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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Belastungsprüfung eines Fahrzeugwechselrichters, der eine Eingangsnennspannung und einen Eingangsnennstrom sowie eine Ausgangsnennspannung und einen Ausgangsnennstrom aufweist, durch Ausführen einer Gleichstrom-Belastungsprüfung des Wechselrichters mit einer ersten Prüfspannung und einem ersten Prüfstrom. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Anordnung zur Belastungsprüfung eines Fahrzeugwechselrichters.
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Zur Qualifizierung und Qualitätssicherung von Fahrzeugwechselrichtern in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen sind geeignete Prüfungen durchzuführen. Diese Prüfung der Antriebswechselrichter kann auf mehrere Arten erfolgen:
- – Reine Blindleistungsprüfung:
Bei der reinen Blindleistungsprüfung (stromgeregelter Betrieb des Wechselrichters mit einer rein induktiven Last) wird die Gleichspannungsseite des Wechselrichters praktisch nicht belastet. Bei dieser Prüfart sind daher beispielsweise keine Aussagen über die Qualität der Gleichspannungsverschienung, des DC-Steckers, der DC-Löt- und Schweißkontaktierungen möglich.
- – Prüfung mit ohmsch-induktiver Last:
Aus dem stromgeregelten Wechselrichter wird eine R-L-Last gespeist. Die zugeführte Wirkleistung wird im Belastungswiderstand in Wärme umgesetzt. Aufgrund der hohen Leistung moderner Fahrzeugwechselrichter fällt bei der Nachbildung eines realistischen Betriebs eine erhebliche Verlustwärme an (Größenordnung 100 kW). Dementsprechend groß und teuer sind die notwendigen Belastungswiderstände.
- – Belastungsprüfung auf einem Emulatorprüfstand:
Mittlerweile sind Emulatorprüfstände verfügbar, die eine elektrische Maschine nachbilden und gleichzeitig eine Gleichspannung bereitstellen. Die elektrische Wirkleistung kann mit solchen Anlagen „im Kreis” geschoben werden. Derartige Anlagen sind jedoch außerordentlich aufwändig und teuer.
- – Belastungsprüfstand mit elektrischer Maschine:
Auf einem Maschinenprüfstand wird der Wechselrichter zur Speisung eines Elektromotors verwendet. Diese Art der Prüfung ist wegen des notwendigen Maschinensatzes, der Einrichtung einer Antriebsregelung, der mechanischen Anordnung, etc. ...sehr aufwändig.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zur umfassenden Belastungsprüfung von Wechselrichtern mit deutlich kleinerem Wirkleistungsumsatz und daher deutlich reduziertem Aufwand bereitzustellen, wobei jedoch trotzdem eine aussagekräftige Belastung aller relevanten Bauteile des Wechselrichters erfolgen kann. Darüber hinaus soll eine entsprechende Anordnung zur Verfügung gestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung nach Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es wird also bereitgestellt ein Verfahren zur Belastungsprüfung eines Fahrzeugwechselrichters, der eine Eingangsnennspannung und einen Eingangsnennstrom sowie eine Ausgangsnennspannung und einen Ausgangsnennstrom aufweist, durch
- – Ausführen einer Gleichstrom-Belastungsprüfung des Wechselrichters mit einer ersten Prüfspannung und einem ersten Prüfstrom und
- – Ausführen einer Wechselstrom-Belastungsprüfung des Wechselrichters bei reiner Blindleistung mit einer zweiten Prüfspannung und einem zweiten Prüfstrom, wobei
- – die erste Prüfspannung mindestens eine Größenordnung unter der Eingangsnennspannung und der erste Prüfstrom in der Größenordnung des Eingangsnennstroms liegt, und
- – die zweite Prüfspannung in der Größenordnung der Ausgangsnennspannung und der zweite Prüfstrom mindestens eine Größenordnung unter dem Ausgangsnennstrom liegt.
