-
Die Erfindung betrifft ein System mit einer Steuervorrichtung für Halbleiterschalter eines Wechselrichters und ein Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters, insbesondere in einem Diagnosebetrieb für einen angeschlossenen Gleichspannungszwischenkreis.
-
Stand der Technik
-
Elektro- und Hybridfahrzeuge weisen häufig leistungselektronische Schaltungskomponenten im Antriebssystem zwischen Traktionsbatterie und der elektrischen Maschine auf, welche in der Regel als Spannungszwischenkreisumrichter aufgebaut sind. Dabei dient ein Gleichspannungszwischenkreis als Koppelglied zwischen Traktionsbatterie und einem Wechselrichter, welcher zur Übertragung von elektrischer Leistung aus dem Gleichspannungszwischenkreis auf die elektrische Maschine angesteuert werden kann.
-
Wechselrichter können beispielsweise als Vollbrückenschaltung mit einer Anzahl von Brückenzweigen mit je zwei Halbleiterschaltern ausgeführt sein. Dabei können die mit einem ersten Ausgangsanschluss des Gleichspannungszwischenkreises verbundenen Halbleiterschalter der Brückenzweige jeweils als High-Side-Schalter und die mit dem zweiten Ausgangsanschluss des Gleichspannungszwischenkreises verbundenen Halbleiterschalter der Brückenzweige jeweils als Low-Side-Schalter bezeichnet werden. Als Halbleiterschalter können dabei beispielsweise IGBT-Module (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) mit antiparallel geschalteter Diode oder MOSFETs (Metalloxidfeldeffekttransistoren) verwendet werden.
-
In derartigen Systemen ist es wünschenswert, die im Gleichspannungszwischenkreis eingesetzten Spannungsspeicherelemente wie Zwischenkreiskondensatoren auf Degradationseffekte durch Alterung oder Überlastung hin überprüfen zu können. Solche Degradationseffekte können unter Umständen zu Einschränkungen der Leistungsfähigkeit der Speicherelemente und unter Umständen auch zum Ausfall des gesamten Systems führen.
-
Die Druckschrift
US 2005/0231171 A1 offenbart ein elektrisches Antriebssystem mit einem elektrischen Motor, einem Pulswechselrichter und einem Zwischenkreiskondensator. Der Zwischenkreiskondensator kann über einen entsprechenden Schalterbetrieb des Pulswechselrichters kontrolliert entladen werden.
-
Die Druckschriften
US 2014/0002104 A1 und
US 2014/0032145 A1 offenbaren Diagnosevorrichtungen zum Ermitteln einer Verschlechterung bzw. zum Abschätzen eines Kapazitätsverlusts eines Zwischenkreiskondensators für einen Inverter.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Lösungen für eine schnelle und effektive Ermittlung der aktuellen Kapazität des Zwischenkreiskondensators anzugeben, so dass ein drohender Leistungseinbruch des Zwischenkreises und damit mögliche Ausfälle oder Defekte frühzeitig erkannt werden können.
-
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch ein System mit einer Steuerregelung, einem Wechselrichter, einem Zwischenkreiskondensator, welcher mit Eingangsanschlüssen des Wechselrichters gekoppelt ist, mindestens einer Steuervorrichtung, welche mit Halbleiterschaltern einer Halbbrücke des Wechselrichters gekoppelt ist, wobei die Steuervorrichtung dazu ausgelegt ist, basierend auf einem Steuersignal der Steuerregelung den Halbleiterschalter anzusteuern, mindestens einem Temperatursensor, welcher dazu ausgelegt ist, eine Temperaturänderung der Halbleiterschalter der Halbbrücke des Wechselrichters zu ermitteln, und einem Spannungssensor, welcher dazu ausgelegt ist, die Spannung an dem Zwischenkreiskondensator zu ermitteln, gelöst. Dabei ist die Steuerregelung dazu ausgelegt, das Steuersignal als eine Folge von Steuersignalpulsen mit einer einstellbaren Pulslänge zu erzeugen, so dass die Halbleiterschalter der Halbbrücke des Wechselrichters bei einem Ansteuern gemäß dem Steuersignal während der Pulslänge nicht vollständig leitfähig sind. Weiterhin ist die Steuerregelung dazu ausgelegt, basierend auf einer ermittelten Temperaturänderung des Temperatursensors und einer ermittelten Spannungsänderung des Spannungssensors während des Ansteuerns der Halbleiterschalter der Halbbrücke des Wechselrichters gemäß dem Steuersignal eine aktuelle Kapazität des Zwischenkreiskondensators zu berechnen.
