用于电驱动系统的保护装置、电驱动系统和用于运行电驱动系统的方法与流程

本发明涉及用于电驱动系统的保护装置、电驱动系统和用于运行电驱动系统的方法。

背景技术：

混合动力车辆或电动车辆的电驱动器包括电机、像比如永久励磁的同步机或异步机。这种驱动系统的电机可以借助脉冲逆变器（pulswechselrichters）供以交流电压。在此，在驱动系统内的故障状态下必需的是能够在逆变器内设置安全状态。这种安全状态可以例如包括有源短路，在有源短路中，电机的各个相通过逆变器短路。空转例如是另一种安全的状态。在此，逆变器的所有开关元件被打开。电流在此仅能通过空转二极管流动，所述空转二极管平行于逆变器的开关元件设置。

文献de102011081173a1公开了一种用于逆变器的运行状态电路和一种用于设置逆变器的运行状态的方法。在此尤其规定，根据电机的已求取的转速要么切换到空转状态中，要么切换到有源短路中。

技术实现要素：

本发明公开了具有权利要求1的特征的用于电驱动系统的保护装置、具有权利要求5的特征的电驱动系统和具有权利要求8的特征的用于运行电驱动系统的方法。

因此设置：一种用于电驱动系统的保护装置。电驱动系统包括变流器。变流器在输入侧与中间电路电容器连接。此外，变流器在输出侧与电机连接。保护装置包括电压传感器和控制机构。电压传感器设立用于，检测在中间电路电容器上的电压。控制机构设立用于，交替地在第一空间矢量的基础上为变流器提供第一操控信号，并且在第二空间矢量的基础上为变流器提供第二操控信号。在通过电压传感器检测到在中间电路电容器上的超过预先确定的第一阈值的电压后交替地提供第一和第二操控信号。

此外设置：一种电驱动系统，其具有中间电路电容器、电机、变流器和按本发明的保护装置。变流器在输入侧与中间电路电容器电联接。此外，变流器在输出侧与电机联接。

还设置：一种用于运行电驱动系统的方法。电驱动系统包括变流器。变流器在输入侧与中间电路电容器连接。此外，变流器在输出侧与电机连接。所述方法包括用于检测在中间电路电容器上的电压的步骤。此外，所述方法包括用于在所检测到的在中间电路电容器上的电压低于预先确定的第一阈值之后在第一空间矢量和第二空间矢量的基础上交替地操控变流器的步骤。

在第一空间矢量的基础上操控变流器和在第二空间矢量的基础上操控变流器的步骤尤其可以重复，直至满足了预先确定的中断条件。这个中断条件例如可以包括低于电流或低于在电驱动系统中的预先确定的电压。

本发明基于这样的认识，即，在过渡到安全的运行状态时、像比如过渡到有源短路或空转时，在电驱动系统中可能伴随旋转的电机出现了高负荷。因此可能例如在变换到有源短路时出现了高电流，所述高电流由电机输出。此外，可能在设置空转运行时出现高电压，所述高电压可以经由空转二极管在驱动系统的逆变器中给中间电路电容器充电。如果这些馈入到中间电路电容器中的电能不能被减少，因为例如所连接的电池与驱动系统分离，那么在中间电路电容器上产生了高电压，所述高电压可能导致电驱动系统中的结构元件损坏或有时损毁。

本发明因此基于这样的想法，即，考虑所述认识并且为电驱动系统提供保护。由此可以使驱动系统中的电能减少，而不会在此出现导致电驱动系统中的结构元件损坏或损毁的高电流或电压。为此规定，监控在中间电路电容器上的电压。如果在中间电路电容器上的电压超过预先给定的极限值，那么紧接着在电驱动系统中在马达式的和发电式的运行状态之间来回变换，直至在电驱动系统中的能量被减小至不再出现危险的高电压和/或电流。

