DE102019219035A1

DE102019219035A1 - Verfahren und Messeinrichtung zum Überwachen eines Stromrichters

Info

Publication number: DE102019219035A1
Application number: DE102019219035.9A
Authority: DE
Inventors: Elena Lostia; Andrea Deflorio; Vicente Garcia Alvarez; Martin Lauersdorf; Christine Arenz; Raimundo Varas Manso
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Stromrichters (140) mit Halbleiterschaltelementen und einem Kondensator, wobei eine Änderung eines Stromes, der während eines Betriebs des Stromrichters (140) durch den Stromrichter fließt, mittels Strahlungskopplung an den Stromrichter (140) erfasst wird, und wobei anhand eines Verlaufs der Änderung des Stromes wenigstens eine für den Betrieb und/oder einen Zustand des Stromrichters charakteristische Größe ermittelt wird, sowie eine Messeinrichtung hierzu und eine Verwendung einer solchen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messeinrichtung zum Überwachen eines Stromrichters mit Halbleiterschaltelementen und wenigstens einem Kondensator sowie eine Verwendung einer solchen Messeinrichtung.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen, insbesondere bei einem Einsatz in einem Fahrzeug, können motorisch oder generatorisch an einem Wechselrichter bzw. Inverter (oder allgemein Stromrichter) betrieben werden, der von einem Gleichspannungskreis gespeist wird. Üblich für solche Inverter ist eine getaktete Ansteuerung von Schaltelementen, insbesondere Halbleiterschaltelementen wie MOSFETs oder IGBTs, beispielsweise im Wege einer Pulsbreitenmodulation (PWM). Dies dient insbesondere dazu, eine erwünschte, beispielsweise möglichst sinus-förmige Grundwelle des Spannungsverlaufs zu erhalten.
Ein solcher Wechselrichter ist in einem Fahrzeug dann in ein Bordnetz eingebunden, bei dem es sich um ein Gleichspannungsnetz, insbesondere auch mit hohen Spannungen - hier wird dann von einem sog. Hochvolt-Bordnetz gesprochen - handelt. Generell können an ein solches Bordnetz auch mehrere solcher Wechselrichter sowie auch andere Komponenten bzw. Verbraucher angeschlossen sein.
Bei einem solchen Stromrichter ist es wünschenswert - und zwar insbesondere unabhängig von der konkreten Verwendung in einem Fahrzeug oder anderweitig - Informationen über den aktuellen Zustand während des Betriebs zu erhalten, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Messeinrichtung zum Überwachen eines Stromrichters mit Halbleiterschaltelementen und einem Kondensator, sowie eine Verwendung einer solchen Messeinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, von einem Stromrichter im Betrieb abgestrahlte elektromagnetische Strahlung zu empfangen und zu analysieren und basierend darauf den Zustand des Stromrichters zu ermitteln. Auf Grundlage des ermittelten Zustands kann dann insbesondere der Betrieb besser gesteuert werden. Die Strahlungskopplung ist sowohl kapazitiv als auch induktiv.
Bei den Halbleiterschaltelementen kann es sich insbesondere um MOSFETs oder IGBTs handeln, und sie sind zweckmäßigerweise als Brücke angeordnet, sodass es sich bei dem Stromrichter um einen Brückenstromrichter, z.B. einen Brückenwechselrichter oder Brückengleichrichter handelt. Bei dem Kondensator handelt es sich insbesondere um einen sog. Zwischenkreiskondensator.
Besonders relevante, für den Betrieb und/oder einen Zustand des Stromrichters charakteristische Größen, anhand welcher dann insbesondere auch der Zustand des Stromrichters beurteilt und ggf. dessen Betrieb angepasst werden können, sind insbesondere die wechselspannungsseitigen und gleichspannungsseitigen Ströme, z.B. ein Strom durch einen Halbleiterschalter, insbesondere ein Phasenstrom, ein Gleichstrom im Stromrichter, und eine Temperatur der Halbleiterschaltelemente, und eine Temperatur des Kondensators.
Solche Größen können nun zwar mittels Stromsensoren (ggf. auch über eine Spannungsmessung an einem elektrischen Widerstand) und Temperatursensoren erfasst werden. Allerdings müssen solche Sensoren bereitgestellt und vor allem im Stromrichter eingebaut werden.
