(57)【要約】  本発明は、パルスインバータ(2)を備える電気機械(1)を障害時に遮断するための方法に関する。電気機械の遮断時に不所望な副作用を最小にし、正規の機械動作(Z1)を最大にするために、電気機械(1)はまず、パルスインバータ(2)のすべてのスイッチ(3a-3f)が開放されている解除モード(Z2)に切り替えられ、続いて、高電位と接続されたスイッチ(3a-3c)が開放されており、低電位(U0)と接続されたスイッチ(3d-3f)が閉成されている短絡モード(Z3)に切り替えられる。
2009524401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスインバータ(2)を備える電気機械(1)を障害時に遮断するための方法において、
電気機械(1)は障害時にまず、パルスインバータ(2)のすべてのスイッチ(3a-3f)が開放されている解除モード(Z2)に切り替えられ、続いて、高電位と接続されたスイッチ(3a-3c)が開放されており、低電位(U0)と接続されたスイッチ(3d-3f)が閉成されている短絡モード(Z3)に切り替えられる、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記電気機械(1)は、所定の時間閾値を上回ると解除モード(Z2)から短絡モード(Z3)に切り替えられる、ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、
前記時間閾値は次式にしたがい：
t=L K Imax / [Uzk + R Imax K]
選択される、ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一項記載の方法において、
前記電気機械(1)は、所定の時間閾値を上回り、かつ電流値、とりわけバッテリー電流(IBat)が所定の閾値を上回ると解除モード(Z2)から短絡モード(Z3)に切り替えられる、ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１から３までのいずれか一項記載の方法において、
前記電気機械(1)は、所定の時間閾値を上回り、かつ電圧値、とりわけ中間回路電圧(Uzk)が所定の閾値を上回ると解除モード(Z2)から短絡モード(Z3)に切り替えられる、ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１から３までのいずれか一項記載の方法において、
前記電気機械(1)は、所定の時間閾値を上回り、かつ回転数(n)が所定の閾値を上回ると解除モード(Z2)から短絡モード(Z3)に切り替えられる、ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、
前記閾値は、最大回転数の約50%である、ことを特徴とする方法。
【請求項８】
パルスインバータ(2)を備える電気機械(1)を障害時に遮断するための装置において、
制御装置(6)が設けられており、該制御装置はパルスインバータ(2)を障害時に、該パルスインバータ(2)がまず、すべてのスイッチ(3a-3f)が開放されている解除モード(Z2)に切り替えられ、続いて、高電位と接続されたスイッチ(3a-3c)が開放されており、低電位(U0)と接続されたスイッチ(3d-3f)が閉成されている短絡モード(Z3)に切り替えられるように制御する、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念による、パルスインバータを備える電気機械を障害時に遮断するための方法、ならびに請求項８の上位概念による相応の装置に関する。
【０００２】
パルスインバータを備える電気機械は例えばハイブリッド車両に使用され、ここでこの電気機械はモータモードまたは発電機モードで選択的に作動される。モータモードでこの電気機械は、内燃機関を例えば加速フェーズで支援する付加的な駆動トルクを形成し、発電機モードでこの電気機械は電気エネルギーを形成し、この電気エネルギーはエネルギー蓄積器、例えばバッテリーまたはスーパーキャパシタに蓄積される。電気機械の動作形式の出力はパルスインバータによって調整される。
【０００３】
公知のパルスインバータ(PWR)は直列のスイッチを有し、これらのスイッチにより電気機械の個々の相(U,V,W)が選択的に、高い電位、いわゆる中間回路電圧に、または低い基準電位、とりわけアースに接続される。これらのスイッチは外部の制御装置により制御される。この制御装置は運転者希望(加速ないし減速)に依存して、目標動作点を電気機械に対して計算する。パルスインバータはこの制御装置と接続されており、この制御装置から相応の動作データないし制御命令を受け取る。
【０００４】
例えば過度に高いバッテリー電流または過度に高い供給電流によって発生し得る障害の場合、パルスインバータは安全な状態に切り替えられ、電気コンポーネントの生じ得る損傷を阻止する。従来技術から実質的に2つの異なる遮断方法が公知であり、これらは択一的に適用される：第1の方法では、低電位と接続されたスイッチ(ローサイドスイッチ)すべてが閉成され、高電位と接続されたスイッチ(ハイサイドスイッチ)すべてが開放される。この動作形式は、短絡モードとも称される。別の遮断方法では、パルスインバータのすべてのスイッチが開放される。この動作形式は、解除モードとも称される。