在电驱动系统中的变流器的操控可以例如在使用所谓的空间矢量的情况下进行。借助预先给定的空间矢量可以在此实施所谓的空间矢量调制（英文：spacevectormodulation，svm）。借助空间矢量调制能够在脉宽调制的基础上操控所连接的电机。电驱动系统的变流器因此尤其能够是这样的变流器，其借助空间矢量调制实施相应的脉宽调制以便为所连接的电机提供交流电压。

因为在预先给定的空间矢量基础上也进行在电驱动系统内的电能的减小，所以可以在中间电路上的过压时实现特别简单的操控。尤其可以通过合适的空间矢量特别简单地在马达式的运行模式和发电式的运行模式之间来回变换。在这两种运行模式之间的快速变换在此可以基于在驱动系统的构件中的损失实现了能量的可靠的降低，而不会在此出现可能导致构件损坏的高电压和/或电流。

在此基于在中间电路电容器上的电压进行在驱动系统内为了降低电能而在马达式的运行模式和发电式的运行模式之间的相应的变换。通过监控中间电路电压能可靠地防止中间电路的过压到一个危险的水平。此外，监控中间电路电压为按本发明的操控提供了极为简单和有效的基础（ausgangsbasis）。

也可以尤其在变流器的常规的调节之外进行中间电路电压的监控以及必要的空间矢量的预先给定。以这种方式可以独立于变流器的调节地进行操控用于保护电驱动系统。由此当变流器的调节具有故障时就确保了对电驱动系统本身的保护。

用于在预先给定的空间矢量的基础上操控变流器的预先给定备选也可以在变流器的调节内实施。这实现了一种用于保护电驱动系统的特别紧凑和利于价格的结构。

按照一种实施方式，保护装置的控制机构设立用于，为预先确定的第一持续时间提供第一控制信号以及为预先确定的第二持续时间提供第二控制信号。预先给定的第一和第二持续时间能够例如作为固定的数值或者作为在第一和第二持续时间之间的比例加以详细说明。以这种方式可以极为简单地达到在马达式的和发电式的运行模式之间变换。

按照一种实施方式，控制机构被设置用于，在中间电路电容器上的电压超过预先确定的第一阈值后，提供第一控制信号，并且在中间电路电容器上的电压低于预先确定的第二阈值后，提供第二控制信号。由此在马达式的和发电式的运行模式之间的每一次变换可以分别在合适的时间点上进行。

按照一种实施方式，用于电驱动系统的保护装置的控制机构被设立用于，调整预先确定的第一阈值和/或预先确定的第二阈值。尤其可以在通过电压传感器第一次探测到在中间电路电容器上的电压超过初始的预先确定的第一阈值后，调整第一和/或第二阈值。以这种方式尤其可以在第一次超过预先确定的第一阈值后和因此开始能量减少后，在进一步走势中降低预先确定的第一阈值和预先确定的第二阈值。预先确定的第一和/或第二阈值尤其可以降低，直至达到预先给定的中断标准。这种中断标准可以例如包括在电驱动系统内低于一电压和/或低于一电流。以这种方式可以通过在电驱动系统上的发电式的运行和马达式的运行之间的变换逐渐降低在中间电路电容器上的电压，直至达到预先给定的中断标准。

按照一种实施方式，控制机构设立用于，从大量预先确定的空间矢量中选出第一空间矢量和/或第二空间矢量。空间矢量的预先给定与电机的转动频率无关地实现空间矢量的特别简单和可靠的选择。第一空间矢量和/或第二空间矢量尤其可以在预先给定的表格或预先给定的逻辑关系的基础上加以确定。空间矢量在此尤其可以在电驱动系统中的当前的电流矢量的基础上、也就是说在变流器和电机之间的相中的电流矢量的基础上求取。

按照一种实施方式，控制机构设立用于，在电驱动系统中探测到预先给定的中断条件之后，在变流器中设置安全的运行模式。安全的运行模式可以例如包括空转运行或有源短路。中断条件可以例如包括低于在变流器和电机之间的相中的电流。中断标准尤其可以包括低于所有相电流的数值的总和。此外，中断标准可以例如包括低于电压、特别是在中间电路电容器上的电压。

