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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion
und Lokalisierung von Fehlern in einem Umrichter und/oder einer
elektrischen Maschine eines elektrischen Antriebs.
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In
Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellen-Fahrzeugen mit einem elektrischen
Antrieb wird ein Umrichter verwendet. Dieser ist zwischen der Fahrzeugbatterie
und dem Elektromotor des Fahrzeugs positioniert. Der Umrichter weist
beispielsweise sechs Leistungsschalter auf, die eine Drehstrombrückenschaltung
bilden. Der Umrichter dient zur Umwandlung der in der Batterie gespeicherten
Energie in die Phasenströme des Elektromotors. Die Leistungsschalter
werden von einer Steuereinheit angesteuert, um die Phasenströme
des Elektromotors in jeweils gewünschter Weise bereitzustellen.
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Aus
der
DE 298 15 331
U1 ist eine Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrzeug
bekannt, die sowohl in Fahrzeugen mit alleinigem Elektromotorantrieb
als auch in Hybridfahrzeugen mit wechselweisem bzw. parallelem Antrieb
durch einen Elektromotor bzw. durch eine Verbrennungsmaschine Verwendung
finden kann. Die bekannte Antriebsvorrichtung weist eine im Motorbetrieb
und im Generatorbetrieb sowie im Leerlaufbetrieb betreibbare permanenterregte
Synchronmaschine auf. Des Weiteren weist die bekannte Antriebsvorrichtung
eine im Motorbetrieb die Synchronmaschine speisende und im Generatorbetrieb
aus der Synchronmaschine speisbare Batterie auf. Zwischen der Batterie
und der Synchronmaschine ist ein Umrichter vorgesehen, welchem ein Zwischenkreiskondensator
parallelgeschaltet ist. Der Umrichter weist insgesamt sechs Leistungsschalter auf,
die eine Drehstrombrückenschaltung bilden. Jedem Leitungsschalter
ist eine Freilaufdiode parallelgeschaltet. Die Leistungsschalter
werden von einer Steuereinheit, die über eine Endstufe
mit den Leistungsschaltern in Verbindung steht, aktiviert und damit
geregelt getaktet bzw. inaktiviert und damit gesperrt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Detektion und Lokalisierung von Fehlern in einem Umrichter und/oder einer
elektrischen Maschine eines elektrischen Antriebs anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen und durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 10 angegebenen
Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben.
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Die
Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass mit nur
geringem Aufwand an zusätzlichen Bauteilen eine Diagnose
des Antriebs durchgeführt werden kann. Da die Versorgung
der Treiber des Umrichters bereits über eine galvanische Trennung
verfügt, bleibt bei der Überprüfung der Funktionsfähigkeit
des Antriebs die galvanische Trennung zwischen dem Hochspannungskreis
und dem Kleinspannungskreis des Antriebs erhalten.
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In
vorteilhafter Weise kann mittels der Erfindung die Funktionsfähigkeit
des Umrichters sowohl mit als auch ohne angeschlossener elektrischer
Maschine überprüft werden. Dabei kann festgestellt
werden, ob ein oder mehrere der Leistungsschalter defekt sind. Als
Defekte können jeweils ein Kurzschluss und eine beispielsweise
von einem durchschmolzenen Bonddraht verursachte Hochohmigkeit diagnostiziert
werden. Weiterhin kann ein Leiterbruch der Maschine, eine fehlende
Verbindung zur Maschine, ein Isolationsfehler und ein Fehler in
den Dioden diagnostiziert werden.
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Für
die beanspruchte Überprüfung wird eine Kleinspannung
verwendet, da bei offener Verbindung zur elektrischen Maschine ein
Einschalten der Hochspannung nicht erlaubt ist.
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Weitere
vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren
beispielhafter Erläuterung anhand der 1.
Diese zeigt ein Schaltbild, welches die zum Verständnis
der Erfindung wesentlichen Bauteile einer Vorrichtung zur Detektion
und Lokalisierung von Fehlern in einem Umrichter und/oder einer
elektrischen Maschine eines elektrischen Antriebs enthält.
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Der
dargestellte Umrichter UR enthält insgesamt sechs Leistungsschalter
Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 und Q6, die eine Drehstrombrückenschaltung
bilden. Die Leistungsschalter sind vorzugsweise in Form von MOS-Feldeffekttransistoren
realisiert, die jeweils einen Gate-Anschluss, einen Drain-Anschluss
und einen Source-Anschluss aufweisen. Sie können aber alternativ
dazu auch in Form von IGBT's realisiert werden, welche jeweils ein
Gate, einen Kollektor und einen Emitter aufweisen.
