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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Kapazität eines Zwischenkreiskondensators eines Inverters, wobei der Inverter mit einer elektrischen Maschine verbunden und mit einer Spannungsquelle verbunden/verbindbar ist und zum Betreiben der elektrischen Maschine mehrere betätigbare Leistungsschalter, insbesondere Leistungshalbleiterschalter, aufweist.
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Stand der Technik
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Inverter finden eine immer höhere Anwendungszahl im Automobilbau. Insbesondere durch die sogenannten Hybrid-Antriebsvorrichtungen oder durch elektrische Antriebsvorrichtungen, die mindestens eine elektrische Maschine zur Erzeugung eines Drehmoments aufweisen, wird die Bedeutung der Inverter weiter gesteigert. Dadurch wächst auch die Anforderung an die Zuverlässigkeit des jeweiligen Antriebssystems und insbesondere des jeweiligen Inverters, bezüglich der Lebensdauer des Produkts. Aktuelle verwendete Zwischenkreiskondensatoren müssen voraussichtlich aufgrund von Alterungserscheinungen und der hohen Lebensdauer moderner Fahrzeuge, im Laufe eines Fahrzeuglebens ersetzt werden. Der Zeitpunkt zum Wechseln des jeweiligen Zwischenkreiskondensators hängt jedoch von vielen Faktoren ab, die zum Teil nicht vorhersehbar sind, und ist daher derzeit nicht bestimmbar.
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Grundsätzlich sind zwar Verfahren zur Diagnose von Kondensatoren bekannt, jedoch beschränken sich diese vorwiegend auf die Besonderheiten von Elektrolytkondensatoren. Für Inverter mit einem Folienkondensator als Zwischenkreiskondensator kann auf die bestehenden Verfahren nicht angewendet werden. Darüber hinaus benötigen die verwendeten Verfahren zusätzliche Hardware-Komponenten, die zu einer Erhöhung der Herstellungskosten sowie des Montageaufwandes führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es unabhängig von der Art des verwendeten Zwischenkreiskondensators durchgeführt werden kann und auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine Aussage über die aktuelle Kapazität eines Zwischenkreiskondensators ermöglicht.
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Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass zunächst der Inverter von der Spannungsquelle getrennt wird, falls dies nicht bereits geschehen ist. Bevorzugt wird das Verfahren durchgeführt, sobald der Inverter in einen Entlademodus geschaltet wird beziehungsweise nach jedem Fahrbetrieb eines den Zwischenkreiskondensator aufweisenden Fahrzeugs. Zum Trennen kann beispielsweise ein Trennschütz, ein Schalter oder dergleichen verwendet werden. Nach dem Trennen des Inverters von der Spannungsquelle wird ein erster Wert einer Zwischenkreisspannung des Inverters erfasst beziehungsweise gemessen. Anschließend wird wenigstens ein Leistungsschalter des Inverters betätigt, sodass dieser eine elektrische Verbindung zu der elektrischen Maschine herstellt. Unter dem Betätigen des Leistungsschalters ist in Zusammenhang der vorliegenden Erfindung also ein Schließen des jeweiligen Leistungsschalters zu verstehen. Nachdem oder während der Leistungsschalter betätigt wurde/wird, wird ein zweiter Wert der Zwischenkreisspannung erfasst beziehungsweise gemessen. In Abhängigkeit von dem ersten Wert und dem zweiten Wert der Zwischenkreisspannung wird eine Zwischenkreisspannungsänderung bestimmt. Vorzugsweise wird hierzu eine Differenz aus dem ersten Wert und dem zweiten Wert gebildet. Weiterhin werden von dem Inverter erzeugte Phasenströme zu der elektrischen Maschine gemessen. Dabei wird eine Ladungsänderung des Zwischenkreiskondensators beziehungsweise des Zwischenkreises in Abhängigkeit von einem durch die Betätigung des mindestens einen Leistungsschalters erfolgenden Phasenstroms ermittelt. Zwar ist der Inverter von der Spannungsquelle getrennt worden, jedoch reicht die in dem Zwischenkreis verbleibende Spannung vor einer Entladung des Inverters dazu aus, bei Betätigung des mindestens einen Leistungsschalters einen entsprechenden Phasenstrom zu erzeugen. Zweckmäßigerweise wird das Verfahren daher nur dann durchgeführt, wenn davon ausgegangen werden kann, dass der