DE102013203299A1

DE102013203299A1 - ESR-Bestimmung

Info

Publication number: DE102013203299A1
Application number: DE201310203299
Authority: DE
Inventors: Michael Pagel; Volker Kimmig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-08-28

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen des äquivalenten Serienwiderstands eines Zwischenkreiskondensators in einem Wechselrichter, wobei der Zwischenkreiskondensator zu einer Gleichstromquelle parallel geschaltet ist, umfasst Schritte des Einschaltens eines Verbrauchers parallel zum Zwischenkreiskondensator, des Ausschaltens des Verbrauchers nach einer vorbestimmten Wartezeit, des Bestimmens eines Spannungssprungs am Zwischenkreiskondensator zwischen Spannungen unmittelbar vor und unmittelbar nach dem Ausschalten, des Bestimmens eines Stroms, der unmittelbar vor dem Ausschalten durch den Verbraucher fließt, und des Bestimmens des äquivalenten Serienwiderstands auf der Basis eines Quotienten aus dem bestimmten Spannungssprung und dem bestimmten Strom.

Description

Die Erfindung betrifft die Bestimmung eines äquivalenten Serienwiderstands (equivalent series resistance, ESR) an einem Kondensator. Insbesondere betrifft die Erfindung die ESR-Bestimmung an einem Zwischenkreiskondensator eines Wechselrichters.
Stand der Technik
Ein Wechselrichter kann eingesetzt werden, um einen Mehrphasen-Wechselstrommotor an einer Gleichspannung zu betreiben. Beispielsweise kann ein Lüfter für ein Kraftfahrzeug mittels eines Drei-Phasen-Elektromotors angetrieben werden, der durch einen Wechselrichter gesteuert wird, der die Gleichspannung einer Fahrzeugbatterie oder eines Gleichspannungsnetzes entsprechend aufbereitet.
Der Wechselrichter umfasst einen Zwischenkreiskondensator, um das Gleichspannungsnetz mit dem Wechselspannungsnetz auf einer gemeinsamen Gleichspannungsebene energetisch zu verkoppeln. Häufig ist der Kondensator als Elektrolyt-Kondensator ausgeführt, wobei das Elektrolyt üblicherweise flüssig ist und im Lauf der Zeit altern bzw. gasförmig werden und den Kondensator verlassen kann. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit des Kondensators soweit absinken, dass der Wechselrichter nicht mehr zur Steuerung des Elektromotors verwendet werden kann. Der Verlust von Elektrolyt spiegelt sich im äquivalenten Serienwiderstand ESR des Kondensators wieder. Durch Bestimmen des ESR kann die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Kondensators bestimmt werden.
Zur Bestimmung des ESR sind unterschiedliche Vorschläge gemacht worden, von denen die meisten eine Vielzahl zusätzlicher Schaltungselemente erfordern, um die ein bekannter Wechselrichter erweitert werden muss, um den ESR des Kondensators bestimmen zu können. Verfahren, die während des Betriebs des Wechselrichters angewandt werden können, erfordern üblicherweise sehr leistungsfähige digitale Rechner und Analog-Digital-Wandler mit einer hohen Abtastfrequenz. Außerdem benötigen einige der bekannten Verfahren eine Eingangsstrommessung am Eingang des Zwischenkreises des Wechselrichters oder sie gelten nur für netzgespeiste Umrichter, bei denen vor dem Zwischenkreis eine Gleichrichterschaltung angeordnet ist. Für einen batteriebetriebenen Wechselrichter kann ein solches Verfahren üblicherweise nicht verwendet werden.
Kwang-Woon Lee, Myungchul Kim, Jangho Yoon: Condition Monitoring of DC-Link Electrolytic Capacitators in Adjustable Speed Drives, 2008 zeigt eine Herangehensweise, um mittels Komponenten eines Wechselrichters den ESR des Zwischenkreiskondensators zu bestimmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren, ein Computerprogrammprodukt und einen verbesserten Wechselrichter anzugeben, um den ESR eines Zwischenkreiskondensators eines Wechselrichters außerhalb des laufenden Betriebs ökonomisch zu bestimmen. Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Offenbarung der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen des äquivalenten Serienwiderstands eines Zwischenkreiskondensators in einem Wechselrichter, wobei der Zwischenkreiskondensator zu einer Gleichstromquelle parallel geschaltet ist, umfasst Schritte des Einschaltens eines Verbrauchers parallel zum Zwischenkreiskondensator, des Ausschaltens des Verbrauchers nach einer vorbestimmten Wartezeit, des Bestimmens eines Spannungssprungs am Zwischenkreiskondensator unmittelbar vor und unmittelbar nach dem Ausschalten, des Bestimmens eines Stroms, der unmittelbar vor dem Ausschalten durch den Verbraucher fließt, und des Bestimmens des äquivalenten Serienwiderstands auf der Basis eines Quotienten aus dem bestimmten Spannungssprung und dem bestimmten Strom.