-
Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters gelöst, mit den Schritten des Ansteuerns von Halbleiterschaltern einer Halbbrücke des Wechselrichters mit einem Steuersignal, welches eine Folge von Steuersignalpulsen mit einer einstellbaren Pulslänge aufweist, so dass die Halbleiterschalter der Halbbrücke des Wechselrichters bei einem Ansteuern gemäß dem Steuersignal während der Pulslänge nicht vollständig leitfähig sind, des Ermittelns einer Spannung eines den Wechselrichter speisenden Zwischenkreiskondensators während des Ansteuerns der Halbleiterschalter, des Ermittelns einer Temperaturänderung der Halbleiterschalter der Halbbrücke des Wechselrichters während des Ansteuerns der Halbleiterschalter, und des Berechnens einer aktuellen Kapazität des Zwischenkreiskondensators, basierend auf der ermittelten Temperaturänderung und der ermittelten Spannung.
-
Vorteile der Erfindung
-
Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zwischenkreiskondensator, welcher einen Wechselrichter mit Gleichspannung speist, über die Halbleiterschalter des Wechselrichters in einem Linear- oder Aktivbetrieb zumindest teilweise zu entladen. Diese Entladung führt im Linear- oder Aktivbetrieb der Halbleiterschalter zu elektrischer Verlustleistung und einer einhergehenden Erwärmung der Halbleiterschalter, die in Relation zum Spannungsverlust am Zwischenkreiskondensator gesetzt werden kann. Dadurch, dass über ein thermisches Modell der Halbleiterschalter auf die während des Entladens umgesetzte thermische Energie geschlossen werden kann, ist es möglich, Rückschlüsse auf die aktuell vorhandene Kapazität des Zwischenkreiskondensators zurück zu schließen.
-
Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass mit dem System über den Betriebsmodus des „Antaktens” der Halbleiterschalter ein Diagnosebetriebsmodus geschaffen werden kann, welcher eine fortwährende Überprüfungsmöglichkeit für mögliche Degradationseffekte des Zwischenkreiskondensators bietet. In Ruhemodi des Systems, in denen kein weiterer Verbraucher durch den Zwischenkreis gespeist werden muss, kann daher eine schnelle und effektive Ermittlung der aktuellen Kapazität des Zwischenkreiskondensators durchgeführt werden. Somit kann ein drohender Leistungseinbruch des Zwischenkreises und damit mögliche Ausfälle oder Defekte frühzeitig erkannt werden. Die Gefahr des Ausfalls des Gesamtsystems kann dadurch reduziert werden.
-
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass zum Einen keine weiteren Schaltungskomponenten zum Entladen des Zwischenkreiskondensators verbaut werden müssen, was Platz und Fertigungskosten spart. Zum anderen sind die Halbleiterschalter ohnehin sehr gut thermisch an die Umgebung angebunden, so dass ein Entladen des Zwischenkreiskondensators über den Wechselrichter keine Überhitzung des gesamten Systems verursacht.
-
Vorteilhafterweise können beim Feststellen von Kapazitätsverlusten am Zwischenkreiskondensator Gegenmaßnahmen ergriffen werden, die die Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators verlängern können, beispielsweise eine Senkung der Spitzenbelastung des Zwischenkreises oder eine generelle Senkung der Maximalleistung des Systems. Außerdem können Betriebsparameter des Systems angepasst werden, um Überspannungen im System und insbesondere am Zwischenkreiskondensator in Zukunft zu vermeiden.