按照电驱动系统的一种实施方式，驱动系统包括断路开关。断路开关在输出侧与中间电路电容器联接。此外，断路开关在输入侧能与电能量源、例如与电池连接。这种断路开关因此可以中断在能量源和中间电路电容器之间的电连接。在这种中断后，就无法继续将在电机的发电机运行中馈入到中间电路电容器中的电能继续朝着能量源、例如电池的方向导出。在这种情况下，控制机构可以设立用于，如果在中间电路电容器和所连接的能量源之间的电连接中断时，就为变流器提供第一操控信号和第二操控信号。这种中断可以例如在断路开关的开关状态的基础上探测到。

按照电驱动系统的一种实施方式，电机包括转场式电机。电机可以例如包括异步机。电驱动系统的电机备选也包括同步机、特别是永久励磁的同步机。

按照用于运行电驱动系统的方法的一种实施方式，所述方法包括用于调整预先确定的第一阈值和/或必要时预先确定的第二阈值的步骤。尤其可以在第一空间矢量和/或第二空间矢量的基础上在操控变流器期间调整预先确定的第一阈值和/或预先确定的第二阈值。

按照一种实施方式，所述方法包括用于确定至少一个第一空间矢量的步骤。这样确定的第一空间矢量在此设立用于，在马达式的运行中操控电机。例如可以确定一空间矢量作为第一空间矢量，其尽可能与当前的电流矢量相反。

按照一种实施方式，所述方法包括用于确定至少一个第二空间矢量的方法。第二空间矢量在此设立用于，在发电机运行中操控电机。因此在发电机运行中进行对电驱动系统中的中间电路电容器的充电。尤其可以选择一空间矢量作为第二空间矢量，其超前当前的电流矢量。

上述设计方案和扩展方案只要合理的话可以彼此任意组合。本发明的另外的设计方案、扩展方案和实施方案也包括本发明的在之前或在下文中关于实施例加以描述的特征的未明确提到的组合。对本领域技术人员来说在此尤其也补充单个方面作为对本发明的相应的基本形式的改进或补充。

附图说明

接下来借助在示意性附图中说明的实施例详细阐释本发明。附图中：

图1是按照一种实施方式具有保护装置的电驱动系统的示意图；

图2是按照一种实施方式针对中间电路电压的走势的电压-时间图表的示意图；

图3是按照另一种实施方式针对中间电路电压的走势的电压-时间图表的示意图；

图4是按照一种实施方式用于阐释空间矢量的选择的示意图；以及

图5是以按照一种实施方式的方法为基础的流程图的示意图。

具体实施方式

图1是按照一种实施方式的电驱动系统的示意图。电驱动系统包括与变流器4电联接的电机5。电机5可以例如是转场式电机（drehfeldmaschine）。电机5尤其可以是同步机，例如永久励磁的同步机。异步机例如也能备选作为电机5。在此示出的电机5的三个相的数量在此仅为了更好的理解。此外，电机5也可以具有任意其它数量的相，例如六个相。

变流器4可以在输入侧由电能量源2，例如直流电压源、像比如电动车辆或混动车辆的牵引电池馈给。在此，可以在电能量源2和变流器4之间例如设置断路开关（trennschalter）3。借助断路开关3可以闭合或中断在电能量源2和变流器4之间的电连接。尤其在故障情况下可以例如借助断路开关3中断在电能量源2和变流器4之间的电连接，因而在故障情况下不可能有电能量源2的进一步的电能馈入到变流器4中。断路开关3可以尤其也包括例如过电流保护装置（überstromschutzvorrichtung）或类似物。

为了稳定在输入侧在变流器4上提供的直流电压，可以在变流器4的输入端上设置中间电路电容器（zwischenkreiskondensator）6。该中间电路电容器6例如处在断路开关3和变流器4的输入端之间。