Erfindungsgemäß sind nur ein Strom und eine Spannung am Wechselrichter zu bestimmen, um den ESR berechnen zu können. Der zu bestimmende Strom fließt durch den Verbraucher des Wechselrichters und kann aus Gründen der Steuerung des Verbrauchers ohnehin bestimmt werden müssen. Darüber hinaus ist kein weiterer Stromsensor erforderlich. Außerhalb des Betriebs des Verbrauchers kann so mit einem Minimum an zusätzlichen Bauteilen und mit nur geringem Aufwand der ESR des Zwischenkreiskondensators bestimmt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine nahende Erschöpfung des Zwischenkreiskondensators bestimmt, falls der bestimmte äquivalente Serienwidersand mehr als ein vorbestimmtes Vielfaches eines ursprünglichen äquivalenten Serienwiderstands beträgt. Zu diesem Zweck kann der ursprüngliche äquivalente Serienwiderstand des Zwischenkreiskondensators im Rahmen der Herstellung des Wechselrichters bestimmt und sein Wert in einem Speicher abgelegt werden. Übersteigt der bestimmte ESR den abgelegten Wert um beispielsweise mehr als 200 %, so kann davon ausgegangen werden, dass sich die Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators seinem Ende nähert. In diesem Fall kann ein entsprechendes Signal ausgegeben werden, um einen Austausch des Zwischenkreiskondensators zu planen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Belastung des Wechselrichters reduziert werden, um einen vorzeitigen Ausfall des Wechselrichters bzw. des Zwischenkreiskondensators zu vermeiden.
In einer Ausführungsform wird der durch den Verbraucher fließende Strom regelmäßig abgetastet und auf der Basis der abgetasteten Werte wird eine Regression gebildet. Die Regression kann dazu verwendet werden, den unmittelbar vor dem Ausschalten fließenden Strom zu bestimmen. Durch die Regression kann sicher gestellt werden, dass der Strom für den tatsächlichen Ausschaltzeitpunkt bestimmt wird, und nicht nur für einen mehr oder weniger zeitnahen Abtastzeitpunkt, sodass das Verfahren mit verbesserter Genauigkeit durchgeführt werden kann. Außerdem kann durch die Verwendung einer Regression eine relativ niedrige Abtastrate für den Strom gewählt werden, beispielsweise ca. 100 kHz.
Auf der Basis der Regression kann auch der Einschaltzeitpunkt des Verbrauchers bestimmt werden und der Ausschaltzeitpunkt kann dann auf der Basis des bestimmten Einschaltzeitpunkts und der vorbestimmten Duty Cycle bestimmt werden. So können der Einschaltzeitpunkt und in der Folge auch der Ausschaltzeitpunkt genauer bestimmt werden als auf der Basis eines Steuersignals, da bei der beschriebenen Vorgehensweise keine Latenzzeiten zu berücksichtigen sind.
In beiden Varianten kann die Regression nur auf der Basis von abgetasteten Werten bestimmt werden, die über einem vorbestimmten Schwellenwert liegen Ungenaue oder überflüssige Messungen des Stroms können so verworfen werden. Dadurch kann es leichter sein, eine aussagekräftige Regression im aussagekräftigen Bereich zu bilden.
