eingerichtet ist, einen Fehlerfall der elektrischen Maschine (100) und/oder des Inverters (10) zu erkennen. Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Steuereinheit (30) dazu eingerichtet ist, bei einem Fehlerfall die Halbbrücken-Schaltung (20) in einen mehrfachen Kurzschluss zu schalten, und wobei der Inverter (30) zudem einen Trennschalter (40) zur Trennung des Inverters (10), insbesondere der Halbbrücken-Schaltung (20), von einer Versorgungsspannung (50) aufweist, und wobei die Steuereinheit (30) dazu eingerichtet ist, vor dem Schalten des mehrfachen Kurzschlusses der Halbbrücken-Schaltung (20) den Trennschalter (40) zu öffnen.Die Erfindung betrifft zudem eine elektrische Maschine (100) mit einem erfindungsgemäßen Inverter (10) sowie ein Lenksystem mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine (100).The invention relates to an inverter (10) for an electrical machine (100), the inverter (10) having a half-bridge circuit (20) with switches (22) and a control unit (30) for driving the switches (22) of the half-bridge Circuit (20), and wherein the control unit (30) is adapted to detect a fault in the electrical machine (100) and / or the inverter (10). One aspect of the invention is that the control unit (30) is set up to switch the half-bridge circuit (20) to a multiple short circuit in the event of a fault, and the inverter (30) also has a disconnect switch (40) to disconnect the Inverter (10), in particular the half-bridge circuit (20), from a supply voltage (50), and wherein the control unit (30) is set up to switch the isolating switch (40 ).The invention also relates to an electrical machine (100) with an inverter (10) according to the invention and a steering system with an electrical machine (100) according to the invention.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft einen Inverter für eine elektrische Maschine, wobei der Inverter eine Halbbrücken-Schaltung mit Schaltern und eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Schalter der Halbbrücken-Schaltung aufweist, und wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, einen Fehlerfall der elektrischen Maschine und/oder des Inverters zu erkennen.The invention relates to an inverter for an electrical machine, the inverter having a half-bridge circuit with switches and a control unit for controlling the switches of the half-bridge circuit, and the control unit being configured to detect a fault in the electrical machine and / or the inverter to recognize.
Solch ein Inverter ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
Die Erfindung betrifft zudem eine elektrische Maschine mit solch einem Inverter sowie ein Lenksystem mit solch einer elektrischen Maschine.The invention also relates to an electrical machine with such an inverter and a steering system with such an electrical machine.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung betrifft einen Inverter für eine elektrische Maschine, wobei der Inverter eine Halbbrücken-Schaltung mit Schaltern und eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Schalter der Halbbrücken-Schaltung aufweist, und wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, einen Fehlerfall der elektrischen Maschine und/oder des Inverters zu erkennen.The invention relates to an inverter for an electrical machine, the inverter having a half-bridge circuit with switches and a control unit for controlling the switches of the half-bridge circuit, and the control unit being configured to detect a fault in the electrical machine and / or the inverter to recognize.
Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, bei einem Fehlerfall die Halbbrücken-Schaltung in einen mehrfachen Kurzschluss zu schalten, und wobei der Inverter zudem einen Trennschalter zur Trennung des Inverters, insbesondere der Halbbrücken-Schaltung, von einer Versorgungsspannung aufweist, und wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, vor dem Schalten des mehrfachen Kurzschlusses der Halbbrücken-Schaltung den Trennschalter zu öffnen.
Vorteilhaft ist hierbei, dass im Fehlerfall Überspannungen und unkontrollierbare Ströme durch den mehrfachen Kurzschluss vermieden werden können. Zudem kann durch den mehrfachen Kurzschluss der Einschaltwiderstand der Halbbrücken-Schaltung verringert werden. Hierdurch wird wiederum die Verlustleistung reduziert, welche beim Kurzschließen in der Halbbrücken-Schaltung umgesetzt wird. Des Weiteren wird durch die Aufteilung des Stroms auf eine Vielzahl von Schaltern die Kühlfläche erhöht, welche die durch die Verlustleistung erzeugte Wärme aufnehmen kann. Insbesondere kann durch die Aufteilung auch die jeweilige Stromstärke, welche durch die einzelnen Schalter fließt, reduziert werden, wodurch die Langlebigkeit der Schalter verbessert werden kann oder aber auch wodurch die Überdimensionierung der Schalter verringert werden kann. Da die Schalter nur noch für einen Normalbetrieb dimensioniert werden müssen, können zudem Herstellungs- und Materialkosten gespart sowie die Robustheit des Systems erhöht werden.