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Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt eine Anordnung zur Belastungsprüfung eines Fahrzeugwechselrichters, der eine Eingangsnennspannung und einen Eingangsnennstrom sowie eine Ausgangsnennspannung und einen Ausgangsnennstrom aufweist, mit
- – einer Gleichstromprüfeinrichtung zum Ausführen einer Gleichstrom-Belastungsprüfung des Wechselrichters mit einer ersten Prüfspannung und einem ersten Prüfstrom und mit
- – einer Wechselstromprüfeinrichtung zum Ausführen einer Wechselstrom-Belastungsprüfung des Wechselrichters bei reiner Blindleistung mit einer zweiten Prüfspannung und einem zweiten Prüfstrom, wobei
- – die erste Prüfspannung mindestens eine Größenordnung unter der Eingangsnennspannung und der erste Prüfstrom in der Größenordnung des Eingangsnennstroms liegt, und
- – die zweite Prüfspannung in der Größenordnung der Ausgangsnennspannung und der zweite Prüfstrom mindestens eine Größenordnung unter dem Ausgangsnennstrom liegt.
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Es wird also vorgeschlagen, zwei jeweils praktisch wirkleistungsfreie Prüfungen durchzuführen. Dadurch kann einerseits der Aufwand für den Prüfaufbau gegenüber dem Verfahren nach dem Stand der Technik sehr gering gehalten werden, und andererseits ist dennoch eine umfassende Prüfung der Komponenten möglich.
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In einer Ausführungsform wird die erste Prüfspannung am Ausgang des Wechselrichters angelegt und der Eingang des Wechselrichters kurzgeschlossen, wobei der Wechselrichter nicht angesteuert wird. Bei einer zweiten Ausführungsform wird die erste Prüfspannung am Eingang des Wechselrichters angelegt, der Ausgang des Wechselrichters ist offen, und der Wechselrichter wird nicht angesteuert. Dabei kann ggf. die erste Prüfspannung am Eingang des Wechselrichters umgepolt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird mindestens ein Schalter des Wechselrichters angesteuert, der Ausgang des Wechselrichters ist offen, und die erste Prüfspannung wird an den Ausgang des Wechselrichters angelegt. Gemäß einer noch anderen Ausführungsform wird an den Ausgang des Wechselrichters eine induktive Last angeschlossen, und die zweite Prüfspannung wird an die induktive Last angelegt.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Belastungsprüfung;
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2 eine Gleichstrom-Belastungsprüfung gemäß einer ersten Ausführungsform;
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3 eine Gleichstrom-Belastungsprüfung gemäß einer zweiten Ausführungsform und
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4 eine Gleichstrom-Belastungsprüfung gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Für die erfindungsgemäße Prüfung des Wechselrichters sind zwei Prüfungen durchzuführen. Durch eine geeignete Schütz-/Schaltermimik sind diese Prüfungen mit nur einem Prüfaufbau gemäß dem Beispiel von 1 möglich.
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Der Wechselrichter für ein Dreiphasensystem besitzt hier den typischen Aufbau mit sechs Transistoren einschließlich einer jeweils parallel geschalteten Freilaufdiode und einem Zwischenkreiskondensator am Eingang. Am Gleichspannungseingang des Wechselrichters liegt eine Hochspannungsquelle UHV und eine Stromquelle IDC über ein Schütz KDC an.
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Der Wechselrichter besitzt die Ausgänge U, V und W. Dementsprechend können auch Spannungsabfälle UU-, UV- und UW- gegenüber DC- gemessen werden. Über Wahlschalter KLV1 und KLV2 kann eine Gleichspannungsquelle ULV zwischen jeweils zwei der Ausgangspole des Wechselrichters geschaltet werden, welche einen Strom ILV einprägt. Über ein Schütz KAC ist eine induktive Last I an den Ausgang des Wechselrichters angeschlossen. Die Ströme IU, IV und IW in den drei Phasen werden gemessen.