In ähnlicher Weise kann die Spannung am Zwischenkreiskondensator regelmäßig abgetastet werden, wobei auf der Basis von vor dem Ausschalten abgetasteten Werten eine erste Regression und auf der Basis von nach dem Ausschalten abgetasteten Werten eine zweite Regression gebildet wird. Der Spannungssprung am Zwischenkreiskondensator kann dann auf der Basis beider Regressionen zum Ausschaltzeitpunkt bestimmt werden. Dadurch kann sicher gestellt werden, dass der Spannungssprung in seiner vollen Höhe exakt zum Ausschaltzeitpunkt bestimmt wird. Durch das Bilden der Differenz der Spannungen am Zwischenkreiskondensator nach und vor dem Ausschalten fällt von der Kondensatorspannung ein Gleichspannungsanteil weg. Die Bestimmung des äquivalenten Serienwiderstands des Zwischenkreiskondensators kann so mit geringem Aufwand und hoher Präzision durchgeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Temperatur im Bereich des Zwischenkreiskondensators bestimmt und bei der Bestimmung des äquivalenten Serienwiderstands berücksichtigt. In einer ersten Variante wird das Verfahren nur durchgeführt, wenn die Temperatur im Bereich des Zwischenkreiskondensators in einem vorbestimmten Bereich liegt, der für die initiale Bestimmung des äquivalenten Serienwiderstands zum Herstellungszeitpunkt des Wechselrichters verwendet wurde. In einer anderen Variante kann der bestimmte äquivalente Serienwiderstand auf der Basis der herrschenden Temperatur so umgerechnet werden, dass er mit den initial bestimmten Serienwiderstand vergleichbar ist.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter zum Betrieb eines Verbrauchers an einer Gleichstromquelle umfasst einen Zwischenkreiskondensator, der parallel zur Gleichstromquelle geschaltet ist, eine Schalteinrichtung zur Schaltung des Verbrauchers parallel zur Gleichstromquelle, eine erste Abtasteinrichtung zur Bestimmung eines durch den Verbraucher fließenden Stroms, eine zweite Abtasteinrichtung zur Bestimmung einer am Zwischenkreiskondensator anliegenden Spannung und eine Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung des äquivalenten Serienwiderstand des Zwischenkreiskondensators auf der Basis des oben beschriebenen Verfahrens. Dadurch kann der Wechselrichter mit geringem zusätzlichem Aufwand dazu fortgebildet werden, den ESR des Zwischenkreiskondensators zu bestimmen, während sich der Verbraucher nicht in Betrieb befindet.
Bevorzugter Weise umfasst der Verbraucher einen Mehrphasen-Wechselstrommotor. Der Motor kann insbesondere zum Antrieb eines Lüfterrads eingerichtet sein, der beispielsweise einen Radiator an Bord eines Kraftfahrzeugs belüftet.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
1 ein Schaltbild eines Wechselrichters an Bord eines Kraftfahrzeugs;
2 einen Verlauf eines Stroms durch den Verbraucher am Wechselrichter von 1;
3 einen Verlauf einer Spannung am Zwischenkreiskondensator im Wechselrichter von 1;
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines äquivalenten Serienwiderstands des Zwischenkreiskondensators des Wechselrichters von 1, und
5 ein Diagramm von Spannungen an Wechselrichter von 1 darstellt.
Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt ein Schaltbild eines beispielhaften Wechselrichters 100, der mit einem Verbraucher 105 verbunden ist, an Bord eines Kraftfahrzeugs 110. Der Verbraucher 105 ist hier exemplarisch als Elektromotor 105 dargestellt, der an dem Wechselrichter 105 betrieben werden kann; für die vorgeschlagene Technik kann jedoch auch ein anderer Verbraucher 105 verwendet werden. Der Wechselrichter 100 ist mit einer Gleichstromquelle 115 verbunden, die beispielsweise eine Fahrzeugbatterie oder ein Gleichspannungs-Bordnetz umfassen kann. Der Elektromotor 105 ist exemplarisch als Dreiphasen-Wechselstrommotor mit einer ersten Phase 120, einer zweiten Phase 125 und einer dritten Phase 130 ausgeführt. In anderen Ausführungsformen kann auch eine andere Anzahl von Phasen verwendet werden. Rein exemplarisch ist der Elektromotor 105 in Sternschaltung dargestellt; in einer anderen Ausführungsform kann auch die Dreiecksschaltung verwendet werden.
Der Wechselrichter 100 umfasst einen Zwischenkreiskondensator 135, dessen äquivalenter Serienwiderstand 140 nach Art eines Ersatzschaltbilds separat dargestellt ist. Der äquivalente Serienwiderstand 140 fasst die ohmschen Leitungsverluste und die dielektrischen Umpolungsverluste des Zwischenkreiskondensators 135 zusammen. Ferner umfasst der Wechselrichter 100 eine Schalteinrichtung 145, die hier exemplarisch als B6-Brücke mit sechs Feldeffekttransistoren 150 dargstellt ist. In anderen Ausführungsformen kann die Schalteinrichtung 145 auch auf andere Weise realisiert sein. Die dargstellten Feldeffekttransistoren 150 umfassen jeweils eine eingebaute Freilaufdiode, die zum Abbau von Induktionsspannungen des laufenden Elektromotors 105 dienen können.
