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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere Steuergerät für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Folienkondensator, wobei Mittel zum Erfassen einer aktuellen Temperatur des Folienkondensators vorgesehen sind.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechenden Vorrichtung, wobei eine aktuelle Temperatur des Folienkondensators ermittelt wird.
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Stand der Technik
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In elektrischen Schaltungen werden häufig Folienkondensatoren betrieben, die aufgrund elektrischer Verluste oder durch von außen eingetragene Energie an ihre Temperaturgrenzen geraten und zum Ausfall der Schaltung beziehungsweise Vorrichtung führen können. Um die Funktion der Vorrichtung zu schützen und ein rechtzeitig Abschalten beziehungsweise Derating einzuleiten, muss die Temperatur des jeweiligen Folienkondensators überwacht werden. Im einfachsten Fall wird dazu dem Folienkondensator wenigstens ein Temperatursensor zugeordnet, der die Temperatur des Folienkondensators direkt überwacht. Oder es wird softwareseitig ein Temperaturmodell verwendet, um die Temperatur des Folienkondensators laufend zu bestimmen. Da außerdem bei den herkömmlichen Lösungen ein großer Abstand zu einer Grenztemperatur berücksichtigt werden muss, da nur angenäherte Werte zur Abschaltung zur Verfügung gestellt werden, kann eine Ausreizung der Spezifikationsgrenzen des Folienkondensators nicht optimal erfolgen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass auf den Verbau eines Temperatursensors oder das Anwenden eines Softwaremodells, die beide häufig zu ungenauen Ergebnissen führen, verzichtet werden kann. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung können die Temperaturspezifikationen eines Folienkondensators ohne zusätzliche (Temperatur-)Sensoren ausgereizt werden. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass die Mittel eine Auswertereinrichtung aufweisen, die eine aktuelle Kapazität des Folienkondensators erfasst und in Abhängigkeit der erfassten Kapazität die aktuelle Temperatur des Folienkondensators bestimmt. Es ist also vorgesehen, dass die Auswertereinrichtung in Abhängigkeit von der aktuellen Kapazität des Folienkondensators die aktuelle Temperatur ermittelt. Die Kapazität wird also als Kenngröße zur Ermittlung der Betriebstemperatur genutzt. Diese Kenngröße kommt in dem Folienkondensator verteilt zustande, so dass die Temperaturermittlung sehr viel genauer ist, wie die eines punktuell messenden Temperatursensors. Dadurch kann die Spezifikationsgrenze des Folienkondensators besser ausgenutzt werden. Die echte Betriebstemperatur kann außerdem unmittelbar nach Inbetriebnahme der Schaltung beziehungsweise der Vorrichtung erfasst werden, was beispielsweise bei softwaremodellbasierten Auswertungen nicht geschehen kann, die diese eine vorherige Grunddatenermittlung benötigen. Im Unterschied zu softwaremodellbasierten Auswertungen ist es durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung möglich, eine erneute Inbetriebnahme der Vorrichtung nahe der Grenztemperatur des Folienkondensators auch mit hoher Kondensatorbelastung durchzuführen, da das Erreichen der Grenztemperatur dennoch sicher festgestellt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittel außerdem eine Signalerzeugungseinrichtung aufweisen, die ein eine Betriebsspannung des Folienkondensators überlagerndes Signal erzeugt, das die Kapazität des Folienkondensators beeinflusst. Die Betriebsspannung des Folienkondensators wird somit durch das erzeugte Signal überlagert, wobei durch eine entsprechende Vorgabe dieses Signals die Kapazität des Folienkondensators beeinflusst werden kann, um beispielsweise anhand einer Kapazitätsänderung die aktuelle Temperatur festzustellen.