Zwischenkreis geladen ist. Abschließend wird die Kapazität des Zwischenkreiskondensators in Abhängigkeit von der ermittelten Ladungsänderung und der bestimmten Zwischenkreisspannungsänderung bestimmt. Insbesondere ist vorgesehen, dass hierzu die Ladungsänderung zu der Zwischenkreisspannungsänderung in Bezug gesetzt wird. Durch das so durchgeführte Verfahren werden auf einfache und kostengünstige Art und Weise die zuvor genannten Vorteile erreicht. Insbesondere ist es nicht notwendig, gesonderte Messeinrichtungen vorzusehen, da sämtliche Messdaten üblicherweise bei Invertern bereits erfasst werden und zur Verfügung gestellt werden können. Das Verfahren muss lediglich in ein den Inverter betreibendes Steuergerät implementiert werden, welches auf Basis der dort vorhandenen Daten bezüglich der erfassten Phasenströme und der Zwischenkreisspannungen das Verfahren durchführt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Betätigung des mindestens einen Leistungsschalters impulsartig erfolgt. Das bedeutet, dass die Betätigungsdauer und insbesondere bei Leistungshalbleiterschaltern die Betätigungsspannung/-amplitude eingestellt werden, um beispielsweise einen gewünschten beziehungsweise erwarteten Spannungsabfall der Zwischenkreisspannung und einen entsprechenden Phasenstrom zu erzeugen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Betätigung derart durchgeführt wird, dass in der elektrischen Maschine ein magnetisches Feld verstärkt wird, ohne ein Drehmoment zu erzeugen. Dadurch wird erreicht, dass trotz Erzeugen von Phasenströmen ein sicherer Betrieb der Antriebsvorrichtung gewährleistet ist. Alternativ kann die Betätigung auch derart durchgeführt werden, dass das magnetische Feld geschwächt wird, ohne ein Drehmoment zu erzeugen.
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Um dies zu erreichen ist es insbesondere vorgesehen, dass der Drehwinkel eines Rotors der elektrischen Maschine überwacht und die Betätigung des mindestens einen Leistungsschalters in Abhängigkeit von dem aktuellen Drehwinkel durchgeführt wird. Dadurch ist es möglich, trotz der getrennten Spannungsquelle einen Spannungsimpuls ausschließlich in d-Richtung zu erzeugen, während die q-Komponente bei null bleibt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einem ersten Schritt des Verfahrens ein Trennschütz des Inverters geöffnet wird, um den Inverter von der Spannungsquelle zu trennen.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Alterungszustand des Zwischenkreiskondensators ermittelt wird, indem die bestimmte Kapazität des Zwischenkreiskondensators mit einer zuvor hinterlegten Kapazität des Zwischenkreiskondensators im Neuzustand des Zwischenkreiskondensators verglichen wird. Hierdurch lässt sich durch einen Vergleich der aktuellen mit der ursprünglichen Kapazität erkennen, wie weit die Kapazität des Zwischenkreiskondensators gealtert ist und insbesondere ob ein Austausch der Kapazität zur Beibehaltung der Funktionsfähigkeit des Systems durchgeführt werden sollte.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft zunächst ein speziell hergerichtetes Steuergerät, das Mittel zur Durchführung des Verfahrens enthält. Bei dem Steuergerät kann es sich um das übliche Steuergerät einer Antriebsvorrichtung handeln, die wenigstens eine elektrische Maschine als Antriebseinheit aufweist. Die zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Mittel sind dabei üblicherweise in derartigen Steuergeräten bereits vorhanden oder diesen zugeordnet. Bei dem Mittel handelt es sich insbesondere um Sensoren zum Erfassen der Zwischenkreisspannung und/oder der Phasenströme. Bevorzugt ist als weiteres Mittel ein nichtflüchtiger Speicher vorgesehen, in welchem ein Kapazitätswert des Zwischenkreiskondensators im Neuzustand hinterlegt ist. Weiterhin weist das Steuergerät bevorzugt Mittel zum Anzeigen eines notwendigen Austauschs des Zwischenkreiskondensators auf, falls der Vergleich der aktuellen Kapazität des Zwischenkreiskondensators mit der Kapazität des Zwischenkreiskondensators im Neuzustand den Austausch empfehlenswert macht.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sieht vor, dass alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden, wenn es auf einem Computer abläuft.