Ein Längswiderstand 155 (Shunt) des Wechselrichters 100 ist in eine der Zuleitungen der Schalteinrichtung 145 eingefügt. An den Enden des Längswiderstands 155 fällt eine Spannung ab, die proportional zu dem Strom durch den Verbraucher 105 ist. Ein optionaler Messverstärker 160 verstärkt das Spannungssignal des Längswiderstands 155.
Das Spannungssignal des Längswiderstands 155 und die am Zwischenkreiskondensator 135 anliegende Spannung werden jeweils in einem optionalen Tiefpass 165 geglättet und einem Analog-Digital-Wandler 170 zum Abtasten bereitgestellt. Es kann auch ein einziger Analog-Digital-Wandler 170 zum Abtasten beider Signale nacheinander verwendet werden. Eine Verarbeitungseinrichtung 175 ist dazu eingerichtet, den äquivalenten Serienwiderstand 140 auf der Basis der abgetasteten Informationen zu bestimmen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verarbeitungseinrichtung 175 auch dazu eingerichtet, die Schalteinrichtung 145 dazu anzusteuern, den Elektromotor 105 in einer vorbestimmten Weise mit der Gleichstromquelle 115 zu verbinden, um ihn zu steuern. Dazu kann die Verarbeitungseinrichtung 175 insbesondere die Feldeffekttransistoren 150 der Schalteinrichtung 145 einzeln ansteuern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ferner ein Speicher 180 vorgesehen, in dem der äquivalente Serienwiderstand 140 des Zwischenkreiskondensators 135 zum Zeitpunkt der Herstellung des Wechselrichters 100 abgelegt ist. Dieser Wert kann beispielsweise einmalig mittels des im Folgenden genauer beschriebenen Verfahrens bestimmt und in den Speicher 180 geschrieben werden. Dieses initiale Bestimmen kann Teil einer abschließenden Funktionsprüfung im Anschluss an die Herstellung des Wechselrichters 100 sein.
Der äquivalente Serienwiderstand 140 soll auf der Basis eines Quotienten aus einer Spannung und einem Strom bestimmt werden. Dazu wird der Zwischenkreiskondensator 135 teilweise entladen, indem der Verbraucher 105 für kurze Zeit parallel zu ihm geschaltet wird. Im dargestellten Fall des dreiphasigen Elektromotors 105 können dazu einer der oben und einer der unten dargestellten Feldeffekttransistoren 150 durchgeschaltet werden, so dass ein Strom durch zwei der Phasen 120, 125 und 130 fließt. Dadurch kann der Elektromotor 105 kurz zur Drehung angeregt werden.
Beim Abschalten des Verbrauchers 105 kehrt sich der Stromfluss am Zwischenkreiskondensator 135 um und der Strom fließt von der Gleichstromquelle 115 in den Zwischenkreiskondensator 135 statt von diesem in den Verbraucher 105. Um ein direktes Messen des Kondensatorstroms des Zwischenkreiskondensators 135 zu vermeiden, kann der durch den Verbraucher 105 fließende Strom bestimmt werden. Der durch den Zwischenkreiskondensator 135 fließende Strom zum Zeitpunkt des Ausschaltens entspricht dem durch den Verbraucher 105 fließenden Strom unmittelbar vor dem Ausschalten.
Die gesuchte Spannung kann im Moment des Ausschaltens als Spannungssprung am Zwischenkreiskondensator 135 beobachtet werden. Zur Bestimmung des Spannungssprungs können unmittelbar vor und unmittelbar nach dem Ausschalten des Verbrauchers 105 jeweils eine Spannung am Zwischenkreiskondensator 135 bestimmt und voneinander subtrahiert werden. Zur Bestimmung der Spannung genau im Moment des Ausschaltens können Näherungen der Spannungen vor und nach dem Ausschalten durchgeführt werden.
2 zeigt einen Verlauf 200 eines Stroms durch den Verbraucher 105 am Wechselrichter 100 von 1. In horizontaler Richtung ist eine Zeit und in vertikaler Richtung der Strom angetragen. Ein tatsächlicher Strom 205, der durch den Verbraucher 105 fließt, ist mit einer durchgezogenen Linie eingezeichnet. Kreisförmige Markierungen 210 repräsentieren abgetastete Werte des Stroms 205. Bevorzugterweise erfolgt das Abtasten der Werte 210 in regelmäßigen Zeitabständen.