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Vorzugsweise erzeugt die Signalerzeugungseinrichtung als Signal ein Wechselspannungssignal, dessen Frequenz derart gewählt ist, dass der Folienkondensator seine Kapazität ändert. Liegt die Betriebsfrequenz des Folienkondensators bereits in einem derartigen Frequenzbereich, so kann auch die Betriebsfrequenz direkt zur Ermittlung der Kapazitätsänderung verwendet werden. Durch das von außen vorgegebene Signal lässt sich jedoch auch bei einer Betriebsspannung des Folienkondensators außerhalb dieses Bereichs durch das überlagerte Wechselspannungssignal die Temperatur des Folienkondensators anhand seiner Kapazität oder Kapazitätsänderung bestimmen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu einen Schwingkreis aufweist. Schwingkreise in Schaltungen sind grundsätzlich bekannt, und können daher kostengünstig und auf einfache Art und Weise realisiert werden. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung eine Wien-Brücke zum Erfassen der Kapazität oder Kapazitätsänderung des vorliegenden Kondensators aufweist oder bildet.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung einen nicht-flüchtigen Speicher aufweist, in welchem zuvor ermittelte Temperaturwerte in Abhängigkeit von unterschiedlichen Kapazitäten des Folienkondensators in einer Kennlinie oder in einem Kennfeld hinterlegt sind. Die Auswerteeinrichtung kann somit durch ein einfaches Auslesen der Temperatur in Abhängigkeit der erfassten aktuellen Kapazität die Betriebstemperatur des Folienkondensators ermitteln.
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Ferner ist bevorzugt eine Abschalteeinrichtung vorgesehen, die die Vorrichtung oder den Folienkondensator abschaltet, wenn die ermittelte aktuelle Temperatur des Folienkondensators einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet. Der Grenzwert wird derart gewählt, dass bei Erreichen des Grenzwertes ein sicherer Betrieb des Folienkondensators und damit der Vorrichtung gerade noch gewährleistet ist. Durch den Vergleich der ermittelten aktuellen Temperatur mit dem vorgebbaren Grenzwert wird die Betriebssicherheit der Vorrichtung gewährleistet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 führt zu den oben bereits genannten Vorteilen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine aktuelle Kapazität des Folienkondensators erfasst und in Abhängigkeit der erfassten Kapazität die aktuelle Temperatur des Folienkondensators bestimmt wird. Dazu wird bevorzugt auf eine Kennlinie und/oder ein Kennfeld zurückgegriffen, in welchem Temperaturwerte für Kapazitäten des Folienkondensators hinterlegt sind, die bevorzugt durch vorherige Versuche ermittelt oder berechnet wurden. Besonders bevorzugt wird zum Erfassen der Kapazität eine Betriebsspannung des Folienkondensators durch ein Signal, insbesondere ein Wechselspannungssignal überlagert, dessen Frequenz zweckmäßigerweise derart gewählt ist, dass die Kapazität des Folienkondensators beeinflusst wird. Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale des Verfahrens ergeben sich aus dem zuvor beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigt die einzige
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Figur eine Vorrichtung mit einem Folienkondensator und einer Auswerteeinrichtung in einem vereinfachten Blockschaltbild.
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Die Figur zeigt in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Vorrichtung 1, die als Leistungselektronik 2 zum Ansteuern einer elektrischen Maschine 3 ausgebildet ist. Die Leistungselektronik 2 weist dazu einen Inverter 4 mit einer B6-Brückenschaltung auf, die einen Zwischenkreiskondensator Cx aufweist. Der Zwischenkreiskondensator Cx ist als Folienkondensator ausgebildet.
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Die Vorrichtung 1 weist weiterhin eine Auswerteeinrichtung 5 zum Erfassen der aktuellen Kapazität des Zwischenkreiskondensators CX auf. Die Auswerteeinrichtung 5 ist als Wien-Brücke 6 ausgebildet, die in Serie zu dem Folienkondensator Cx einen Kondensator C2P mit hoher Güte beziehungsweis geringem Verlust zugeschaltet ist, der einen hohen Wert annehmen kann. Die Auswerteeinrichtung 5 beziehungsweise die Wien-Brücke 6 weist weiterhin zwei in Serie geschaltete Widerstände R3 und R4 auf, die parallel zu den Kapazitäten Cx und C2P geschaltet sind.