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Dem
Leistungsschalter Q1 ist eine Freilaufdiode D1, dem Leistungsschalter
Q2 eine Freilaufdiode D2, dem Leistungsschalter Q3 eine Freilaufdiode
D3, dem Leistungsschalter Q4 eine Freilaufdiode D4, dem Leistungsschalter
Q5 eine Freilaufdiode D5 und dem Leistungsschalter Q6 eine Freilaufdiode
D6 parallel geschaltet.
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Nachfolgend
wird davon ausgegangen, dass die Leistungsschalter Q1, ..., Q6 jeweils
in Form eines MOS-Feldeffekttransistors realisiert sind.
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Das
Gate G des Leistungsschalters Q1 wird von einem Treiber 7 angesteuert,
das Gate des Leistungsschalters Q2 von einem Treiber 9,
das Gate des Leistungsschalters Q3 von einem Treiber 11,
das Gate des Leistungsschalters Q4 von einem Treiber 8, das
Gate des Leistungsschalters Q5 von einem Treiber 10 und
das Gate des Leistungsschalters Q6 von einem Treiber 12.
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Die
Treiber 7, ..., 12 werden jeweils von einer Niederspannungsquelle 3,
bei der es sich beispielsweise um eine 12 V-Batterie handelt, mit
einer Versorgungsgleichspannung beaufschlagt. Dies ist in der 1 lediglich
für die Treiber 7 und 8 detaillierter dargestellt.
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Die
Spannungsversorgung des Treibers 7 erfolgt über
ein galvanisches Trennelement 4a, welches an seinem Ausgang
eine Gleichspannung DC1+, ein Bezugspotential GND1 und eine Gleichspannung
DC1– bereitstellt. Die Gleichspannungen DC1+ und DC1– werden
dem Treiber 7 zur Verfügung gestellt.
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Die
Spannungsversorgung des Treibers 8 erfolgt über
ein galvanisches Trennelement 4b, welches an seinem Ausgang
eine Gleichspannung DC2+, ein Bezugspotential GND2 und eine Gleichspannung
DC2– bereitstellt. Die Gleichspannungen DC2+ und DC2– werden
dem Treiber 8 zur Verfügung gestellt.
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Die
Leistungsschalter Q1, ..., Q6 werden von einem Steuerrechner 5 angesteuert,
welcher in der 1 in drei Teilkomponenten aufgeteilt
ist. Der Steuerrechner 5 steuert den Treiber 7 über
ein galvanisches Trennelement 4c und den Treiber 8 über
ein galvanisches Trennelement 4d an. Der Steuerrechner 5 ist
des Weiteren mit einem Fehlerspeicher 14, einer Anzeige 15 und
einer übergeordneten Steuereinheit 16 verbunden.
Die übergeordnete Steuereinheit 16 ist unter anderem
dazu vorgesehen, eine Schaltvorrichtung 2 zu betätigen, über
welche die beiden Anschlüsse einer Hochspannungsquelle 1 mit dem
Umrichter UR verbunden sind. Bei dieser Hochspannungsquelle handelt
es sich beispielsweise um eine Batterie, ein Ultra-Cap oder eine
Brennstoffzelle. Dem Umrichter UR ist des Weiteren ein Zwischenkreiskondensator
C1 parallel geschaltet.
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Der
in der 1 obere Anschluss des Zwischenkreiskondensators
C1 ist über einen ersten Spannungsteiler R9/R10 mit Masse
verbunden. Der in der 1 untere Anschluss des Zwischenkreiskondensators
C1 ist über einen zweiten Spannungs teiler R7/R8 mit Masse
verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen
R9 und R10 des ersten Spannungsteilers ist mit einem ersten Anschluss
einer Spannungsauswerteeinheit 6 verbunden. Der Verbindungspunkt
zwischen den Widerständen 7 und 8 des
zweiten Spannungsteiler ist an einen zweiten Anschluss der Spannungsauswerteeinheit 6 angeschlossen.
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Der
Steuerrechner 5 ist des Weiteren zur Ansteuerung von Schaltern
Q7, Q8, Q9, Q10, Q11 und Q12 vorgesehen. Der Steuerrechner 5 steuert
den Schalter Q7 über das galvanische Trennelement 4c und
den Schalter Q8 über das galvanische Trennelement 4d an.
Die Ansteuerung der weiteren Schalter Q9, Q10, Q11 und Q12 erfolgt
ebenfalls mittels des Steuerrechners 5 über galvanische
Trennelemente. Diese Ansteuerung der weiteren Schalter ist in der 1 nicht
dargestellt.