Eine Regression 215 ist mit unterbrochener Linie eingezeichnet. Die Regression 215 wird mittels eines bekannten Verfahrens, beispielsweise auf der Basis der Summe der Fehlerquadrate, bezüglich abgetasteter Werte 210 gebildet. Üblicherweise genügt eine Regression zweiter Ordnung zur ausreichend genauen Modellierung des Stroms 205. In einer Ausführungsform werden zur Bestimmung der Regression 215 alle Werte 210 verwendet, die oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts 220 liegen.
Auf der Basis der Regression 215 kann der Einschaltzeitpunkt 225 als derjenige Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem die Regression 215 den Wert 0 annimmt. Der Ausschaltzeitpunkt 230 des Zwischenkreiskondensators 135 liegt um eine bekannte Zeit nach dem Einschaltzeitpunkt 225 und kann so auf dessen Basis genau bestimmt werden. In Kenntnis des genauen Ausschaltzeitpunkts 230 kann der Betrag des unmittelbar vor diesem Zeitpunkt durch den Verbraucher 105 fließenden Stroms auf der Basis der Regression 215 bestimmt werden, indem der Funktionswert der Regression 215 zum Ausschaltzeitpunkt 230 bestimmt wird.
3 zeigt einen Verlauf 300 einer Spannung am Zwischenkreiskondensator 135 im Wechselrichter 100 von 1. In horizontaler Richtung ist eine Zeit und in vertikaler Richtung die Spannung am Zwischenkreiskondensator 135 angetragen. Die tatsächliche Spannung 305 ist mit durchgezogener Linie eingezeichnet. Mit unterbrochenen Linien sind eine erste Regression 310 und eine zweite Regression 315 für Abschnitte der Spannung 305 eingezeichnet. Nicht in 3 dargestellt sind abgetastete Werte entsprechend den Werten 210 von 2. Trotzdem werden beide Regressionen 310 und 315 auf der Basis von Werten bestimmt, die vorzugsweise in gleichmäßigen zeitlichen Abständen von der Spannung 305 abgetastet werden.
Die erste Regression 310 wird auf der Basis von Werten gebildet, die zwischen dem Einschaltzeitpunkt 235 und dem Ausschaltzeitpunkt 230 liegen. Vorzugsweise wird die erste Regression 310 noch um eine vorbestimmte Zeit über den Ausschaltzeitpunkt 230 hinaus extrapoliert. Die zweite Regression 315 wird auf der Basis von Werten gebildet, die nach dem Ausschaltzeitpunkt 230 liegen. Die zweite Regression 315 kann um ein vorbestimmtes Maß bis vor den Ausschaltzeitpunkt 230 extrapoliert werden. Das Ende des Intervalls, aus dem Werte zur Bildung der zweiten Regression 315 verwendet werden, kann im Rahmen der Anforderungen bestimmt werden. Auf der Basis der Regression 310 und 315 können für den Ausschaltzeitpunkt 230 zwei Spannungen angegeben werden, deren Differenz einem Spannungssprung 320 entspricht, der zum Ausschaltzeitpunkt 230 am Zwischenkreiskondensator 135 zu beobachten ist.
Der äquivalente Serienwiderstand 140 des Zwischenkreiskondensators 135 kann bestimmt werden als Quotient aus dem Spannungssprung 320 und dem Strom zum Ausschaltzeitpunkt 230, wie oben mit Bezug auf die 1 und 2 erläutert wurde. Der auf diese Weise bestimmte äquivalente Serienwiderstand 140 weist auf die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators 135 hin.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Bestimmen des äquivalenten Serienwiderstands 140 des Zwischenkreiskondensators 135 des Wechselrichters 100 von 1. Das Verfahren 400 beginnt in einem Schritt 405, in dem der Verbraucher 105 eingeschaltet wird. Anschließend wird in einem Schritt 410 eine vorbestimmte Wartezeit abgewartet, bevor der Verbraucher 105 in einem Schritt 415 wieder ausgeschaltet wird. Es schließt sich in einem Schritt 420 eine weitere Wartezeit an.