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Die erste durchzuführende Prüfung besteht aus einer oder mehreren Gleichstrom-Belastungsprüfungsvarianten 1a, 1b und 1c, und die zweite Prüfung besteht aus einer Wechselstrom-Belastungsprüfung gemäß Variante 2. Diese Varianten der Prüfung werden nachfolgend detailliert beschrieben.
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1a. Gleichstrom-Belastungsprüfung mit hohem Eingangsstrom bei geringer Eingangsspannung
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Für eine Gleichstromprüfung insbesondere der Gleichspannungsseite des Wechselrichters wird in der Schaltung in 1 das Kurzschlussschütz KKS geschlossen. Durch die Wahlschalter KLV1 und KLV2 wird die Spannungsquelle ULV mit zwei verschiedenen Ausgangsphasen des Wechselrichters verbunden. Die Schütze KDC und KAC sind geöffnet.
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Aus einem Netzgerät wird über eine durch KLV1 wählbare AC-Phase ein Strom eingeprägt. Dieser fließt über die obere Freilaufdiode, die DC(+)-Verschienung, das Kurzschlussschütz, die DC(-)-Verschienung, eine untere Freilaufdiode und eine durch KLV2 wählbare Ausgangsphase (Stromlauf für eine beispielhafte Schalterstellung von KLV1 und KLV2 siehe gestrichelte Linie in 2). Für diese Prüfung sind insgesamt sechs Schalterstellungen von KLV1 und KLV2 zulässig, also sind sechs verschiedene Messungen möglich. Der Wechselrichter selbst ist nicht in Betrieb, alle Transistoren sperren.
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Die Spannungen ULV, UU-, UV-, UW- sowie der Strom ILV werden gemessen.
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Aus den hiermit möglichen Messungen mit verschiedenen Schalterstellungen bzw. einer Variation des eingeprägten Stromes können beispielsweise folgende Aussagen abgeleitet werden:
- – Der gemessene Spannungsabfall ULV über den beteiligten Dioden, den AC- und DC-Steckern, der AC-Verschienung, der DC-Verschienung, der Bond- und Lötstellen muss für alle möglichen Schalterstellungen von KLV1 und KLV2 in einem vorzugebenden Toleranzbereich liegen.
- – Identifikation mangelhafter elektrischer Verbindungen im DC-Kreis und den beteiligten AC-Abgängen
- – Der gemessene gesamte Spannungsabfall muss für alle möglichen Schalterstellungen an den Ausgangsphasen jeweils gleich groß sein.
- – Ungleiche Qualität der Löt-/Schweiß-/Steckverbindungen auf der AC-Seite
- – Die gemessenen Spannungsabfälle UU-, UV- und UW- auf der High- und der Low-Seite müssen betragsmäßig gleich groß sein.
- – Ungleiche Vorwärtsspannung der beteiligten Dioden, unzulässige Bauteiltoleranz
- – An der nicht verbundenen dritten Phase (im Beispiel aus 2 ist dies die Phase W) muss sich eine Spannung (hier UW-) einstellen, die etwa in der Mitte zwischen den beiden anderen Spannungen liegt.
- – Ungleiches Sperrverhalten der Dioden/Transistoren des nicht bestromten Zweiges
- – Durch Variation des Stromes ILV und gleichzeitiger Messung der Spannungen ist eine Auftrennung in ohmsche Verluste (v. a. Verbindungstechnik) und einen stromunabhängigen Anteil (v. a. Dioden-Vorwärtsspannung) jeweils für die positive (high-side) und die negative (low-side) Hälfte des Wechselrichters und für alle Dioden separat möglich.
- – Charakterisierung der Dioden, Beurteilung der Bauteiltoleranz
- – Es empfiehlt sich die Aufzeichnung der Halbleitertemperatur (steht in vielen Fällen als Messwert im Wechselrichter zur Verfügung) und der Vergleich mit Referenz-Verläufen.