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Der
Schalter Q7, der in der 1 in Form eines Schalttransistors
realisiert ist, ist dem Leistungsschalter Q1 zugeordnet und zwischen
der Niederspannungsquelle 3 und dem Drain-Anschluss D des Leistungsschalters
Q1 angeordnet. Der Emitter des Schalttransistors Q7 steht mit dem
Drain-Anschluss D des Leistungsschalter Q1 über einen Ohmschen Widerstand
R1 in Verbindung. Wird der Schalter Q7 vom Steuerrechner 5 durchlässig
geschaltet, dann wird die Gleichspannung DC1+, die vorzugsweise
12 V beträgt, über den Widerstand R1 an den Drain-Anschluss
D des Leistungsschalters Q1 angelegt.
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Der
Schalter Q8, der in der 1 ebenfalls in Form eines Schalttransistors
realisiert ist, ist dem Leistungsschalter Q4 zugeordnet und zwischen
der Niederspannungsquelle 3 und dem Drain-Anschluss des
Leistungsschalters Q4 angeordnet. Der Emitter des Schalttransistors
Q8 steht mit dem Drain-Anschluss D des Leistungsschalters Q4 über
einen Ohmschen Widerstand R4 in Verbindung. Wird der Schalter Q8
vom Steuerrechner 5 durchlässig geschaltet, dann
wird die Gleichspannung DC2+, die vorzugsweise 12 V beträgt, über
den Widerstand R4 an den Drain-Anschluss D des Leistungsschalters Q4
angelegt.
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In
entsprechender Weise ist der Schalter Q9 dem Leistungsschalter Q2,
der Schalter Q10 dem Leistungsschalter Q5, der Schalter Q11 dem
Leistungsschalter Q3 und der Schalter Q12 dem Leistungsschalter
Q6 zugeordnet. Werden diese Schalter vom Steuerrechner 5 durchlässig
geschaltet, dann wird die Versorgungsspannung des jeweiligen Treibers über
den jeweiligen Schalter und einen Ohmschen Widerstand an den Drain-Anschluss
des jeweiligen Leistungsschalters angelegt.
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Der
Source-Anschluss S des Leistungsschalters Q1 und die Anode der Freilaufdiode
D1 sind über einen Schaltungsknoten KN1 mit dem Phasenanschluss
U der elektrischen Maschine 13 verbunden. Der Source-Anschluss
S des Leistungsschalters Q2 und die Annode der Freilaufdiode D2
sind über einen Schaltungsknoten KN2 an den Phasenanschluss V
der elektrischen Maschine 13 angeschlossen. Der Source-Anschluss
S des Leistungsschalters Q3 und die Anode der Freilaufdiode D3 sind über
einen Schaltungsknoten KN3 an den Phasenanschluss W der elektrischen
Maschine 13 angelegt.
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Der
in der 1 untere Anschluss des Zwischenkreiskondensators
C1, das an einem Ausgang des galvanischen Trennelementes 4b bereitgestellte Bezugspotential
GND2, der Source-Anschluss S des Leistungsschalters Q4, die Anode
der Freilaufdiode D4, der Source-Anschluss S des Leistungsschalters Q5,
die Anode der Freilaufdiode D5, der Source-Anschluss S des Leistungsschalters
Q6 und die Anode der Freilaufdiode D6 sind mit einem weiteren Schaltungsknoten
KN4 verbunden.
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Der
Schaltungsknoten KN1 ist über einen dritten Spannungsteiler
R11/R12 an Masse angelegt. Der Schaltungsknoten KN2 steht mit Masse über
einen vierten Spannungsteiler R13/R14 in Verbindung. Ein fünfter
Spannungsteiler R15/R16 ist zwischen dem Schaltungsknoten KN3 und
Masse vorgesehen.
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Der
Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R11 und R12
des dritten Spannungsteilers ist mit einem dritten Eingang der Spannungsauswerteeinheit 6 verbunden.
Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R13 und
R14 des vierten Spannungsteilers ist mit einem vierten Eingang der Spannungsauswerteeinheit 6 verbunden.
Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R15 und R16
des fünften Spannungsteilers ist mit einem fünften
Eingang der Spannungsauswerteeinheit 6 verbunden.
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Die
Drain-Anschlüsse der Leistungsschalter Q1, Q2 und Q3 stehen
mit der Spannungsauswerteeinheit 6 jeweils über
den Widerstand R9 in Verbindung, der Drain-Anschluss des Leistungsschalters Q4 über
den Widerstand R11, der Drain-Anschluss des Leistungsschalters Q5 über
den Widerstand R13 und der Drain-Anschluss des Leistungsschalters
Q6 über den Widerstand R15.