Im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens wird nun eine Änderung wenigstens eines Stromes, der während eines Betriebs des Stromrichters in dem Stromrichter fließt, mittels Strahlungskopplung an den Stromrichter erfasst. Dies erfolgt bevorzugt mittels einer Antenne, die wiederum Teil einer entsprechenden Messeinrichtung sein kann. Die Antenne kann dann, beispielsweise in Form einer elektrischen Schleife, in der Nähe des Stromrichters, insbesondere der Halbleiterschaltelemente, angeordnet werden. Hierbei ist dann keine galvanische Kopplung nötig.
Die Strahlungskopplung ist möglich, da zeitliche Änderungen von Strömen bzw. Stromflüssen im Stromrichter ein elektro-magnetisches Feld erzeugen, welches wiederum mit beispielsweise der erwähnten Antenne bzw. elektrischen Schleife erfasst und in ein entsprechendes Spannungssignal gewandelt bzw. als solches erfasst werden kann.
Anhand eines Verlaufs der (zeitlichen) Änderung des Stromes, der ja letztlich dem z.B. durch die Antenne erzeugten Spannungsverlauf entspricht bzw. dadurch zumindest ermittelt bzw. berechnet werden kann, wird dann wenigstens eine für den Betrieb und/oder einen Zustand des Stromrichters charakteristische Größe - bzw. ein oder mehrere Werte dieser Größe - ermittelt. Dies kann durch eine entsprechende Analyse des konkreten Verlaufs der (zeitlichen) Änderung des Stroms erfolgen, der sich insbesondere aus zwei verschiedenen Abschnitten bzw. Komponenten, die sich entsprechend wiederholen können, zusammensetzt. Für eine genauere Erläuterung, wie aus dem Verlauf auf solche charakteristische Größen geschlossen werden kann bzw. wie solche ermittelt werden können, sei auf die noch folgenden Ausführungen verwiesen.
Durch dieses vorgeschlagene Vorgehen kann der Zustand eines Stromrichters nun deutlich einfacher und vor allem ohne zusätzliche Hardware wie Strom- oder Temperatursensoren ermittelt werden. Eine entsprechende Messeinrichtung kann damit auch kompakter gestaltet werden, und sie ist einfacher und schneller zu entwickeln, kostengünstiger herzustellen und kann auch besonders einfach standardisiert werden.
Der Verlauf der (zeitlichen) Änderung des Stroms, wie er bei üblichem Betrieb eines Stromrichters auftritt, weist insbesondere zwei verschiedene (wiederkehrende) Abschnitte auf. Ein Abschnitt umfasst einen Puls mit nachfolgenden Schwingungen, der andere Abschnitt hingegen umfasst eine differenzierbare Änderung des Verlaufs, also z.B. ein langsames Ansteigen oder Absinken.
Der Puls entsteht durch ein Kommutieren im Stromrichter, wenn also der Stromfluss von einem Halbleiterschalter auf einen anderen umgeschaltet wird. Der hierbei hervorgerufene, schnelle Stromanstieg macht sich durch einen (abrupten) Puls in der zeitlichen Ableitung des Stromes, also der (zeitlichen) Änderung des Stromes, bemerkbar. Der nachfolgende Einschwingvorgang erzeugt die schon erwähnten Schwingungen nach dem Puls.
Die langsame Änderung hingegen - hierunter soll insbesondere eine Abgrenzung zu dem abrupten Puls mit den nachfolgenden Schwingungen verstanden werden - entsteht dann, wenn kein Umschalten bzw. Kommutieren zwischen verschiedenen Halbleiterschaltelementen stattfindet. Eine Änderung in der zeitlichen Ableitung des Stromes, also der (zeitlichen) Änderung des Stromes, ergibt sich hier insbesondere bei einer induktiven Last (z.B. elektrische Maschine).
Vorzugsweise wird daher anhand des Verlaufs der Änderung des Stromes die wenigstens eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe ermittelt, indem ein Puls, insbesondere mit nachfolgenden Schwingungen, im Verlauf analysiert wird. Anhand des Pulses, insbesondere einer Zeitdauer bis zum Erreichen einer maximalen Amplitude des Pulses, wird dann vorzugsweise ein Strom in dem Stromrichter, insbesondere ein Phasenstrom, als eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe ermittelt. Hierbei bedient man sich der Erkenntnis, dass die Zeitdauer, die nötig ist, bis der (volle) Strom nach einem Kommutieren zwischen Halbleiterschaltelementen komplett über das dann leitende Halbleiterschaltelement fließt, umso länger ist, je höher der Strom bzw. dessen Betrag ist. Dies schlägt sich entsprechend auch in der Zeitdauer, bis der erwähnte Puls seinen Maximalwert erreicht hat, nieder.