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Das erfindungsgemäße Computer-Programmprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode führt das erfindungsgemäße Verfahren aus, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 eine vereinfachte Darstellung eines Antriebssystems mit einem Inverter,
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2 eine vorteilhafte Reglerstruktur zur Durchführung eines Verfahrens zum Bestimmen der Kapazität eines Zwischenkreiskondensators des Inverters,
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3 einen beispielhaften Spannungsimpuls mit zugehöriger Phasenstrom-Antwort,
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4 eine beispielhafte Darstellung einer Entladung des Zwischenkreises des Inverters,
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5 eine beispielhafte Darstellung einer Ladungsänderung des Zwischenkreises.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung den Aufbau einer Antriebsvorrichtung 1 eines hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Antriebsvorrichtung 1 weist eine elektrische Maschine 2 als Antriebsaggregat auf, sowie eine Hochvoltbatterie als Spannungsquelle 3 und einen Inverter 4 zum Betreiben der elektrischen Maschine 2. Der Spannungsquelle 3 ist eine Vorrichtung zum Herstellen oder Trennen der elektrischen Verbindung von der Spannungsquelle 3 zu der elektrischen Maschine 2 zugeordnet, die alternativ aber auch dem Inverter 4 zugeordnet sein könnte. Vorliegend ist die Vorrichtung als Trennschütz 5 ausgebildet.
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Der Inverter 4 ist mit der Spannungsquelle 3 und mit der elektrischen Maschine 2 verbunden und weist eine B6-Brückenschaltung 6 auf, die sechs Leistungshalbleiterschalter T1 bis T6 aufweist. Weiterhin weist der Inverter 4 einen sogenannten Zwischenkreis 7 mit einem Zwischenkreiskondensator 8 auf, der vorliegend als Folienkondensator ausgebildet ist.
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In dem im Folgenden beschriebenen Verfahren wird die Kapazität Czk des Zwischenkreiskondensators ermittelt. Voraussetzung für das Verfahren ist, dass der Zwischenkreis 7 geladen und der Inverter 4 von der Spannungsquelle 3 getrennt ist, beispielsweise durch Öffnen des Trennschützes 5. Diese Situation tritt nach jedem Fahrbetrieb ein, sobald der Inverter 4 in den Entlademodus geschaltet wird. Eine künstliche Erzeugung dieses Zustands ist ebenfalls denkbar.
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Der Bestimmung der Kapazität Czk des Zwischenkreiskondensators 8 liegt die folgende Gleichung zugrunde, wobei ΔQ einer Ladungsänderung und ΔU einer Spannungsänderung des Zwischenkreises 7 entspricht. CZK – ΔQ / ΔU (1)
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Mithilfe einer definierten Entladung der Zwischenkreisspannung UZK, durch eine pulsförmige Ansteuerung zumindest eines der Leistungshalbleiterschalter T1 bis T6 wird kurzzeitig ein Phasenstrom in einer der Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 2 erzeugt. Durch die im Folgenden beschriebene Auswertung der Phasenströme und des auftretenden Spannungsabfalls wird die Gleichung (1) gelöst.
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Um einen der Leistungshalbschalter T1 bis T6 zu betätigen beziehungsweise einen Ladungspuls zu erzeugen, ist kein geschlossener Regelkreis vonnöten. Vielmehr wird bevorzugt eine Umstrukturierung gemäß 2 vorgenommen. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Umstrukturierung zu einer „open-loop“-Struktur, wobei Sensoren IU, IV und IW zum Erfassen der jeweiligen Phasenströme vorgesehen sind. Außerdem ist eine Sensoreinrichtung 9 vorgesehen, die berührend oder berührungslos den Drehwinkel einer Rotorwelle 10 und damit eines Rotors der elektrischen Maschine 2 erfasst. Während der Ausführung des Verfahrens erzwingt ein integrierter Pulsgenerator 11 eine Umschaltung zwischen der regulären und der „open loop“-Struktur gemäß 2.
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Der gewünschte Spannungsimpuls kann frei parametrisiert werden. Der Betrag der dabei auftretenden Phasenströme ist von der Pulsdauer und dem vorgegebenen Spannungswert abhängig. Je länger der Spannungsimpuls andauert und je höher der vorgegebene Spannungswert ist, desto höher sind die resultierenden Phasenströme zu der elektrischen Maschine 2.