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Die
Spannungsauswerteeinheit 6 steht mit dem Steuerrechner 5 in
ständiger Verbindung oder ist integrierter Bestandteil
des Steuerrechners 5.
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Das
mit der in der 1 gezeigten Vorrichtung durchgeführte
Verfahren arbeitet wie folgt:
Zunächst wird in einem
ersten Schritt S1 vom Steuerrechner 5 der Schalter Q7 durchgeschaltet,
so dass die von der Niederspannungsquelle 3 über
das galvanische Trennelement 4a bereitgestellte Versorgungsgleichspannung über
den leitenden Schalter Q7 und den Widerstand R1 an den Drain-Anschluss
des Leistungsschalters Q1 angelegt wird. Ist der Leistungsschalter
Q1 als IGBT realisiert, dann wird die Versorgungsgleichspannung
an den Kollektoranschluss des IGBT angelegt.
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Danach
erfolgt in einem Schritt S2 ein Durchschalten des Leistungsschalters
Q1. Dies geschieht dadurch, dass der Steuerrechner 5 über
das galvanische Trennelement 4c ein Steuersignal an den
Treiber 7 ausgibt, welcher seinerseits das Gate des Leistungsschalters
Q1 ansteuert, um den Leistungsschalter Q1 in den durchlässigen
Zustand zu schalten.
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Im
nachfolgenden Schritt S3 detektiert die Spannungsauswerteeinheit 6,
die vom Steuerrechner 5 über die Durchschaltung
des Leistungsschalters Q1 informiert wird und welche über
den Widerstand R11 mit dem Source-Anschluss des Leistungsschalters
Q1 verbunden ist, die an diesem Source-Anschluss S des Leistungsschalters
Q1 anliegende Spannung.
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Danach
wertet die Spannungsauswerteeinheit 6 in einem Schritt
S4 die detektierte Spannung aus. Dabei erkennt die Spannungsauswerteeinheit 6 anhand
des detektierten Spannungspegels, ob dieser einem gewünschten
vorgegebenen Wert entspricht oder nicht. Entspricht der detektierte
Spannungswert dem gewünschten vorgegebenen Wert, dann wird
die Funktionsfähigkeit des Leistungsschalters Q1 als gegeben
angesehen.
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Im
nächsten Schritt S5 werden die vorstehend beschriebenen
Schritte S1 bis S4 für die weiteren Leistungsschalter Q2,
Q3, Q4, Q5 und Q6 wiederholt, um auch deren Funktionsfähigkeit
zu überprüfen.
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Alle
vorgenannten Schritte werden zunächst in einem ersten Durchlauf
durchgeführt, bei welchem die Hochspannungsquelle 1 vom
Umrichter UR abgetrennt ist und bei welchem die elektrische Maschine 13 mit
dem Umrichter UR verbunden ist.
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Wird
bei diesem ersten Durchlauf ein Fehler detektiert, dann kann dieser
Fehler auf einer Funktionsunfähigkeit eines Leistungsschalters
beruhen oder aber auch auf einen Defekt der elektrischen Maschine
zurückzuführen sein.
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Um
zu lokalisieren, ob der Fehler auf einer Funktionsunfähigkeit
eines Leistungsschalters beruht oder auf einen Defekt der elektrischen
Maschine zurückzuführen ist, wird nach dem ersten
Durchlauf ein zweiter Durchlauf vorgenommen, bei welchem die oben
genannten Schritte S1 bis S5 bei vom Umrichter abgetrennter elektrischer
Maschine wiederholt werden. Ergibt sich aus diesem zweiten Durchlauf, dass
der Fehler nach wie vor vorliegt, dann kommt die Spannungsauswerteeinheit 6 bzw. der
Steuerrechner 5 zu dem Ergebnis, dass eine Funktionsunfähigkeit
eines oder mehrerer Leistungsschalter vorliegt. Ergibt sich aus
dem zweiten Durchlauf hingegen, dass der Fehler nicht mehr vorliegt,
dann kommt die Spannungsauswerteeinheit 6 bzw. der Steuerrechner 5 zu
dem Ergebnis, dass ein Defekt der elektrischen Maschine vorliegt.
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Die
erhaltenen Auswertungsergebnisse werden in vorteilhafter Weise im
Fehlerspeicher 14 hinterlegt. Dieser Fehlerspeicher kann
vom Servicepersonal ausgelesen werden, um gegebenenfalls erforderliche
Servicearbeiten durchführen zu können.