Ein solch mehrfaches Kurzschließen ist jedoch nur möglich, wenn zuvor der Trennschalter geöffnet wurde, um die Versorgungsspannung abzukoppeln.
Wird der Trennschalter nicht geöffnet, so wird die Quelle, beispielweise die Batterie, kurzgeschlossen. Dies kann zur Zerstörung des Inverters führen.One aspect of the invention is that the control unit is set up to switch the half-bridge circuit to a multiple short circuit in the event of a fault, and the inverter also has an isolating switch for separating the inverter, in particular the half-bridge circuit, from a supply voltage , and wherein the control unit is set up to open the isolating switch before switching the multiple short-circuit of the half-bridge circuit.
The advantage here is that, in the event of a fault, overvoltages and uncontrollable currents can be avoided due to the multiple short circuit. In addition, the switch-on resistance of the half-bridge circuit can be reduced by the multiple short-circuits. This in turn reduces the power loss that is converted in the half-bridge circuit during short-circuiting. Furthermore, by dividing the current over a large number of switches, the cooling surface, which can absorb the heat generated by the power loss, is increased. In particular, as a result of the division, the respective current intensity which flows through the individual switches can be reduced, whereby the longevity of the switches can be improved or else the overdimensioning of the switches can also be reduced. Since the switches only have to be dimensioned for normal operation, manufacturing and material costs can also be saved and the robustness of the system can be increased.
Such multiple short-circuits are only possible if the isolating switch has been opened beforehand in order to disconnect the supply voltage.
If the circuit breaker is not opened, the source, for example the battery, is short-circuited. This can destroy the inverter.
Die elektrische Maschine kann insbesondere als Elektromotor ausgestaltet sein, zum Beispiel als permanenterregte Synchronmaschine, als elektrisch erregte Synchronmaschinen, oder auch als Asynchronmaschine. Dieser Elektromotor weist zum Beispiel einen Stator und einen Rotor auf. Zudem weist der Elektromotor einen Inverter auf, um die Maschine zum Erzeugen eines magnetischen Drehfelds in den Stator-Spulen entsprechend anzusteuern.The electric machine can in particular be designed as an electric motor, for example as a permanently excited synchronous machine, as an electrically excited synchronous machine, or also as an asynchronous machine. This electric motor has, for example, a stator and a rotor. In addition, the electric motor has an inverter in order to control the machine accordingly in order to generate a rotating magnetic field in the stator coils.
Unter Inverter ist hierbei eine elektronische Schaltung zu verstehen, welche zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom genutzt werden kann, wobei der Gleichstrom von einer Versorgungsspannung geliefert wird.
Insbesondere wird mittels des Inverters eine entsprechende Ansteuerung von Stator-Spulen mittels einer Halbbrücken-Schaltung umgesetzt, um ein magnetisches Drehfeld zu erzeugen. Die Schalter der Halbbrücken-Schaltung können hierbei von der Steuereinheit je nach Bedarf geöffnet oder auch geschlossen werden. Dieses magnetische Drehfeld wiederum treibt im Zusammenspiel mit magnetischen Bauteilen des Rotors den Rotor und letztlich die Rotorwelle an.
Die Halbbrücken-Schaltung weist hierfür mehrere Halbbrücken auf, wobei eine Halbbrücke aus einem Low-Side-Schalter und einem High-Side-Schalter aufgebaut ist und der Mittelabgriff zwischen den Schaltern jeweils zu einer Statorspule führt. Eine Halbbrücke mit der zugehörigen Statorspule bildet eine entsprechende Phase des Motors. Hat die Halbbrücken-Schaltung beispielsweise drei Halbbrücken, entspricht dies insgesamt sechs Schaltern, welche dann eine sogenannte B6-Brücke bilden, um wiederum eine dreiphasige elektrische Maschine zu bilden.