在马达式（motorisch）的运行模式中，在电驱动系统中由电能量源2在变流器4的输入端上提供直流电压。变流器4将这种直流电压转化成合适的其它电压并且在电机5上提供这种转化的电压。变流器4例如可以将直流电压转化成单相或多相交流电压，以便由此在电机5上调整预先给定的转矩m或其它额定值预先给定。为此，可以例如在调节机构7上提供有待调整的转矩m或其它额定值预先给定。调节机构7因此基于转矩m或额定值预先给定以及必要时电驱动系统的另外的参数确定用于操控变流器4的必要的操控信号。

变流器4可以例如涉及带所谓的b6桥的逆变器（wechselrichter）。逆变器4可以例如针对电机5的每一个相具有上半导体开关和下半导体开关。在此，分别在正输入电压的接头和电机5的相接头之间设置上半导体开关。此外，分别在负输入电压的接头和电机5的相接头之间设置下半导体开关。还可以平行于每个半导体开关地设置所谓的空转二极管。调节机构7为了电机5的运行而基于转矩m或额定值预先给定求取用于变流器4中的相应的半导体开关的合适的操控信号。

用于在变流器4中的半导体开关的操控信号在此可以例如借助所谓的空间矢量调制求取。尤其在此可以使用常规的和公知的方法，所述方法基于预先给定的空间矢量实施脉宽调制。

此外，电驱动系统也可以在发电机运行中运行。在此可以将电机5的旋转能转化成电能。电机5的电能因此馈入到变流器4中，该变流器将电机5的交流电压转化成直流电压并且在电能量源2上提供整流（gleichgerichtete）后的电压。

如果在电驱动系统的运行期间中断在电能量源2和变流器4之间的电连接，那么电机5接着能作为发电机在相接头上输出电压。如果在变流器4中的上开关元件或下开关元件因此闭合（例如为了设置有源短路），那么高的、瞬时的和静态电流通过变流器4的开关元件流到相接头内。这在有时可能导致变流器4中的结构元件损坏或损毁。但如果变流器4的开关元件被打开（例如为了设置空转模式），那么电能则可以从电机5经由空转二极管平行于变流器4中的开关元件地流到变流器4的输入端上的中间电路电容器6内并且因此给中间电路电容器6充电。但因为在电能量源2和带中间电路电容器6的变流器4的输入端之间的电连接被中断，就没有电能可以从中间电路电容器6导出。因此在中间电路电容器6上的电压极为快速地上升。这种快速的电压上升有时导致在电驱动系统中的、特别是变流器4中的结构元件损坏或损毁。

为了避免在中间电路电容器6上的高的电压峰值，通过保护装置1的电压传感器11监控在中间电路电容器6上的电压。如果通过电压传感器11探测到了超过预先给定的初始的上极限值的电压，那么通过保护装置1的控制机构12在变流器4中设置（einstellen）马达式的运行模式。马达式的运行模式在此指的是这样一种运行模式，在该运行模式中，变流器4将电能馈入到电机5中。馈入到电机5中的电能在此被从中间电路电容器6中提取。因此结果是在中间电路电容器6上的电压下降。

如果在进一步的走势中通过保护装置1的电压传感器11探测到，在中间电路电容器6上的电压低于初始的下极限值，那么结束这种马达式的运行模式并且在变流器4中设置发电式的运行模式。在此，作为发电式的运行模式，指的是这样一种运行模式，在该运行模式中，电机5作为发电机工作并且在此将来自电机5旋转的能量转化成电能。电能在此通过变流器4被转化成直流电压并且又馈入到中间电路电容器6中。因此结果是在中间电路电容器6上的电压再次上升（ansteigen）。

备选也可能的是，为马达式的运行模式和发电式的运行模式分别设置预先给定的时间段。例如可以首先为预先给定的第一时间段设置马达式的运行模式。在第一时间段结束后，因此可以为预先给定的第二时间段设置发电式的运行模式。为此可以例如预先给定第一时间段和第二时间段作为固定的时间段。备选也可能的是，预先给定在第一时间段和第二时间段之间的（相对的）比例。如果在此例如在其它的系统参数的基础上使第一时间段或第二时间段变化，那么因此也分别在预先给定的比例的基础上调整其它的时间段。在此也可能的是，改变在两个时间段之间的比例的预先给定或者改变具体预先给定的第一和第二时间段。例如第一和第二时间段或者两个时间段的比例可以在考虑到在中间电路电容器6上的电压走势或其它的系统参数的情况下进行调整。