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Alternativ
oder zusätzlich dazu können die Ergebnisse der
durchgeführten Auswertungen auch auf der Anzeige 15 dargestellt
werden. Dabei kann es sich um eine alphanumerische Anzeige handeln
oder auch um eine optische Fehlersignalisierung, die den Benutzer über
das Vorliegen eines Fehlers des Umrichters UR bzw. der elektrischen
Maschine 13 informiert.
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Die
ermittelten Ergebnisse der Auswertung werden in vorteilhafter Weise
vom Steuerrechner 5 an die übergeordnete Steuereinheit 16 weitergeleitet. Diese
sorgt beim Vorliegen eines Fehlers in der elektrischen Maschine
und bei einer Funktionsunfähigkeit eines oder mehrerer
der Leistungsschalter des Umrichters durch eine entsprechende Ansteuerung
der Schaltvorrichtung 2 dafür, dass die Hochspannungsquelle 1 vom
Umrichter UR abgetrennt bleibt.
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Die
vorstehend beschriebene Erfindung ist insbesondere in einem Hybrid-Fahrzeug,
einem Elektrofahrzeug und einem Brennstoffzellen-Fahrzeug mit elektrischem
Antrieb anwendbar und dazu geeignet, die Funktionsfähigkeit
des Umrichters mit und ohne angeschlossene elektrische Maschine
zu überprüfen. Diese Überprüfung
erfolgt beispielsweise nach jedem Start eines Fahrzeugs vor einem
Anliegen der Hochspannungsversorgung an den Umrichter. Bei dieser Überprüfung
wird festgestellt, ob ein Leistungsschalter oder mehrere Leistungsschalter
des Umrichters defekt sind oder nicht. Als Defekte können
insbeson dere Kurzschlüsse und Hochohmigkeit, beispielsweise
auf Grund von durchgeschmolzenen Bonddrähten, erkannt werden.
Für die genannte Überprüfung wird – wie
oben beschrieben – eine Kleinspannung verwendet, da bei
offener Verbindung zur elektrischen Maschine ein Zuschalten der
Hochspannungsversorgung verboten ist. Diese Kleinspannung, bei der
es sich um die Versorgungsspannung der Treiber der Leistungsschalter
des Umrichters handelt, steht auch dann zur Verfügung, wenn
die Verbindung zur Hochspannungsversorgung nicht gegeben ist. Diese
Versorgungsspannung der Treiber wird mit nur geringem zusätzlichen
Schaltungsaufwand auf die Drain-Anschlüsse bzw. die Kollektoren
der Leistungsschalter gelegt. Werden dann die Leistungsschalter
nacheinander durchgeschaltet, dann können mittels einer
mit deren Emitter bzw. Source und/oder Kollektor bzw. Drain verbundenen Spannungsauswerteschaltung
Rückschlüsse darauf gezogen werden, ob die Funktionsfähigkeit
des Umrichters gegeben ist oder nicht.
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Da
die Versorgung der Treiber der Leistungsschalter bereits über
galvanische Trennelemente verfügt, bleibt beim oben beschriebnen
Verfahren die galvanische Trennung zwischen Hochspannungskreis und
Kleinspannungskreis erhalten.
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Alternativ
zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann auch
anstelle der zwischen der Steuereinheit 5 und den Treibern 7,
..., 12 vorgesehenen galvanischen Trennelemente ein galvanisches
Trennelement zwischen der Steuereinheit 5 und der Spannungsauswerteeinheit 6 vorgesehen sein.
Bei dieser Alternative ist die Steuereinheit 5 hochspannungsseitig
angeordnet.
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Eine
Alternative zum oben beschriebenen Verfahren besteht darin, lediglich
die Verfahrensschritte S1, S3 und S4 durchzuführen. Gemäß dieser vereinfachten
Ausführung wird zunächst die Versorgungsgleichspannung
des Treibers eines der Leistungsschalter über einen gesteuerten
Schalter an den Drain- oder Kollektoranschluss des Leistungsschalters
angelegt. Dann erfolgt ein Detektieren der am Source- oder Emitteranschluss und
am Drain- oder Kollektoranschluss des Leistungsschalters anliegenden
Spannung und schließlich ein Auswerten der detektierten
Spannungen. Mittels dieses vereinfachten Verfahrens kann beispielsweise
detektiert werden, ob der jeweilige Leistungsschalter einen Kurzschluss
aufweist. Ein Durchschalten des Leistungsschalters ist zu dieser Überprüfung
nicht notwendig.
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Eine
Alternative zum oben genannten Schritt S2 besteht darin, mehrere
Leistungsschalter gleichzeitig durchzuschalten, um Rückschlüsse
auf Fehler des elektrischen Antriebs ziehen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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