- – Fehlerhafte thermische Anbindung der Dioden, fehlerhafte Bondverbindungen
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Zusätzlich zu den aufgeführten Qualitätsaussagen zur Hardware des Wechselrichter-Leistungsteils sind auch funktionale Überprüfungen möglich, beispielsweise die Überprüfung der internen Strommessung am Wechselrichterausgang oder die Überstromüberwachung.
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Zur Durchführung dieser Versuche kommt eine Spannungsquelle (ULV) mit hohem Strom, geringer Spannung und kleiner Leistung zum Einsatz (Zahlenbeispiel: 5 V, 400 A, 2 kW).
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Es fällt praktisch ausschließlich Verlustleistung im Wechselrichter an, welche über dessen Kühlung vollständig abgeführt wird.
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Als mögliche Varianten können mit einer gegenüber 1 modifizierten Anordnung weitere Gleichstromprüfungen durchgeführt werden. Sie unterscheiden sich von 1a durch andere Einspeisepunkte für die Gleichspannung sowie andere Strompfade.
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1b. Gleichstrom-Belastungsprüfung mit hohem Eingangsstrom bei geringer Eingangsspannung (Stromquelle liegt am Eingang des Wechselrichters)
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Anders als bei der Gleichstrom-Belastungsprüfung aus 1a wird der Strom nicht an den Phasenausgängen auf der AC-Seite, sondern am Eingang des Wechselrichters eingeprägt. Die Last ist ausgangsseitig vom Wechselrichter entkoppelt, indem sich der Schalter KAC auf der AC-Seite im offenen Zustand befindet. Auf der DC-Seite kann der Schalter KDC zwischen zwei Spannungsquellen schalten. Das positive und negative Potential sind in der Schalterstellung KDC von 3 für die Gleichstrom-Belastungsprüfung verpolt, sodass ein Strom in Durchlassrichtung der Freilaufdioden fließen kann (3).
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Diese Prüfung ist selbstverständlich nur dann möglich, wenn der Antriebswechselrichter die Verpolung der Eingangsspannung schaltungstechnisch zulässt (beispielsweise dürfen keine Verpolschutz-Dioden a. Ä. vorhanden sein).
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Die Spannungsquelle ULV ist mit niedriger Spannung und hoher Stromstärke gewählt (Zahlenbeispiel: 5 V, 400 A, 2 kW). Der eingeprägte Gleichstrom ILV auf der DC-Seite fließt über die verpolte DC(+)-Verschienung, den beiden Freilaufdioden eines Zweiges, die verpolte DC(-)-Verschienung und den angeschlossenen Schalter KDC. Alle drei Zweige werden jeweils in einem Prüfvorgang gleichzeitig vermessen. Der Wechselrichter befindet sich nicht in Betrieb, alle Transistoren sperren. Die Spannungen ULV, UU-, UV-, UW- und der Strom IDC werden gemessen.
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Aus den gemessenen Spannungen können ähnliche Qualitätsaussagen wie im Fall 1a über den Wechselrichter getroffen werden (s. o.):
- – Identifikation mangelhafter elektrischer Verbindungen im DC-Kreis
- – Ungleiche Vorwärtsspannung der beteiligten Dioden, unzulässige Bauteiltoleranz
- – Auftrennung in ohmsche Verluste (v. a. Verbindungstechnik) und einen stromunabhängigen Anteil (v. a. Dioden-Vorwärtsspannung)
- – Thermische Anbindung der Dioden, fehlerhafte Bondverbindungen
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1c. Gleichstrom-Belastungsprüfung mit hohem Eingangsstrom bei geringer Eingangsspannung (DC-Bestromung von Transistoren)
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Sofern der Wechselrichter die Möglichkeit bietet, gezielt obere und untere Transistoren dauerhaft einzuschalten (zum Beispiel durch den sog. aktiven Kurzschluss), können mit der in 1 dargestellten Anordnung auch Gleichstromprüfungen über Transistoren durchgeführt werden. Hierzu bleibt KKS geöffnet und über UHV und die Eingangsschütze KDC wird ggf. eine Zwischenkreisspannung angelegt, um die internen Gatetreiber in einen betriebsbereiten Zustand zu versetzten. Bei geöffnetem KAC und eingeschalteten oberen Transistoren wird von ULV ein Strom in eine Phase eingeprägt, welcher über eine obere Diode sowie einen benachbarten oberen Transistor auf einer zweiten Phase wieder abgeführt wird (4). Entsprechend kann mit unteren Transistoren verfahren werden. Bei dieser Prüfung werden die Vorwärtsspannungen der Dioden sowie die Durchlassspannung der Transistoren bestimmt. Die Gleichstromseite bleibt hierbei unbelastet. Dieser Prüfung wird daher ergänzend zu den Prüfungen 1a bzw. 1b durchgeführt und zur Bestimmung der statischen Eigenschaften der Transistoren herangezogen.