Anhand des Pulses, insbesondere der Amplitude des Pulses, kann vorzugsweise auch eine Temperatur wenigstens eines der Halbleiterschaltelemente, vorzugsweise auch mehrerer oder aller Halbleiterschaltelemente, als eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe ermittelt werden. Hierbei bedient man sich der Erkenntnis, dass sich die Geschwindigkeit des Kommutierens des Stromes, also wie lange es dauert, bis der Stromfluss in dem einen Zweig bzw. Brückenzweig des Stromrichter verschwindet und sich in dem anderen Zweig bzw. Brückenzweig ausbildet, in der maximalen Amplitude des Pulses niederschlägt, der ja die zeitliche Ableitung des Stromes darstellt. Diese Geschwindigkeit des Kommutierens des Stromes wiederum ist aber eine Funktion der Temperatur der beteiligten Halbleiterschaltelemente.
Anhand der dem Puls nachfolgenden Schwingungen, insbesondere deren Frequenz und/oder Dämpfung, wird vorzugsweise eine Temperatur des Kondensators als eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe ermittelt. Hierbei bedient man sich der Erkenntnis, dass die Schwingungen sehr stark von dem elektrischen Stromkreis, in dem der Strom im Stromrichter fließt, abhängen. Teil dieses Stromkreises ist der Kondensator, dessen Kapazität die Frequenz und ggf. Dämpfung des Stroms beeinflusst. Die Temperatur des Kondensators wiederum beeinflusst aber die Kapazität.
Vorteilhafterweise wird anhand des Verlaufs der Änderung des Stromes die wenigstens eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe ermittelt wird, indem eine zumindest im Wesentlichen differenzierbare Änderung im Verlauf analysiert wird, wie sie vorstehend erwähnt wurde. Besonders zweckmäßig ist hierbei, wenn anhand der differenzierbaren Änderung ein Phasenstrom in dem Stromrichter und/oder ein Gleichstrom im Stromrichter als eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe ermittelt werden.
Besonders zweckmäßig ist es hierbei auch, wenn die wenigstens eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe anhand des Verlaufs der Änderung des Stromes - bzw. des durch eine Antenne gemessene Strahlungsverlaufs, den die Änderungen des Stroms verursachen - mittels eines neuronalen Netzes oder anderer Maschinenlernverfahren ermittelt wird. Mit anderen Worten kann also unter Verwendung künstlicher Intelligenz auf die relevanten charakteristischen Größen geschlossen werden. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, beispielsweise anhand eines Kennfelds mit z.B. Vergleichsdaten aus Testmessungen oder dergleichen die relevanten charakteristischen Größen zu ermitteln.
Vorteilhafterweise wird die Änderung des Stromes, der während des Betriebs des Stromrichters durch den Stromrichter fließt, mittels Strahlungskopplung mit wenigstens einer Antenne in wenigstes zwei voneinander verschiedenen Bereichen des Stromrichters erfasst, womit Störungen von in der wenigstens einen Antenne induzierten Signalen reduziert werden. Ebenso kann damit aber auch eine Unterscheidung verschiedener, für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristischer Größen verbessert werden. Zweckmäßigerweise umfassen hierzu die wenigstens zwei Bereiche einen Gleichstrombereich und einen Wechselstrombereich des Stromrichters und/oder einen Bereich der Halbleiterschaltelemente und einen Bereich außerhalb der Halbleiterschaltelemente.
Hierunter ist zu verstehen, dass die Antenne oder ggf. mehrere Antennen, insbesondere jeweils in Form elektrischer Schleifen, derart angeordnet werden können, dass sich die darin induzierten Signale zumindest im Bereich von Störungen teilweise oder vollständig destruktiv überlagern. So kann eine elektrische Schleife als Antenne z.B. durch gezielt gekreuzte Anordnung zweier Teilschleifen sich gegenseitig destruktiv überlagernde Signale ergeben. Denkbar ist auch, zwei getrennte Antennen bzw. elektrischen Schleifen zu verwenden, deren Signale dann entsprechend miteinander verrechnet oder auch einfach nur voneinander abgezogen werden. Für konkrete Beispiele sowie zur näheren Erläuterung sei an dieser Stelle auf die Figurenbeschreibung verwiesen.