【０００５】
公知の遮断方法は基本的に、エネルギー蓄積器ないしはこれに接続された電気構成部材の保護には適するが、いくつかの欠点を有する。例えば相電流が、短絡モードへの切り替え後に短時間(1〜1.5半波)上昇することがある。したがって短絡モードに対するトリガ閾値を相応に低く調整しなければならない。さらに短絡モードへの切り替えは機械トルクを跳躍的に変化させ、この変化は車両特性に障害的に作用し得る。さらに短絡モードでは、電気機械に甚だしい損失電力が形成され、これは過熱につながることがある。これに対して解除モードはとりわけ、中間回路電圧が解除モードへの切り替え後に50Vまたはそれ以上に上昇し得るという欠点を有する。このことによりエネルギー蓄積器および他の電気構成部材が過充電され、ないしは損傷し得る。
【０００６】
したがって本発明の課題は、後からの電流上昇または電圧上昇に関連する副作用が小さく、機械トルクに及ぼす影響も小さく、そして電気機械の発熱も小さい、電気機械の遮断方法を提供することである。そしてこの方法はできるだけ簡単で安価に実現可能であるべきである。
【０００７】
本発明によればこの課題は、請求項１および請求項８に記載の特徴によって解決される。本発明の他の実施形態は従属請求項の対象である。
【０００８】
本発明の重要な側面は、2つの公知の遮断動作形式をシーケンシャルに使用し、電気機械をまず解除モードに切り替え、続いて短絡モードに切り替えることである。解除モードが十分に短く、比較的高速に短絡モードに切り替えられれば、解除モードと結び付いた負の作用を制限することができる。さらに短絡モードと結び付いた作用は格段にわずかな程度しか発生しない。したがって解除モードと短絡モードをシーケンシャルに連結することの重大な利点は、前記の欠点を格段に低減でき、または完全に除去できることである。
【０００９】
解除モードから短絡モードへの切り替えは、有利には所定の時間閾値後に行われる。この時間閾値は有利にはそれぞれの適用に適合され、例えば10msとすることができる。時間閾値の設定は簡単かつ安価に、例えば時限素子によって実現することができる。
【００１０】
前記の時間基準は選択的に1つまたは複数の付加的基準と、とりわけエネルギー蓄積器または電気機械の電流状態および/または電圧状態と結び付けることができる。このことによって、パルスインバータが比較的長い時間、解除モードに留まり、クリティカルな電流状態および/または電圧状態に、電気機械またはそれに接続された電源網で達したときに初めて解除モードから短絡モードへ切り替えられる。
【００１１】
本発明の第1実施形態によれば、解除モードから短絡モードへの移行は、時間基準が満たされ、付加的に電流値、例えばバッテリー電流が所定の閾値を上回るときに行われる。したがって短絡モードへの切り替えは、バッテリー(充電)電流がクリティカルな値に達したときだけ行われる。
【００１２】
本発明の第2実施形態によれば、短絡モードへの切り替えは、前記の時間基準が満たされ、電圧値、例えば中間回路電圧が所定の閾値を上回るときに行われる。このことにより、電圧に脆弱な構成部材の損傷が阻止できる。前記の電流または電圧の測定のために、適切な電流センサないしは電圧センサが設けられる。これらのセンサは制御装置に組み込むことができる。
【００１３】
本発明の第3実施形態によれば、短絡モードへの切り替えは、前記の時間基準が満たされ、電気機械の回転数が所定の閾値を上回るときに行われる。冒頭に述べた用に、解除モードはとりわけ回転数が高い場合にクリティカルである。なぜならこの場合、相応に高い電圧が電気機械により形成され、この電圧がバッテリーないしはエネルギー蓄積器を損傷することがあるからである。回転数の閾値は有利には、電気機械の最大回転数の約50%である。前記の回転数を測定するために有利には、適切な回転数センサが設けられている。
【００１４】
以下に、添付図面に基づいて本発明の実施例をより詳細に説明する。図面
図１は、パルスインバータを備える3相電気機械の概略図である。
図２は、障害の場合の電気機械の種々の動作状態の状態線図である。
図３は、回転数に依存して短絡モードに切り替える例を示す図である。
【００１５】
図１は、電気機械1と、これに接続されたパルスインバータ2の概略図である。パルスインバータ(PWR)2は複数のスイッチ3a-3fを有し、これらのスイッチは電気機械1の個々の相U,V,Wと接続されており、相U,V,Wは高い供給電位(バッテリー電圧UBat)または低い基準電位(アース)に接続される。高い供給電位UBatと接続されたスイッチ3a-3cはここで「ハイサイドスイッチ」と、アースと接続されたスイッチ3d-3fは「ローサイドスイッチ」と称される。パルスインバータ2はさらに複数のフリーホイールダイオード4a-4fを有し、これらのフリーホイールダイオードは6極整流ブリッジ回路の形態に配置されている。ここでそれぞれのダイオード4a-4fは、スイッチ3a-3fの1つに並列に配置されている。
【００１６】