-
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Steuervorrichtung eine Ansteuerschaltung, welche dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem durch die Steuerregelung erzeugten Schaltsignal ein Treibersignal zu erzeugen, und eine Treiberschaltung aufweisen, welche zwischen der Ansteuerschaltung und einem Steuereingang der Halbleiterschalter gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, das Treibersignal zu empfangen, in Abhängigkeit von dem Treibersignal ein Schaltersteuersignal zu erzeugen und das Schaltersteuersignal in die Steuereingänge der Halbleiterschalter einzuspeisen.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Ansteuerschaltung dazu ausgelegt sein, das Treibersignal als eine Folge von Treibersignalpulsen mit einer einstellbaren Pulslänge zu erzeugen, so dass die Halbleiterschalter bei einem Ansteuern mit dem Schaltersteuersignal während der Pulslänge nicht vollständig leitfähig sind.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Pulslänge derart einstellbar sein, dass die Halbleiterschalter bei einem Ansteuern mit dem Schaltersteuersignal einen vorbestimmten Stromwert aufweisen.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems können die Halbleiterschalter IGBT-Schalter sein.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann der Temperatursensor dazu ausgelegt sein, die Temperatur der Halbleiterschalter der Halbbrücke des Wechselrichters zu Beginn und am Ende der Folge von Steuersignalpulsen zu ermitteln, und der Spannungssensor kann dazu ausgelegt sein, die Spannung an dem Zwischenkreiskondensator zu Beginn und am Ende der Folge von Steuersignalpulsen zu ermitteln. Dieser Betriebsmodus ermöglicht einen definierten qualitativen periodischen Vergleich der Leistungsfähigkeit des Zwischenkreiskondensators gegenüber einem anfänglichen Zustand, beispielsweise dem Neuzustand oder einem Auslieferungszustand. Durch Wiederholung der Messungen in periodischen Abständen und Speichern der jeweils ermittelten Werte kann bei deutlicher Abweichung der Wert im Verlauf der Zeit auf eine reduzierte Zwischenkreiskapazität geschlossen werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann das System weiterhin eine n-phasigen elektrischen Maschine umfassen, wobei n ≥ 1, welche mit Ausgangsanschlüssen des Wechselrichters gekoppelt ist.
-
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
-
2 eine schematische Darstellung einer Steuervorrichtung für einen Halbleiterschalter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
-
3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Ansteuern eines Wechselrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100, beispielsweise eines elektrischen Antriebssystems 100 eines Fahrzeugs. Das elektrische Antriebssystem 100 umfasst zwei Eingangsanschlüsse T+ und T–, welche beispielsweise durch eine Energiespeichereinrichtung wie eine Hochspannungsbatterie oder eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs mit Spannung versorgt werden können. Die Eingangsanschlüsse T+ und T– sind mit einem Gleichspannungszwischenkreis verbunden, welcher einen Zwischenkreiskondensator 2 aufweist. Der Zwischenkreiskondensator 2 ist über Ausgangsanschlüsse mit Eingangsanschlüssen eines Wechselrichters 10, beispielsweise eines Pulswechselrichters 10, verbunden. Der in 1 dargestellte Spannungszwischenkreisumrichter mit dem Zwischenkreiskondensator 2 und dem Wechselrichter 10 ist beispielhaft als dreiphasiger Umrichter dargestellt, das heißt, der Wechselrichter 10 umfasst drei Brückenzweige mit jeweils zwei Halbleiterschaltern. Der erste Brückenzweig umfasst beispielsweise die Halbleiterschalter 1a und 1d, der zweite Brückenzweig beispielsweise die Halbleiterschalter 1b und 1e und der dritte Brückenzweig beispielsweise die Halbleiterschalter 1c und 1f. Dabei werden die Halbleiterschalter 1a, 1b, 1c einer Brückenseite als High-Side-Schalter bezeichnet, und die Halbleiterschalter 1d, 1e, 1f der anderen Brückenseite als Low-Side-Schalter. Es sollte dabei klar sein, dass jede andere Anzahl von Brückenzweigen bzw. Phasen des Spannungszwischenkreisumrichters ebenso möglich ist, und dass die Bezeichnung der Halbleiterschalter 1a bis 1f als High-Side- und Low-Side-Schalter nur beispielhaft gewählt ist.