Solch eine elektrische Maschine kann beispielsweise in einem Lenksystem eingesetzt werden, um die Lenkachse entsprechend zu bewegen. Insbesondere ist eine elektrische Maschine aber in jeglicher Art von elektrischem Antrieb denkbar, beispielsweise auch in einem Fahrzeugantrieb.An inverter is to be understood here as an electronic circuit which can be used to convert direct current into alternating current, the direct current being supplied by a supply voltage.
In particular, a corresponding control of stator coils is implemented by means of a half-bridge circuit by means of the inverter in order to generate a rotating magnetic field. The switches of the half-bridge circuit can be opened or closed by the control unit as required. This rotating magnetic field in turn drives the rotor and ultimately the rotor shaft in interaction with magnetic components of the rotor.
The half-bridge circuit has several half-bridges for this purpose, a half-bridge being constructed from a low-side switch and a high-side switch and the center tap between the switches each leading to a stator coil. A half bridge with the associated stator coil forms a corresponding phase of the motor. If the half-bridge circuit has three half-bridges, for example, this corresponds to a total of six switches, which then form what is known as a B6 bridge, in order in turn to form a three-phase electrical machine.
Such an electrical machine can be used, for example, in a steering system in order to move the steering axis accordingly. In particular, however, an electrical machine is conceivable in any type of electrical drive, for example also in a vehicle drive.
Die Steuereinheit kann beispielsweise als ein oder mehrere Mikrocontroller ausgestaltet sein. Hierbei kann es insbesondere innerhalb der Steuereinheit verschiedene separate Steuerungsschaltungen oder auch Steuerungspartitionen geben. So kann eine Steuerungsschaltung bzw. -partition dafür eingerichtet sein, Fehlerfälle mittels entsprechender Hilfsmittel oder auch Schutzeinrichtungen zu erkennen. Eine andere Steuerungsschaltung bzw. -partition kann für die Ansteuerung der Schalter der Halbbrücken-Schaltung im Normalbetrieb verantwortlich sein und wiederum eine andere Steuerungsschaltung bzw. -partition für die Ansteuerung des Trennschalters und das Kurzschließen der Schalter der Halbbrücken-Schaltung im Fehlerfall. Hierbei kann die Steuerschaltung für den aktiven mehrfachen Kurzschluss sowohl als Master als auch als Slave ausgestaltet sein. Als Master ist eine andere Steuerschaltung nicht mehr in der Lage in die Ansteuerung der Halbbrücken-Schaltung einzugreifen bis dies vom Master wieder freigegeben wird. Als Slave wird der mehrfache Kurzschluss zusätzlich oder nachträglich zu einer normalen Ansteuerung durchgeführt.The control unit can be designed, for example, as one or more microcontrollers. In particular, there can be various separate control circuits or control partitions within the control unit. For example, a control circuit or partition can be set up to detect faults by means of appropriate aids or protective devices. Another control circuit or partition can be responsible for controlling the switches of the half-bridge circuit in normal operation and in turn another control circuit or partition for controlling the isolating switch and short-circuiting the switches of the half-bridge circuit in the event of a fault. Here, the control circuit for the active multiple short circuit can be designed both as a master and as a slave. As the master, another control circuit is no longer able to intervene in the control of the half-bridge circuit until this is released again by the master. As a slave, the multiple short-circuit is carried out in addition to or after a normal control.
Unter Fehlerfall können beispielsweise ein Short-Circuit-Fehler, ein Open-Circuit-Fehler, ein Offsetfehler, eine Überspannung oder auch sonstige Störungen verstanden werden.An error case can be understood to mean, for example, a short circuit error, an open circuit error, an offset error, an overvoltage or other disturbances.