在马达式的运行模式和发电式的运行模式之间的变换（wechsel）在此可以任意经常性重复。基于在结构元件中、特别是在变流器4中的电损失，在此将电能转化成热。因此可以逐渐将电机5的旋转能转化成热能。通过有控制地在发电式的运行模式和马达式的运行模式之间的变换，在此可以保证，在电驱动系统中的电压和电流始终处在预先给定的极限值之下并且因此不会引起在电驱动系统中的结构元件的损坏。

图2示出了按照一种实施方式针对在中间电路电容器6上的电压走势的电压-时间图表的示意图。

针对通过电压传感器11在中间电路电容器6上探测到的电压的上极限值umax（在超过该上极限值时，通过保护装置1的控制机构12设置马达式的运行模式），在此可以在运行期间、特别是在第一次超过初始的上极限值之后被修正（modifiziert）。例如针对在中间电路电容器6上的电压的上极限值umax可以在第一次响应之后被逐渐降低。与此类似，下极限值umin也可以（在低于该下极限值时从马达式的运行模式变换到发电式的运行模式）同样被修正、特别是被降低。为此任意用于调整、尤其用于降低上极限值umax和下极限值umin的方法都是可行的。例如可以将所述调整定义为是关于时间的函数、关于在变流器4和电机5之间的相中的相电流的函数或任意其它的参数的函数。此外也可能的是，在每一次超过或低于上极限值umax或下极限值umin时，相应的极限值都降低了一预先给定的值。此外，任意另外的用于调整上极限值和下极限值umax和umin的方法也是可行的。

在此可以执行在发电式的运行模式和马达式的运行模式之间的变换直至达到预先给定的中断标准。达到中间电路电容器6上的预先给定的最小电压可以例如作为中断标准。可以例如执行在发电式的运行模式和马达式的运行模式之间的变换，直至达到例如60伏、45伏、30伏或任意其它数值的预先给定的电压。此外也可能的是，将其它电的参量、例如在变流器4和电机5之间的相中的相电流评估为中断标准。因此可以例如执行在发电式的运行模式和马达式的运行模式之间的变换，直至相电流的总和低于预先给定的最小的电流极限值。

在变流器4中设置发电式的运行模式或马达式的运行模式在此可以与对电驱动系统的常规的操控类似地同样基于预先给定的空间矢量完成。因此可以例如分别为了操控而求取用于发电式的运行模式的空间矢量和用于马达式的运行模式的空间矢量。在此，能借助任意合适的方法确定适用于此的空间矢量。尤其可以例如从在变流器4和所连接的电机5的相接头之间的电流（相电流）中求取空间矢量。为此可以评估各个相电流的符号和/或相互比较各个相电流的大小。

图3是按照一个实施例的用于变流器4的备选的操控的示意图。在此，变流器4基于第一空间矢量首先针对预先确定的第一时间段t1被操控并且紧接着基于第二空间矢量针对预先确定的第二时间段t2被操控。第一时间段t1和第二时间段t2在此可以固定地预先给定。第一和第二时间段备选也可以基于在中间电路电容器6上的电压走势或其它系统参数加以调整。尤其也可能的是，预先给定或设置（einstellen）在第一时间段t1和第二时间段t2之间的比例。

图4是按照一种实施方式的用于确定空间矢量的示意图。空间矢量可以例如在定子固定的α-β坐标系统中求取。可能的空间矢量用i至vi标出。当前的电流矢量通过附图标记i示出。在此可以选择称为“放电矢量”的矢量d作为用于在马达式的运行模式中对中间电路电容器6放电的空间矢量，该空间矢量与当前的电流矢量尽可能正好180°对置。为了在发电式的运行模式中对中间电路电容器6充电，可以例如选择空间矢量c，该空间矢量可以称为所谓的“充电矢量”并且先于当前的电流矢量一矢量。为了选择合适的空间矢量，为此可能例如足够的是，分别观察当前的电流矢量所在的区域（sektor）。