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2. Wechselstrom-Belastungsprüfung mit reiner Blindleistung bei hoher Eingangsspannung und geringem Eingangsstrom
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Für die Wechselstromprüfung werden die Schütze KDC und KAC geschlossen (1). KKS, KLV1 und KLV2 sind geöffnet.
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Ein auf dem Wechselrichter zu implementierender Stromregler prägt nun in die rein induktive dreiphasige Last ein dreiphasiges symmetrisches Drehstromsystem beliebiger Frequenz ein. Damit kann die Wechselstromseite des Wechselrichters (IGBTs, Freilaufdioden, AC-Verschienung, Zwischenkreiskondensator) mit ihrem zulässigen Betriebsstrom belastet werden.
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Hierzu kommt eine Spannungsquelle (UHV) mit hoher Spannung, geringem Strom und kleiner Leistung zum Einsatz (Zahlenbeispiel: 400 V, 5 A, 2 kW).
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Gleichstromseitig werden die Spannung UDC und der Strom IDC, wechselstromseitig die Ströme IU, IV, IW messtechnisch erfasst.
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Eine wirkliche Leistungsmessung (z. B. mit einem Leistungsmessgerät) auf der Wechselstromseite ist wegen des sehr kleinen Leistungsfaktors (cos(φ) nahe null) im vorliegenden Betriebsfall praktisch nicht sinnvoll möglich. Der Einsatz eines hochwertigen Leistungsmessgeräts für die AC-Seite ist daher weder sinnvoll noch notwendig. Daher wird folgendes Vorgehen vorgeschlagen:
Aus einer Messung der Ausgangsströme IU, IV, IW und einer zuvor durchzuführenden Vermessung der Wirkverluste der L-Last (ohmsche Leistungswiderstände, Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste für die vorgegebene Schaltfrequenz und die vorgesehene Form des Laststromes) wird die dem Wechselrichter entnommene Dreiphasen-Wirkleistung bestimmt.
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Die dem Wechselrichter zugeführte Leistung kann auf der DC-Seite durch Messung von UDC und IDC genau bestimmt werden.
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Hieraus ist die Bestimmung der Wechselrichter-Verlustleistung sehr genau möglich, da ein Großteil der insgesamt zugeführten Leistung als Wechselrichter-Verlustleistung anfällt. Mit Hilfe von aus der Literatur bekannten mathematischen Zusammenhängen für die Schalt- und Leitverlustleistung bei unterschiedlichen Leistungsfaktoren bzw. Lastwinkeln kann auf praxisrelevante Betriebpunkte mit höherem Leistungsfaktor bzw. kleinem Lastwinkel zurückgeschlossen werden (Literaturverweis: Kolar, Zach: Influence of the Modulation Method on the Conduction and Switching Losses of a PWM Converter System, IEEE Transactions an Industry Applications, Vol. 27. No. 6, Nov/Dec 1991, sowie Weckert, Roth-Stielow: Control strategy to increase semiconductor lifetime within a three-phase VSI for traction applications using an induction machine, Automotive Power Electronics International Conference and Exhibition, Paris, April 2011, darin insbesondere 3).