Unter einfachem aktiven Kurzschluss ist zu verstehen, dass bei der Halbbrücken-Schaltung die Low-Side-Schalter oder die High-Side-Schalter der Halbbrücken aktiv angesteuert werden, um diese kurzzuschließen. Hierbei können jeweils mehrere oder alle Schalter der gleichen Art, also Low- oder High-Side-Schalter, aktiv kurzgeschlossen werden. Unter einem mehrfachen Kurzschluss ist dagegen zu verstehen, dass bei der Halbbrücken-Schaltung jeweils Low-Side-Schalter und High-Side-Schalter der Halbbrücken aktiv angesteuert werden, um diese kurzzuschließen. Hierbei können jeweils einer oder mehrere der jeweiligen Schalterart kurzgeschlossen werden. Hierbei wird der mehrfache Kurzschluss insbesondere derartig lang aufrechterhalten, bis der Fehlerfall nicht mehr vorhanden ist.A simple active short circuit is to be understood as meaning that, in the half-bridge circuit, the low-side switches or the high-side switches of the half-bridges are actively controlled in order to short-circuit them. In this case, several or all switches of the same type, that is to say low-side or high-side switches, can be actively short-circuited. A multiple short circuit, on the other hand, is to be understood as meaning that, in the half-bridge circuit, low-side switches and high-side switches of the half-bridges are actively activated in order to short-circuit them. Here one or more of the respective switch types can be short-circuited. In this case, the multiple short-circuit is maintained, in particular, until the fault no longer exists.
Der Trennschalter ist ebenfalls ein Schalter, welcher von der Steuereinheit geöffnet oder auch geschlossen werden kann. Durch öffnen des Trennschalters kann insbesondere die Versorgungsspannung, welche beispielsweise von einem Fahrzeug-Bordnetz oder einer entsprechenden Batterie geliefert wird, abgekoppelt werden, sodass diese nicht mehr an der Halbbrücken-Schaltung anliegt.The isolating switch is also a switch that can be opened or closed by the control unit. By opening the isolating switch, in particular the supply voltage, which is supplied, for example, from a vehicle electrical system or a corresponding battery, can be decoupled so that it is no longer applied to the half-bridge circuit.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, bei einem Fehlerfall alle Schalter der Halbbrücken-Schaltung zu schließen.One embodiment of the invention provides that the control unit is set up to close all switches of the half-bridge circuit in the event of a fault.
Vorteilhaft ist hierbei, dass zum einen der Einschaltwiderstand minimiert und zum anderen die Kühlfläche zur Abfuhr der erzeugten Verlustleistung der Schalter maximiert wird.It is advantageous here that, on the one hand, the switch-on resistance is minimized and, on the other hand, the cooling surface for dissipating the power loss generated by the switches is maximized.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet sein muss, alle Schalter der Halbbrückenschaltung entsprechen anzusteuern, insbesondere beispielsweise im Wesentlichen gleichzeitig zu schließen.It must be taken into account here that the control unit must be set up to control all the switches of the half-bridge circuit in a corresponding manner, in particular, for example, to close them essentially at the same time.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, eine Überspannung der Versorgungsspannung zu erfassen und das Kurzschließen der Halbbrücken-Schaltung und/oder das Öffnen des Trennschalters in Abhängigkeit von der Überspannung durchzuführen. Vorteilhaft ist hierbei, dass falls eine Überspannung der Versorgungspannung wie der Batterie vorliegt, eine Trennung von der generatorischen Speisung erfolgt, wodurch eine Zerstörung des Inverters vermieden werden kann.A further embodiment of the invention provides that the control unit is set up to detect an overvoltage in the supply voltage and to short-circuit the half-bridge circuit and / or open the disconnector as a function of the overvoltage. It is advantageous here that if there is an overvoltage in the supply voltage such as the battery, the generator is disconnected from the power supply, so that destruction of the inverter can be avoided.
Unter Überspannung ist eine elektrische Spannung zu verstehen, welche die Nennspannung eines elektrischen Systems überschreitet.Overvoltage is an electrical voltage that exceeds the nominal voltage of an electrical system.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, bei einem Fehlerfall vor dem Öffnen des Trennschalters die Halbbrücken-Schaltung in einen einfachen Kurzschluss zu schalten. Vorteilhaft ist hierbei, dass durch den einfachen Kurzschluss der Inverter zuerst in einen sicheren Zustand versetzt werden kann. Folgend kann dann der Trennschalter öffnen um die Versorgungsspannung (Batterie) nicht kurz zu schließen. Anschließend kann die Entlastung der Endstufe durch zuschalten der komplementären Schalter gestartet werden.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the control unit is set up to switch the half-bridge circuit to a simple short circuit in the event of a fault before the disconnector is opened. The advantage here is that the inverter can first be put into a safe state through the simple short circuit. The isolating switch can then open in order not to short-circuit the supply voltage (battery). The load on the output stage can then be started by switching on the complementary switches.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schalter der Halbbrücken-Schaltung und/oder der Trennschalter als Halbleiterschalter ausgestaltet sind. Vorteilhaft ist hierbei, diese Art von Schalter verschleißarm sind, eine hohe Schaltgeschwindigkeit haben und einfach anzusteuern sind.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the switches of the half-bridge circuit and / or the isolating switch are configured as semiconductor switches. The advantage here is that this type of switch is low-wear, has a high switching speed and is easy to control.