-
Die in 1 dargestellten Halbleiterschalter 1a bis 1f können dabei beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. In einer möglichen Ausführungsform sind die Halbleiterschalter jeweils IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), es ist jedoch ebenso möglich, andere Halbleiterschalter in entsprechender Form vorzusehen, zum Beispiel in Form von JFETs (Junction Field-Effect Transistors) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors). Wenn die Halbleiterschalter 1a bis 1f IGBT-Schalter aufweisen, kann es vorgesehen sein, zu jedem der IGBT-Schalter eine in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Diode anti-parallel zu schalten.
-
Das elektrische Antriebssystem 100 weist ferner eine Steuerregelung 50 auf, welche dazu ausgelegt ist, Schaltsignale 5a und 5b zu erzeugen, welche ein schaltendes Ansteuern der Halbleiterschalter codieren. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur die Schaltsignale für die Halbleiterschalter 1a, 1b, 1d und 1e gezeigt, wobei für die Halbleiterschalter 1c und 1f entsprechende Signale erzeugt werden können. Die Schaltsignale können dabei beispielsweise einen logisch niedrigen Pegel aufweisen, wenn die Halbleiterschalter geöffnet sein sollen, und einen logisch hohen Pegel, wenn die Halbleiterschalter geschlossen sein sollen. Die Steuerregelung 50 speist die Schaltsignale 5a und 5b in entsprechende Steuervorrichtungen 4a und 4b ein, welche jeweils für die Ansteuerung der Halbleiterschalter einer Halbbrücke des Wechselrichters 10 verantwortlich sind.
-
Das System 100 umfasst weiterhin einen Spannungssensor 51, welcher mit der Steuerregelung 50 gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die an dem Zwischenkreiskondensator 2 anliegende Spannung zu ermitteln und zur weiteren Verarbeitung an die Steuerregelung zu übermitteln. Zudem umfasst das System 100 einen oder mehrere Temperatursensoren 52, welche jeweils in der Nähe einer der Halbbrücken des Wechselrichters 10 angeordnet sind, und welche dazu ausgelegt sind, die Temperatur der Halbbrücke bzw. der der Halbbrücke zugeordneten Halbleiterschalter 1a bis 1f zu bestimmen. Beispielhaft sind in 1 zwei Temperatursensoren 52 dargestellt, wobei jedoch jede andere Anzahl von Temperatursensoren 52 für einen, mehrere oder alle der Halbbrücken des Wechselrichters 10 ebenso implementiert werden können.
-
Im Folgenden wird die Kopplung der Steuervorrichtungen 4a, 4b mit den zugeordneten Halbleiterschaltern erläutert. Die Steuervorrichtung 4a, 4b weist einen Steuerausgang auf, über welchen ein Steuersignal 7a, 7b an einen Steuereingang der Halbleiterschalter 1a, 1b, 1d, 1e abgegeben werden kann, um den Betrieb der Halbleiterschalters 1a, 1b, 1d, 1e zu steuern. Die Steuervorrichtung 4a, 4b kann beispielsweise über Messleitungen Messsignale, zum Beispiel ein Strommesssignale, welche eine momentane Stromstärke durch den Halbleiterschalter angeben, oder Spannungssignale, welche eine momentane Spannung an einem Verbindungsanschluss des Halbleiterschalters, beispielsweise dem Kollektoranschluss eines IGBT-Schalters, angeben.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Steuervorrichtung 4 für einen Halbleiterschalter 1. Insbesondere ist in 2 eine beispielhafte Ausführungsform der Steuervorrichtungen 4a und 4b und der zugehörigen Halbleiterschalter 1a, 1b, 1d, 1e in höherem Detail gezeigt. Die in 2 verwendeten Bezugszeichen können dabei jeweils mit Buchstaben a und b versehen werden, um die jeweiligen Komponenten des in 1 gezeigten elektrischen Antriebssystems 100 zu kennzeichnen.