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Trotz der bereits erfolgten Trennung zur Spanungsquelle 3 wird der Spannungsimpuls ausschließlich in d-Richtung erzeugt. Die q-Komponente bleibt dabei null. So wird in der elektrischen Maschine 2 lediglich das magnetische Feld verstärkt, jedoch kein Drehmoment erzeugt. Eine exemplarische Darstellung eines Spannungsimpulses mit einem zugehörigen Zwischenkreis- beziehungsweise Phasenstrom sind in 3 gezeigt. Durch die Spannungsimpulserzeugung in Abhängigkeit des Drehwinkels des Rotors der elektrischen Maschine 2 verändert sich die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter T1 bis T6 ständig, sodass stets nur das elektrische Feld der Maschine 2 verstärkt, jedoch kein Drehmoment erzeugt wird.
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Mittels einer in dem Inverter 4 vorgesehenen Messeinrichtung wird die Zwischenkreisspannung UZK erfasst. Die Messwerte stehen bevorzugt in digitaler Form einem hier nicht näher dargestellten Steuergerät zur Verfügung. Als Reaktion auf den Spannungsimpuls kommt es durch die durch den geöffneten Trennschütz 5 unterbrochene Spannungsversorgung zu einem Abfall der Zwischenkreisspannung UZK. Diese Zwischenkreisspannungsänderung ΔUZK wird gespeichert und ausgewertet.
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Wie aus 4 ersichtlich, wird zu Beginn des Verfahrens zu einem Zeitpunkt t0 der Trennschutz 5 geöffnet beziehungsweise unterbrochen. Zu einem darauffolgenden Zeitpunkt t1 wird ein erster Wert der Zwischenkreisspannung UZK erfasst und anschließend der zumindest eine Leistungshalbleiterschalter der Leistungshalbleiterschalter T1 bis T6 betätigt. Anschließend wird zu einem Zeitpunkt t2 ein zweiter Wert der Zwischenkreisspannung UZK erfasst. Aus dem ersten Wert und dem zweiten Wert wird die Zwischenkreisspannungsänderung ΔUZK berechnet.
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Zur Bestimmung der Kapazität des Zwischenkreiskondensators
8 wird außerdem eine Ladungsänderung des Zwischenkreises, die durch den Spannungsimpuls beziehungsweise die Betätigung des mindestens einen Leistungshalbleiterschalters verursacht wird, berücksichtigt. Zum Ermitteln der Ladungsänderung können verschiedene Verfahren durchgeführt werden, die auf den gemessenen Phasenströmen beruhen. So ist es beispielsweise möglich, die erfassten Phasenströme zu interpolieren und integrieren. Das Resultat ist dann eine quantisierte Ladungsmenge, welche auf den Zeitraum des verwendeten Rechenrasters beschränkt ist. Eine getrennte Auswertung jedes einzelnen Phasenstroms macht die folgende Gleichung erforderlich:
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Die Rückrechnung in einen Gesamtstrom ist vorliegend nicht relevant. Ebenso können andere Verfahren zum Berechnen oder Messen des Zwischenkreisstroms für das beschriebene Verfahren genutzt werden.
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Im Hinblick auf die Ladungsänderung ΔQ aus Gleichung (1) ist diese durch die Summation der einzelnen Ladungsmengen aus Gleichung (2) berechenbar. Dieser Sachverhalt ist beispielhaft in 5 dargestellt.
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Auf Grundlage der ermittelten Parameter wird die Kapazität des Zwischenkreiskondensators 8 beziehungsweise Zwischenkreises 7 mit Gleichung (1) berechnet. Bevorzugt wird die berechnete Kapazität CZK des Zwischenkreiskondensators 8 mit der Kapazität des Zwischenkreiskondensators im Neuzustand verglichen, die bevorzugt im Steuergerät hinterlegt ist, und dadurch eine Aussage über den Alterungszustand des Zwischenkreiskondensators 8 getroffen.
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Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass für eine Umsetzung lediglich entsprechende Parameter oder Programme in das Steuergerät der Antriebsvorrichtung 1 implementiert werden müssen. Zusätzliche Bauteile sind nicht erforderlich. Mit leichten Modifikationen ist außerdem die Verwendung zur Durchführung des Verfahrens bei jeglichen gesteuerten Energiekonvertern der Leistungselektronik denkbar.