Insbesondere sind die Schalter und/oder der Trennschalter als MOSFETs ausgestaltet. Es wäre jedoch auch eine Kombination aus einem IGBT mit einer Diode als Schalter denkbar.In particular, the switches and / or the isolating switch are designed as MOSFETs. However, a combination of an IGBT with a diode as a switch would also be conceivable.
Unter Halbleiterschalter sind Schalter zu verstehen, deren Funktionsprinzip auf den Halbleitereigenschaften der Bauteile beruhen.Semiconductor switches are understood to mean switches whose functional principle is based on the semiconductor properties of the components.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, einen Kurzschluss eines Zwischenkreises des Inverters zu erfassen und in Abhängigkeit davon das Kurzschließen der Schalter der Halbbrücken-Schaltung und/oder das Öffnen des Trennschalters durchzuführen.
Vorteilhaft ist hierbei, dass eine erhöhte Verfügbarkeit des Inverters ermöglicht werden kann. So kann der Kurzschluss im Zwischenkreis zu einem Kurzschluss der Versorgungsspannung (Batterie) führen, was wiederum zu zwei Szenarien führen kann. So kann beispielsweise ein Brand im Inverter entstehen, sofern sich der Kurzschluss nicht von selber wieder löst.
Des Weiteren wäre es möglich, dass die Sicherung der Batterie zerstört wird, was unter Umständen dazu führen kann, dass andere Verbraucher von der Versorgung mit abgeschnitten werden.According to a further embodiment of the invention it is provided that the control unit is set up to short-circuit a Detect the intermediate circuit of the inverter and, depending on this, carry out the short-circuiting of the switches of the half-bridge circuit and / or the opening of the isolating switch.
It is advantageous here that an increased availability of the inverter can be made possible. The short circuit in the intermediate circuit can lead to a short circuit in the supply voltage (battery), which in turn can lead to two scenarios. For example, a fire can occur in the inverter if the short circuit does not resolve itself.
Furthermore, it would be possible that the fuse of the battery is destroyed, which under certain circumstances can lead to other consumers being cut off from the supply.
Unter Zwischenkreis ist eine elektrische Einrichtung zu verstehen, welche als Energiespeicher mehrere elektrische Netze auf einer zwischengeschalteten Strom- oder Spannungsebene über Umrichter elektrisch koppelt. Hierbei kann der Zwischenkreis beispielsweise einen Kondensator aufweisen.An intermediate circuit is to be understood as an electrical device which, as an energy store, electrically couples several electrical networks on an interposed current or voltage level via converters. In this case, the intermediate circuit can have a capacitor, for example.
Die Erfindung betrifft zudem eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Inverter. Die elektrische Maschine kann hierbei insbesondere als Elektromotor ausgestaltet sein, beispielsweise als permanenterregte Synchronmaschine, als elektrisch erregte Synchronmaschinen oder auch als Asynchronmaschine.The invention also relates to an electrical machine with an inverter according to the invention. The electrical machine can in particular be designed as an electric motor, for example as a permanently excited synchronous machine, as an electrically excited synchronous machine or also as an asynchronous machine.
Die Erfindung betrifft zudem ein Lenksystem mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.The invention also relates to a steering system with an electrical machine according to the invention.
FigurenlisteFigure list
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem erfindungsgemäßen Inverter.1 shows an embodiment of an electrical machine according to the invention with an inverter according to the invention.
Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments
Dargestellt ist eine elektrische Maschine
Der Inverter
Die Steuereinheit
Des Weiteren weist der Inverter
The control unit
Furthermore, the inverter
Die Schalter
Die Steuereinheit
Des Weiteren kann die Steuereinheit
Zudem kann die Steuereinheit
Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinheit
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- DE 102015108691 A1 [0002]DE 102015108691 A1 [0002]
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