PWR2は電気機械1の出力と動作形式を定め、制御装置6により相応に制御される。したがって電気機械1は選択的に、モータモードまたは発電機モードで運転することができる。モータモードで電気機械は、内燃機関を例えば加速フェーズで支援する付加的な駆動トルクを形成する。これに対して発電機モードでは、機械的エネルギーが電気エネルギーに変換され、エネルギー蓄積器、ここではバッテリー5に蓄積される。
【００１７】
パルスインバータ2に並列に、いわゆる中間回路コンデンサCが配置されている。この中間回路コンデンサは実質的にバッテリー電圧UBatを安定させるために用いられる。
【００１８】
図２は、電気機械1を遮断する際の種々の動作状態の状態線図である。ここで状態Z1は正規(通常)動作を、状態Z2は解除モードを、状態Z3は短絡モードを示す。例えば過度に高い電流値または電圧値、または過度に高い温度に起因するシステムの障害の場合、パルスインバータ2は、制御装置6によりトリガされ自動的に解除モードZ2に切り替わり、電気機械1または電圧に脆弱な構成部材の損傷を回避する。
【００１９】
ここで切り替え条件はB12により示されており、適用に応じて任意に選択することができる。解除モードZ2では、すべてのスイッチ3a-3fが開放される。切り替え条件B12は通常、電圧、電流または温度の関数として定式化されている。必要な電流値、電圧値、または温度値を測定するために、相応のセンサ(例えば制御装置6に組み込まれて)が設けられている。
【００２０】
条件B23が発生すると、電気機械1ないしはパルスインバータ2は自動的に解除モード(Z2)から短絡モード(Z3)に切り替わる。短絡モード(Z3)への切り替えのために種々の条件B23を定式化することができる。切り替え条件B23は、とりわけバッテリー5の損傷が回避されるように選択すべきである。
【００２１】
第1の手段は、例えば純粋に時間条件を設定することである。この場合、短絡モードZ3への切り替えは、解除モードZ2の持続時間が所定の時間閾値、例えば10msを上回ると行われる。この実現はとりわけ簡単である。短絡モードZ3への切り替えは有利には持続時間tの後に行われる。ただし：
t=L K Imax / [Uzk + R Imax K]
ここでは次のことが当てはまる：
t=値ゼロに線形化された減衰時間、
L/R  インダクタンス/抵抗(巻線、星形回路)
Imax=遮断前の最大供給電流
K=係数(値1.5 ... 2.0)
Uzk＝中間回路電圧。
【００２２】
第2の手段は、前記の時間条件が満たされ、かつバッテリー充電電流(発電機)が所定の閾値、例えば20Aより大きいときに短絡モードZ3に切り替えることである。この場合、バッテリー充電電流がクリティカルな値に達したときに短絡モードへ切り替えられる。
【００２３】
第３の手段は、前記の時間条件が満たされ、かつ中間回路電圧Uzkが所定の閾値を上回るときにパルスインバータ2を短絡モードに切り替えることである。このようにしてこの場合、PWR2の損傷を阻止することができる。
【００２４】
第4の手段は、電気機械1の回転数nが所定の閾値を上回るときにパルスインバータ2を短絡モードに切り替えることである。この閾値は、最大回転数の約50%である。
【００２５】
制御装置6は、実現された方法に対して必要なパラメータ（電圧および/または電流および/または温度および/または回転数）を読み出し、処理するアルゴリズムを含む。制御装置は有利には少なくとも1つのタイマを有し、このタイマにより前記の時間条件が検査される。ここでアルゴリズムは前記のように動作する。障害が検出されると、すなわち条件B12が満たされると、制御装置6は制御信号AをPWR2に対して形成し、この制御信号によりPWR2はまず解除モードに切り替えられる。次に条件B23が発生すると、制御装置6は制御信号AをPWR2に対して形成し、この制御信号によりPWR2はまず端らモードZ3に切り替えられる。
【００２６】
図３は、解除モードZ2から短絡モードZ3への切り替えを、電気機械1の回転数n（ないしは回転数に比例する数）に依存して示す。図から分かるように、電気機械1はまず回転数nの上昇する正規動作状態にある。時点t0で、条件B12を満たす障害が発生する。パルスインバータ2は解除モードZ2に切り替えられる。10msの時間閾値には、時点t0の直ぐ後に達する。電気機械1の回転数nはその後さらに上昇し、3,000 min-1に達する。時点t1で条件B23が満たされる(t>10ms、かつn>3,000 min-1)。したがってこのシステムは短絡モードZ3に切り替わる。リターン条件B21とB31がここでは設定されているが、処理しなくても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、パルスインバータを備える3相電気機械の概略図である。
【図２】図２は、障害の場合の電気機械の種々の動作状態の状態線図である。
【図３】図３は、回転数に依存して短絡モードに切り替える例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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