-
Allgemein dient die in 2 gezeigte Steuervorrichtungen 4 zum Ansteuern eines Halbleiterschalters 1, insbesondere eines Halbleiterschalters 1 eines Wechselrichters, wie beispielsweise des Wechselrichters 10 in 1. Der Halbleiterschalter 1 ist in 2 beispielhaft als IGBT-Schalter gezeigt, welcher einen Kollektoranschluss 11, einen Emitteranschluss 12, und einen Gate- oder Steuereingang 13 aufweist. Über einen (nicht explizit gezeigten) Stromsensorausgang 14 kann zudem ein Strommesssignal abgeführt werden, welches zur Stromstärke eines momentan durch den IGBT-Schalter 1 fließenden Stroms korreliert. Der IGBT-Schalter 1 kann über den Steuereingang 13 durch Anlegen eines entsprechenden Steuersignals 7 mit einem bestimmten Spannungspegel in verschiedenen Betriebsmodi angesteuert werden. In einem Schaltbetrieb kann der IGBT-Schalter 1 nur in einem Sperr- oder Sättigungsbereich betrieben werden, das heißt, der IGBT-Schalter 1 ist entweder vollständig sperrend oder vollständig leitend. In einem Linear- oder Aktivbetrieb hingegen kann der IGBT-Schalter 1 in einem Verstärkungsbereich betrieben werden, das heißt, die Stromstärke eines Stroms durch den IGBT-Schalter 1 skaliert proportional oder im Wesentlichen proportional zu der an dem Steueranschluss anliegenden Spannung.
-
In der in 2 gezeigten beispielhaften Ausführungsform weist die Steuervorrichtung 4 eine Ansteuerschaltung 16 auf, welche dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einem durch die Steuerregelung 50 eines Wechselrichters 10 erzeugten Schaltsignals 5 ein Treibersignal 18 zu erzeugen. Dabei kann in einem gewöhnlichen Schaltbetrieb des Wechselrichters 10 das Treibersignal 18 im Wesentlichen dem Schaltsignal 5 entsprechen. Das Schaltsignal 5 kann beispielsweise einen logisch hohen Pegel aufweisen, wenn der IGBT-Schalter 1 geschlossen werden soll, und einen logisch niedrigen Pegel, wenn der IGBT-Schalter 1 geöffnet werden soll. Jede andere Ansteuerlogik ist dabei selbstverständlich ebenso möglich. In dem gewöhnlichen Schaltbetrieb ist es vorgesehen, dass der IGBT-Schalter 1 entweder vollständig sperrend oder vollständig leitend ist, so dass das Schaltsignal 5 für eine vorgegebenen Zeitspanne den jeweiligen logischen Pegel beibehält.
-
Die Steuervorrichtung 4 umfasst weiterhin eine Treiberschaltung 15, welche zwischen der Ansteuerschaltung 16 und einem Steuereingang 13 des IGBT-Schalters 1 gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, das Treibersignal 18 zu empfangen und in Abhängigkeit von dem Treibersignal 18 ein Schaltersteuersignal 7 zu erzeugen, welches den IGBT-Schalter 1 ansteuert. Das Schaltersteuersignal 7 wird durch die Treiberschaltung 15 dann in den Steuereingang 13 des IGBT-Schalters 1 eingespeist. Die Treiberschaltung 15 kann dazu beispielsweise einen internen Steuer- oder Gatewiderstand aufweisen, über welchen die Verstärkung des Treibersignals 18 zum Erzeugen des Schaltersteuersignals 7 einstellbar ist.
-
In einem Diagnosemodus des Wechselrichters 10 kann es erforderlich oder gewünscht sein, eine Entladung des Zwischenkreiskondensators 2 vorzunehmen. Mit der Steuervorrichtung 4 kann ein IGBT-Schalter 1 selektiv „angetaktet” werden, das heißt, in einem gepulsten Betrieb angesteuert werden, in dem Ansteuerpulse in den Steuereingang 13 des IGBT-Schalters 1 eingespeist werden, deren Dauer so kurz ist, dass der IGBT-Schalter 1 noch nicht vollständig leitfähig geschaltet wird, sondern sich kurzzeitig in einem Übergangszustand zwischen Sperrzustand und Leitzustand befindet. Während dieser Zeit kann Energie aus dem Zwischenkreiskondensator 2 beim Fließen eines Stroms durch den IGBT-Schalter 1 in Wärme umgewandelt und so die Spannung am Zwischenkreis bzw. die Energie am Zwischenkreis rasch abgebaut werden.