Parallel zu den Schritten 405 bis 420 und gegebenenfalls durch diese Schritte gesteuert erfolgt in Schritten 425 bis 440 ein Abtasten des durch den Verbraucher 105 fließenden Stroms 205 und der am Zwischenkreiskondensator 135 anliegenden Spannung 305. In der dargestellten, exemplarischen Ausführungsform wird in einem Schritt 425 der Verbraucherstrom 200 abgetastet und in einem nachfolgenden Schritt 430 abgespeichert. Dazu kann der Speicher 180 des Wechselrichters 100 aus 1 verwendet werden. Anschließend wird in einem Schritt 435 die Kondensatorspannung 305 des Zwischenkreiskondensators 135 abgetastet und in einem Schritt 440 abgespeichert. Die Schritte 425 bis 440 werden üblicherweise in rascher Folge wiederholt durchlaufen, so dass die Abtastungen der Schritte 425 und 435 regelmäßige zeitliche Abstände aufweisen.
In einem Schritt 445 liegen Abtastwerte für den Strom 205 und die Spannung 305 vor, die eine Dauer abdecken, die sich wenigstens vom Einschaltzeitpunkt 225 bis eine vorbestimmte Zeit nach dem Ausschaltzeitpunkt 230 erstreckt. In einem Schritt 445 wird die Regression 215 über den Strom 205 gebildet, wie oben mit Bezug auf 2 genauer beschrieben ist.
Auf der Basis der bestimmten Regression 215 wird dann in einem Schritt 450 der Einschaltzeitpunkt 225 bestimmt, indem berechnet wird, zu welchem Zeitpunkt die Regression 215 den Wert 0 hatte. In Schritt 455 wird der Ausschaltzeitpunkt 230 berechnet, indem die vorbestimmte Wartezeit des Schritts 410 zum Einschaltzeitpunkt 225 addiert wird.
Wie oben mit Bezug auf 3 genauer beschrieben ist, wird in einem Schritt 460 die erste Regression 310 über die Spannung 305 des Zwischenkreiskondensators 135 vor dem Ausschaltzeitpunkt 230 gebildet. In entsprechender Weise wird in einem Schritt 465 die zweite Regression 315 über die Spannung 305 nach dem Ausschaltzeitpunkt 230 gebildet. In einem nachfolgenden Schritt 470 wird der Spannungssprung 320 zum Ausschaltzeitpunkt 230 bestimmt, indem die Funktionswerte der Regressionen 310 und 315 zum Ausschaltzeitpunkt 230 voneinander abgezogen werden. Anschließend wird in einem Schritt 475 der Quotient des Spannungssprungs zum Ausschaltzeitpunkt 230 und des Stroms 205 zum Ausschaltzeitpunkt 230 als äquivalenter Serienwiderstand 140 des Zwischenkreiskondensators 135 bestimmt.
In einem optionalen Schritt 480 kann eine Temperatur im Bereich des Zwischenkreiskondensators 135 bestimmt werden und der im Schritt 475 bestimmte ESR kann gegebenenfalls auf der Basis der bestimmten Temperatur auf eine vorbestimmte Nenntemperatur bezogen werden. Am Ende eines der Schritte 475 oder 480 kann der bestimmte ESR ausgegeben werden.
In einer Fortbildung des Verfahrens 400 kann in einem Schritt 485 ein Quotient des bestimmten ESR und des ursprünglichen ESR des Zwischenkreiskondensators 135 gebildet werden. Sollte der gebildete Quotient einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigen, beispielsweise 300 %, so kann in einem Schritt 490 bestimmt werden, dass das Ende der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators 135 nah ist. In diesem Fall kann ein entsprechendes Signal ausgegeben werden, um eine entsprechende Behandlung des sich abzeichnenden Ausfalls zu ermöglichen. Übersteigt der genannte Quotient den Schwellenwert im Schritt 485 nicht, so wird in einem Schritt 495 bestimmt, dass der Zwischenkreiskondensator 135 noch ausreichend funktionsfähig ist.
Analytische Beschreibung des Verfahrens
Um den ESR bestimmen zu können, werden der Spannungsabfall am Zwischenkreiskondensator 135 und der Kondensatorstrom i_C benötigt. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass ein erster Zeitpunkt t1 dem Einschaltzeitpunkt 225 und ein zweiter Zeitpunkt t2 dem Ausschaltzeitpunkt 230 in der Darstellung von 2 entspricht.