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Aus dieser Messung sind neben dem grundsätzlichen Nachweis der Funktion des Wechselrichters Aussagen über folgende Eigenschaften möglich:
- – Ermittlung der im Wechselrichter anfallenden Verlustleistung.
- – Durch Vergleich mit Referenzwerten oder mit berechneten Werten kann auf Mängel im Leistungsteil geschlossen werden.
- – Berechnung der Verlustleistung unter Betriebsbedingungen mit höherem Leistungsfaktor und Vergleich mit den spezifizierten Werten.
- – Qualitätssicherung im Hinblick auf den Antriebswirkungsgrad
- – Durch Variationen der Amplitude des Ausgangsstromes und eine Änderung der Schaltfrequenz ist eine messtechnische Ermittlung der Aufteilung in Schalt- und Leitverluste möglich.
- – Beurteilung des Schalt- und Leitverhaltens der Transistoren und Vergleich mit Referenzwerten und Toleranzbereichen
- – Beobachtung der Erwärmung der Leistungshalbleiter durch Messung der Chiptemperatur (in vielen Fahrzeugwechselrichtern möglich) und Vergleich mit Referenzkurven.
- – Beurteilung der thermischen Anbindung der Transistoren/Dioden an den Kühlkörper
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Zusätzlich zu den aufgeführten Qualitätsaussagen zur Hardware des Wechselrichter-Leistungsteils sind auch funktionale Überprüfungen möglich, beispielsweise die Überprüfung der internen Spannungsmessung am Zwischenkreis oder die Überspannungsüberwachung. Darüber hinaus werden durch diese Prüfung die Spannungsfestigkeit sowie die Störfestigkeit festgestellt.
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Erst die Kombination der beiden verschiedenartigen Prüfungen 1 und 2 steflt die erfindungsgemäße vollständige Belastungsprüfung des Wechselrichters dar.
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In vorteilhafter Weise ist bei der erfindungsgemäßen Prüfung von Antriebswechselrichtern nur wenig Wirkleistung notwendig. Durch das zweistufige Prüfverfahren (Gleichstrom-Belastungsprüfung und anschließende Wechselstrom-Belastungsprüfung mit nahezu reiner Blindleistung) wird der hohe Aufwand einer Prüfung bei Nennleistung vermieden. Trotzdem werden die wesentlichen Wechselrichterkomponenten einer realitätsnahen Belastungsprüfung unterzogen. Damit ergeben sich erhebliche Aufwands-, Energie- und Kosteneinsparungen bei der Bauteilprüfung. Außerdem lässt sich durch das vorgestellte Prüfungsverfahren der Prüfprozess leichter automatisieren. Insbesondere lassen sich bei dem Prüfverfahren alle relevanten Anzeichen für Bauteildefekte identifizieren und eine funktionelle Prüfung durchführen.
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Bezugszeichenliste
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- IDC
- Stromquelle
- ILV
- Stromquelle
- IU
- Strom
- IV
- Strom
- IW
- Strom
- KAC
- Schütz
- KDC
- Schütz
- KKS
- Kurzschlussschütz
- KLV1
- Wahlschalter
- KLV2
- Wahlschalter
- L
- Induktive Last
- U
- Phase
- UDC
- Spannungsquelle
- UHV
- Hochspannungsquelle
- ULV
- Spannungsquelle
- UU-
- Spannung
- UV-
- Spannung
- UW-
- Spannung
- V
- Phase
- W
- Phase
- cos(φ)
- Leistungsfaktor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Kolar, Zach: Influence of the Modulation Method on the Conduction and Switching Losses of a PWM Converter System, IEEE Transactions an Industry Applications, Vol. 27. No. 6, Nov/Dec 1991 [0039]