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Die Auswerteeinrichtung 5 weist weiterhin eine Signalerzeugungseinrichtung 7 auf, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Wechselspannungsquelle 8 ausgebildet ist. Das von der Signalerzeugungseinrichtung 7 erzeugte Wechselspannungssignal überlagert im Betrieb eine Betriebsspannung des Inverters 4, die auch den Zwischenkreiskondensator Cx beaufschlagt. Dadurch wird die den Zwischenkreiskondensator beaufschlagende Betriebsspannung durch das Wechselspannungssignal überlagert. Zweckmäßigerweise wird die Frequenz des Signals der Signalerzeugungseinrichtung 7, das die Betriebsspannung überlagert, derart gewählt, dass der Folienkondensator beziehungsweise der Zwischenkreiskondensator Cx in Abhängigkeit von einer Temperatur auch seine Kapazität ändert. Die Auswerteeinrichtung 5 beziehungsweise die Wien-Brücke 6 erkennt die Änderung der Kapazität des Zwischenkreiskondensators Cx und kann jedem Kapazitätswert so eine Betriebstemperatur beziehungsweise die aktuelle Temperatur des Folienkondensators zuordnen. Zweckmäßigerweise sind dazu unterschiedliche Temperaturwerte in Abhängigkeit von Kapazitätswerten des Folienkondensators in einem (hier nicht dargestellten) nicht-flüchtigen Speicher, beispielsweise in einem Kennfeld und/oder als Kennlinie hinterlegt.
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Die Auswerteeinrichtung 5 erfasst somit anhand einer aktuellen Kapazität des Zwischenkreiskondensators Cx dessen aktuelle Temperatur. Eine Abschalteeinrichtung 9 vergleicht die aktuelle Temperatur mit einem vorgebbaren Grenzwert und, falls die aktuelle Temperatur den Grenzwert überschreitet, schaltet den Inverter 4 beziehungsweise die Vorrichtung 1 ab, um eine weitere Erhöhung der Temperatur des Folienkreiskondensators zu vermeiden. Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Abschalteeinrichtung 9, falls die aktuelle Temperatur den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, die Abschaltung der Batterie veranlasst beziehungsweise durchführt. Insbesondere ist hierzu vorgesehen, dass dazu die Abschalteeinrichtung 9 durch einen Datenbus, insbesondere durch einen CAN-Bus mit einer Batterieeinrichtung verbunden ist. Überschreitet die aktuelle Temperatur den vorgebbaren Grenzwert, so sendet die Abschalteeinrichtung 9 ein entsprechendes Signal über den Datenbus an die Batterieeinrichtung, wodurch diese abgeschaltet beziehungsweise insbesondere von dem Inverter 4 oder der Vorrichtung 1 getrennt wird. Vor der Abschaltung wird bevorzugt ein sogenanntes Derating durch die B6-Brückenschaltung der Leistungselektronik 2 durchgeführt.
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Alternativ zur Ausführung als Wien-Brücke 6 kann die Auswerteeinrichtung 5 auch als Maxwell-Wien-Brücke oder dergleichen ausgebildet sein.
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Während in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Vorrichtung 1 eine Leistungselektronik 2 aufweist, kann die Vorrichtung 1 bei Steuergeräten, Strom- und Signalverteilern im Kraftfahrzeugbereich oder auch in anderen Produkten zum Einsatz kommen, wie beispielsweise bei Solaranlagen, Windkraftanlagen, Kraftwerken, Industrieanlagen, Baumaschinen oder dergleichen. Prinzipiell kann die vorgestellte Erfindung bei allen Schaltungen angewendet werden, die aufgrund hoher Umgebungstemperaturen beziehungsweise Verlustleistungen an der Temperaturgrenze des Folienkondensators betrieben werden.