mit:

ESR: equivalent series resistance, der Serienwiderstand des Zwischenkreiskondensators 135,
U_ZK: Zwischenkreisspannung, die Spannung am Zwischenkreiskondensator 135
i_c: Strom in den Zwischenkreiskondensator 135
t1: Einschaltzeitpunkt 225
t2: Ausschaltzeitpunkt 230
µ: infinitesimal kurze Zeit

Da der Kondensatorstrom i_c nicht bekannt ist, muss er berechnet werden. Während der Verbraucher 105 mittels der Schalteinrichtungen 145 zum Zwischenkreiskondensator 135 parallel geschaltet ist, ergibt sich der Kondensatorstrom i_c aus der Differenz zwischen dem Batteriestrom und dem Leiterstrom. i_c(t1) = i_batt(t1) – i_Leiter(t1) (Gleichung 2) mit:

i_batt: Strom aus der Gleichstromquelle 115
i_Leiter: Strom in den Verbraucher 105

Um eine messtechnische Bestimmung des von der Gleichstromquelle 115 fließenden Stroms i_batt zu vermeiden, wird der Einfluss des Batteriestroms i_batt durch die Wahl eines geeigneten Zeitpunkts für die Messung eliminiert. Ist der Verbraucher 105 ausgeschaltet, so entspricht der Batteriestrom i_batt dem Kondensatorstrom i_c. i_c(t2) = i_batt(t2) Gleichung 3
Der Verlauf des Batteriestroms i_batt ist stetig. Dies ermöglicht die Näherung, dass der Batteriestrom i_batt, während der Verbraucher 105 ausgeschaltet ist, ungefähr dem Batteriestrom i_batt zu einem Zeitpunkt entspricht, der infinitisemal kurz vor dem Ausschaltzeitpunkt t2 liegt. i_c(t2) = i_batt(t2) ≈ i_batt(t2 – µ) (Gleichung 4)
Der Strom i_c in den Zwischenkreiskondensator 135 kann zu diesem Zeitpunkt durch folgende Gleichung beschrieben werden: i_c(t2 – µ) = i_batt(t2) – i_Leiter(t2 – µ) (Gleichung 5)
Durch ersetzen des Batteriestroms i_batt in Gleichung 5 durch Gleichung 3 kann die Differenz der Kondensatorströme i_c nach Umformen der Gleichung 5 anhand des Leiterstroms i_c im Ausschaltzeitpunkt t2 beschrieben werden: i_Leiter(t2 – µ) = i_c(t2) – i_c(t2 – µ) (Gleichung 6)
Der Ausdruck im Nenner von Gleichung 1 kann somit durch den Leiterstrom i_c aus Gleichung 6 ersetzt werden. Der ESR ergibt sich als Quotient von Spannung und Strom:
5 zeigt ein Diagramm von Spannungen am Wechselrichter 100 von 1. In horizontaler Richtung ist eine Zeit und in vertikaler Richtung ein Strom angetragen. Ein erster Verlauf betrifft einen Batteriestrom 505 (i_batt), ein zweiter Verlauf einen Kondensatorstrom 510 (i_c) und ein dritter Verlauf einen durch den Verbraucher 105 fließenden Verbraucherstrom 515 (i_Leiter).
Der Zeitpunkt t1 entspricht dem Einschaltzeitpunkt 225 bzw. dem Schritt 405 und der Zeitpunkt t2 dem Ausschaltzeitpunkt 230 bzw. dem Schritt 415.
Bezugszeichenliste

100: Wechselrichter
105: Verbraucher (Elektromotor)
110: Kraftfahrzeug
115: Gleichstromquelle
120: erste Phase
125: zweite Phase
130: dritte Phase
135: Zwischenkreiskondensator
140: äquivalenter Serienwiderstand
145: Schalteinrichtung
150: Feldeffekttransistor
155: Längswiderstand
160: Messverstärker
165: Tiefpass
170: Analog-Digital-Wandler
175: Verarbeitungseinrichtung
180: Speicher
200: Verlauf
205: Strom
210: abgetasteter Wert
215: Regression
220: Schwellenwert
225: Einschaltzeitpunkt
230: Ausschaltzeitpunkt
300: Verlauf
305: Spannung
310: erste Regression
315: zweite Regression
320: Spannungssprung
400: Verfahren
405: Einschalten Verbraucher
410: vorbestimmte Wartezeit
415: Ausschalten
420: Abwarten
425: Abtasten Verbraucherstrom
430: Speichern Verbraucherstrom
435: Abtasten Kondensatorspannung
440: Speichern Kondensatorspannung
445: Regression über Strom bilden
450: Einschaltzeitpunkt bestimmen
455: Ausschaltzeitpunkt bestimmen
460: Regression über Spannung vor Ausschalten bilden
465: Regression über Spannung nach Ausschalten bilden
470: Spannungssprung bestimmen
475: ESR bestimmen
480: ESR um Temperatur kompensieren
485: ESR/ESR0 > Schwellenwert?