电驱动系统的保护装置1在此可以例如集成在用于产生在变流器4中的开关元件的操控信号的调节机构7中。

在一种备选的实施方式中，用于电驱动系统的保护装置1也可以设立成与调节机构7分离。在此，借助电压传感器11完成对中间电路电容器6上的电压的检测以及独立于调节机构7地在控制机构12中产生操控信号。以这种方式一方面能保证，当在调节机构7中出现故障时，也能确保对电驱动系统的保护。此外，单独的保护装置1实现了特别快速的响应，因而在中间电路电容器6上的电压提高（überhöhung）时，保护装置1能特别快速地响应。为此，保护装置1并且特别是控制机构12例如能借助相对简单的电路实现。保护装置1和特别是控制机构12例如可以借助可编程逻辑开关电路（plc）实现。在此尤其是，有待选择的用于发电式的运行模式和马达式的运行模式的空间矢量能以合适的方式作为计算规则（rechenvorschrift）或以表格的形式储存（abgelegt）。以这种方式能极为快速地实现保护装置1的响应。

图5是以按照一种实施方式的方法为基础的流程图的示意图，所述方法用于运行电驱动系统。用于这种方法的电驱动系统可以尤其是之前所描述的由电机5、变流器4、中间电路电容器6和电蓄能器2构成的电驱动系统。在步骤s1中，检测在中间电路电容器6上的电压。在步骤s2中，在所检测到的在中间电路电容器6上的电压超过预先确定的第一阈值umax后，基于第一空间矢量来操控变流器4。进行所述操控，直至所检测到的在中间电路电容器6上的电压低于预先确定的第二阈值umin。紧接着可以在步骤s3中基于第二空间矢量来操控变流器4。第一空间矢量在此如已经在之前描述的那样能够是这样的空间矢量，该空间矢量在电驱动系统中设置马达式的运行模式。与此类似，第二空间矢量可以是这样的空间矢量，该空间矢量在电驱动系统中设置发电式的运行模式。

备选也可能的是，分别针对预先确定的时间段交替地（abwechselnd）在步骤s2中基于第一空间矢量操控变流器4并且在步骤s3中基于第二空间矢量操控变流器。

用于在第一空间矢量或第二空间矢量的基础上操控变流器的步骤s2和s3在此可以交替地重复，直至达到预先给定的中断标准。

如之前已经描述的那样，用于在第一空间矢量的基础上设置马达式的运行模式的第一阈值和/或用于在第二空间矢量的基础上设置发电式的运行模式的第二阈值在步骤s2和s3中操控变流器期间能被调整和特别是降低。

通过之前所描述的在马达式的运行模式中或发电式的运行模式中的交替的操控，储存在电驱动系统中的能量可以逐渐转化成热能。以这种方式可以一方面减少电机5的旋转能。此外，以这种方式也可以将有时已充电的中间电路电容器6放电，直至在中间电路电容器6上的电压达到不危险的电压大小。

在电驱动系统中的电能通过之前所描述的在发电式的运行模式和马达式的运行模式之间的变换被减少直至达到预先给定的中断标准之后，那么紧接着可以在电驱动系统中设置所谓的安全的运行模式。安全的运行模式可以例如是所谓的空转。在空转中，在变流器4中的所有的开关元件被打开。所谓的有源短路备选也能作为安全的运行模式，在有源短路中，要么变流器4的上开关元件要么下开关元件均闭合，因而电机5的相接头短路。

概括而言，本发明涉及电驱动系统的保护。如果在电驱动系统的变流器的输入端上在中间电路上出现了过压（spannungsüberhöhung），那么为了减少在电驱动系统中过压而在马达式的运行模式和发电式的运行模式之间来回变换，以便减小中间电路电容器的电能。可以为马达式的运行模式和发电式的运行模式分别预先给定合适的空间矢量。这实现了用于减小在电驱动系统中的电能的特别简单和快速的操控。