-
Dies ermöglicht insbesondere das Einrichten eines Diagnosebetriebs in einem derart angesteuerten Wechselrichter 10, wodurch in vorteilhafter Weise ein zumindest teilweises Entladen eines den Wechselrichter 10 speisenden Zwischenkreiskondensators, beispielsweise des Zwischenkreiskondensators 2, erfolgen kann. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die bereits vorhandenen Komponenten des Wechselrichters 10 zur Entladung genutzt werden können, ohne dass zusätzliche Schaltungen oder Entladeelemente wie schaltbare Widerstände oder dergleichen verbaut werden müssten.
-
Um diesen Betriebsmodus zu realisieren, kann die Ansteuerschaltung 16 dazu ausgelegt sein, das Treibersignal 18 als eine Folge von Treibersignalpulsen mit einer vorbestimmten und einstellbaren Pulslänge zu erzeugen, so dass der IGBT-Schalter 1 bei einem Ansteuern mit dem Schaltersteuersignal 7 während der Pulslänge nicht vollständig leitfähig ist. Diese Pulslänge kann bezüglich der Ansteuerdauer in einem gewöhnlichen Steuerbetrieb der IGBT-Schalter 1 kurz sein. Beispielsweise kann die Schaltdauer eines IGBT-Schalters 1, während dessen der IGBT-Schalter 1 in einem Normalbetrieb geschlossen bzw. offen gehalten wird, etwa 100 μs betragen. Die Pulslänge kann in diesem Fall wenige μs betragen, beispielsweise zwischen 0,2 μs und 5 μs. Dabei kann die Pulslänge von den physikalischen Parametern des IGBT-Schalters 1 sowie der Treiberschaltung 15 abhängig sein.
-
Die Pulslänge der Treibersignalpulse kann derart eingeregelt werden, dass die Zwischenkreisspannung in einem vordefinierten Maße abnimmt oder dass die Stromstärke durch den IGBT-Schalter 1 einen vorbestimmten Wert annimmt bzw. einen vorbestimmten Schwellwert nicht überschreitet. Dadurch kann eine Überlastung des IGBT-Schalters 1 und damit eine mögliche Beschädigung vermieden werden.
-
In vorteilhafter Weise können während eines derartigen Entladens über die Halbleiterschalter einer Halbbrücke des Wechselrichters 10 im Diagnosebetrieb der jeweils für die angetakteten Halbleiterschalter zuständige Temperatursensor 52 eine Temperaturänderung der Halbleiterschalter 1 der Halbbrücke des Wechselrichters 10 und der Spannungssensor 51 eine Spannungsänderung an dem Zwischenkreiskondensator 2 ermitteln. Die ermittelten Messwerte werden dann durch die Steuerregelung 50 ausgewertet, um basierend auf der ermittelten Temperaturänderung des Temperatursensors 52 und der ermittelten Spannungsänderung des Spannungssensors 51 eine aktuelle Kapazität des Zwischenkreiskondensators 2 zu berechnen.