490: defekt
495: OK
505: Batteriestrom
510: Kondensatorstrom
515: Verbraucherstrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kwang-Woon Lee, Myungchul Kim, Jangho Yoon: Condition Monitoring of DC-Link Electrolytic Capacitators in Adjustable Speed Drives, 2008 [0005]

Claims

Verfahren (400) zum Bestimmen des äquivalenten Serienwiderstands (140) eines Zwischenkreiskondensators (135) in einem Wechselrichter (100), wobei der Zwischenkreiskondensator (135) zu einer Gleichstromquelle (115) parallel geschaltet ist, mit folgenden Schritten: – Einschalten (405) eines Verbrauchers (105) parallel zum Zwischenkreiskondensator (135); – Ausschalten (415) des Verbrauchers (105) nach einer vorbestimmten Wartezeit (410); – Bestimmen (470) eines Spannungssprungs (320) am Zwischenkreiskondensator (135) beim Ausschalten; – Bestimmen (445) eines Stroms, der unmittelbar vor dem Ausschalten durch den Verbraucher (105) fließt, und – Bestimmen (475) des äquivalenten Serienwiderstands (140) auf der Basis eines Quotienten aus dem bestimmten Spannungssprung (320) und dem bestimmten Strom.
Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei eine nahende Erschöpfung des Zwischenkreiskondensators (135) bestimmt (485) wird, falls der bestimmte äquivalente Serienwiderstand (140) mehr als ein vorbestimmtes Vielfaches eines ursprünglichen äquivalenten Serienwiderstands (140) beträgt.
Verfahren (400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei – der durch den Verbraucher (105) fließende Strom (205) regelmäßig abgetastet (425) wird; – auf der Basis der abgetasteten Werte eine Regression (215) gebildet wird, und – der unmittelbar vor dem Ausschalten fließende Strom (208) auf der Basis der Regression (215) bestimmt wird.
Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei – der durch den Verbraucher (105) fließende Strom (205) regelmäßig abgetastet wird; – auf der Basis der abgetasteten Werte eine Regression (215) gebildet wird; – der Einschaltzeitpunkt (225) des Verbrauchers (105) des auf der Basis der Regression (215) bestimmt wird, und – der Ausschaltzeitpunkt (230) auf der Basis des Einschaltzeitpunkts (225) und der vorbestimmten Wartezeit (410) bestimmt wird.
Verfahren (400) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Regression (215) nur auf der Basis von abgetasteten Werten (210) bestimmt wird, die über einem vorbestimmten Schwellenwert (220) liegen.
Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei – die Spannung (305) am Zwischenkreiskondensator (135) regelmäßig abgetastet wird; – auf der Basis vor dem Ausschalten (415) abgetasteter Werte eine erste Regression (310) gebildet wird; – auf der Basis nach dem Ausschalten (415) abgetasteter Werte eine zweite Regression (315) gebildet wird, und – der Spannungssprung (320) am Zwischenkreiskondensator (135) auf der Basis der Werte beider Regressionen (310, 315) zum Ausschaltzeitpunkt (230) bestimmt wird.
Verfahren (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Temperatur im Bereich des Zwischenkreiskondensators (135) bestimmt (480) und bei der Bestimmung des äquivalenten Serienwiderstands (140) berücksichtigt wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung (175) abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
Wechselrichter (100) zum Betrieb eines Verbrauchers (105) an einer Gleichstromquelle, wobei der Wechselrichter (100) folgende Elemente umfasst: – einen Zwischenkreiskondensator (135), der parallel zur Gleichstromquelle (115) geschaltet ist; – eine Schalteinrichtung (145) zur Schaltung des Verbrauchers (105) parallel zur Gleichstromquelle (115); – eine erste Abtasteinrichtung (170) zur Bestimmung eines durch den Verbraucher (105) fließenden Stroms (205); – eine zweite Abtasteinrichtung (170) zur Bestimmung einer am Zwischenkreiskondensator (135) anliegenden Spannung (305), und – eine Verarbeitungseinrichtung (175) zur Bestimmung des äquivalenten Serienwiderstands (140) des Zwischenkreiskondensators (135) auf der Basis des Verfahrens (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Wechselrichter (100) nach Anspruch 9, wobei der Verbraucher (105) einen Mehrphasen-Wechselstrommotor (105) umfasst.