-
Die vom Kurzschlussstrom im Linear- bzw. Aktivbetrieb der Halbleiterschalter verursachte Verlustleistung führt zu einem Temperaturanstieg in den Halbleiterschaltern. Über ein bekanntes thermisches Modell der Halbleiterschalter bzw. des Leistungsmoduls mit bekannten wirksamen Wärmekapazitäten und thermischen Widerständen bzw. über bekannte Übertragungsfunktionen, können Rückschlüsse auf die während des Entladens des Zwischenkreiskondensators umgesetzte thermische Energie ΔWH in den Halbleiterschaltern bzw. im Leistungsmodul gezogen werden. Wenn nun die Spannungswerte UB und UE zu Beginn und am Ende des Entladebetriebs des Zwischenkreiskondensators ermittelt werden, kann beispielsweise über den Zusammenhang ΔWC = 0,5·C·(UB2-UE2) [1] die dem Zwischenkreiskondensator entnommene Energiemenge ΔWC berechnet werden. Wenn weiterhin angenommen werden kann, dass die dem Zwischenkreiskondensator entnommene Energiemenge ΔWC vollständig über die Halbleiterschalter in thermische Energie ΔWH umgesetzt worden ist, kann die Kapazität C des Zwischenkreiskondensators berechnet werden: C = 2·ΔWH·(UB2 – UE2)–1 [2]
-
Bei gleichen Randbedingungen für den Entladebetrieb kann der Diagnosemodus periodisch wiederholt werden, um bei fest definierten Zwischenkreisspannungen und fest definierten Entladedauern der sich einstellende Wert für die Temperaturerhöhung mit vorab bestimmten und in der Steuerregelung 50 gespeicherten Werten für die Temperaturerhöhung (Sollwerte oder Initialwerte) abgegleichen werden. Bei starken Abweichungen zwischen beiden Werten oder beim Erkennen eines sich verschlechternden Trends kann darauf geschlossen werden, dass sich die Zwischenkreiskapazität verringert. Daraufhin können entsprechende Gegenmaßnahmen getroffen werden, beispielsweise eine Leistungsreduktion des Gesamtsystems, eine Verringerung der Spitzenspannung am Zwischenkreis, eine Ausgabe von Fehler- oder Warnsignalen und/oder eine Speicherung von Logeinträgen in einem Diagnosespeicher des das Antriebssystem einsetzenden Fahrzeugs.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens M zum Ansteuern eines Wechselrichters, insbesondere eines Wechselrichters 10 in dem in 1 dargestellten elektrischen Antriebssystem 100 eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Das Verfahren M umfasst in einem ersten Schritt M1 ein Ansteuern von Halbleiterschaltern einer Halbbrücke des Wechselrichters 10 mit einem Steuersignal 5, welches eine Folge von Steuersignalpulsen mit einer einstellbaren Pulslänge aufweist, so dass die Halbleiterschalter der Halbbrücke des Wechselrichters 10 bei einem Ansteuern gemäß dem Steuersignal 5 während der Pulslänge nicht vollständig leitfähig sind. Während des Ansteuerung der Halbleiterschalter können in den Schritten M2 und M3 die Spannung eines den Wechselrichter 10 speisenden Zwischenkreiskondensators 2 sowie eine Temperaturänderung der Halbleiterschalter der Halbbrücke des Wechselrichters 10 ermittelt werden. Basierend auf der ermittelten Temperaturänderung und der ermittelten Spannung kann dann in Schritt M4 eine aktuelle Kapazität des Zwischenkreiskondensators 2 berechnet werden, insbesondere auf der Basis der weiter oben erläuterten Zusammenhänge der Gleichungen [1] und [2]. Dabei können die Temperatur der Halbleiterschalter der Halbbrücke des Wechselrichters 10 sowie die Spannung an dem Zwischenkreiskondensator 2 jeweils zu Beginn und am Ende der Folge von Steuersignalpulsen ermittelt werden, um eine Temperaturdifferenz und eine Spannungsdifferenz bestimmen zu können.
-
Das Verfahren 30 kann prinzipiell in jedem Betriebsmodus des Wechselrichters 10 durchgeführt werden. Insbesondere kann das Verfahren 30 in einem gewöhnlichen Normalbetrieb des Wechselrichters 10 durchgeführt werden, in dem kein weiteres Speicherelement für elektrische Energie an den Zwischenkreis angekoppelt ist und kein weiterer Verbraucher elektrische Energie aus dem Zwischenkreis entnimmt. In diesem Fall kann beispielsweise in einem Freilaufmodus oder im Regelbetrieb eine oder mehrere der Halbbrücken mit den Halbleiterschaltern 1a bis 1f, welche sich in einem geschlossenen Zustand befinden sollen, während dieser Zeitspanne gepulst angesteuert werden. Dadurch kann über die Auswertung der Temperaturzunahme und der Spannungsänderung am Zwischenkreiskondensator 2 überprüft werden, ob sich die Kapazität des Zwischenkreiskondensator 2 in einem für den Zwischenkreiskondensator 2 plausiblen Bereich befindet. Damit kann zu jedem Zeitpunkt während des Betriebs des Wechselrichters 10 sichergestellt werden, dass der Zwischenkreiskondensator 2 einwandfrei funktioniert.