Besonders zweckmäßig ist es auch, wenn basierend auf einem Wert oder ggf. mehreren Werten der ermittelten wenigstens einen für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristischen Größe der Betrieb des Stromrichters angepasst wird. Die durch das vorgeschlagene Vorgehen mit der Strahlungskopplung gewonnenen Werte der betreffenden Größen können also nicht nur ermittelt werden, was eine Überwachung des Stromrichters ermöglicht, wobei z.B. etwaige Abweichungen von Vergleichs- oder Sollwerten erkannt werden können, sondern auch dazu verwendet werden, im Falle etwaiger solcher Abweichungen den Betrieb des Stromrichters anzupassen, um z.B. etwaige Fehler oder Schäden wie Überhitzung zu vermeiden.
Dies kann auch dazu verwendet werden, den Betrieb von Lasten, die mittels des Stromrichters betrieben wird, wie z.B. eine elektrische Maschine, anzupassen, wenn z.B. aufgrund eines erhöhten Phasenstroms oder einer erhöhten Temperatur im Stromrichter auf einen bevorstehenden Fehler oder Schaden geschlossen werden kann.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die wenigstens eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe anhand des Verlaufs der Änderung des Stromes und weiterhin anhand von Steuerungsinformationen des Stromrichters (insbesondere der Schaltersteuerung) ermittelt und zugeordnet wird. Z.B. kann die ermittelte Temperatur als eine solche charakteristische Größe angepasst werden und den richtigen Halbleiterschaltelementen (im Stromrichter) zugeordnet werden; die Ströme können entsprechend den richtigen Phasen zugeordnet werden usw. Dies bietet den Vorteil, dass mit nur einem Signal oder zumindest wenigen Signalen - also mit wenig Hardware - mehrere charakteristische Größen ermittelt werden können.
Zudem ist es von Vorteil, wenn zeitliche Abschnitte des Verlaufs der Änderung des Stromes, die für die Ermittlung der wenigstens einen für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristischen Größe verwendet werden, anhand von Steuerungsinformationen für den Stromrichter (insbesondere Steuerungszeiten und/oder -zuständen von Halbleiterschaltern) gewählt werden. Der Vorteil hierbei ist, dass die Verarbeitung der charakteristischen Größe bedeutend einfacher und weniger rechenintensiv wird, da die zeitliche Position von Signal-Pulsen oder Stromrichter-Zuständen in der Regel schon bekannt sind und nicht untersucht werden müssen.
Hinsichtlich weiterer bevorzugter Ausgestaltungen und Vorteile der Messeinrichtung und deren Verwendung sei an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen auf vorstehende Ausführungen zum Verfahren verwiesen, die hier entsprechend gelten.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch einen Stromrichter mit elektrischer Maschine zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 bis 5 zeigen Verläufe von Strom in einem Stromrichter und dessen Änderung über der Zeit zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
6 bis 9 zeigen verschiedene Anordnungen mit jeweils einem Stromrichter und einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung in verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch ein Stromrichter 140 mit daran angeschlossener elektrischer Maschine 100 zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Der Stromrichter, hier in Form eines Wechselrichters, insbesondere Brückenwechselrichters, dient dabei zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 100. Der Stromrichter 140 kann dabei eine Leistungselektronik für die elektrische Maschine 100 bilden oder Teil einer solchen Leistungselektronik sein.
Der Stromrichter 140 weist zwei Gleichspannungsanschlüsse 131, 132 auf, die auf übliche Weise, neben einem Kondensator bzw. Zwischenkreiskondensator 135, mit beispielhaft sechs Halbleiterschaltelementen 121 bis 126, beispielsweise MOSFETs, verbunden sind. Zwischen jeweils zwei der Halbleiterschalter ist eine Phasenwicklung (denkbar wären auch mehrere Phasenwicklungen) der elektrischen Maschine 100 angebunden.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass es sich bei dem Stromrichter nicht nur um einen Wechselrichter, sondern insbesondere auch um einen Stromrichter handeln kann, der auch als Gleichrichter betrieben werden kann, sodass die elektrische Maschine insgesamt sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ist.
Der Stromrichter 140 kann mit seinen Gleichspannungsanschlüssen 131, 132 beispielsweise an ein Bordnetz, z.B. in einem Fahrzeug, angeschlossen sein. An das Bordnetz wiederum sind typischerweise weitere Komponenten, sowie eine Batterie bzw. Fahrzeugbatterie angebunden.
Während eines Betriebs des Stromrichters 140 werden die einzelnen Halbleiterschalter 121 bis 126 z.B. mittels einer geeigneten Ansteuerschaltung auf geeignete Weise zum Öffnen bzw. Schließen angesteuert. Dies erfolgt insbesondere mit einer bestimmten, ggf. auch veränderbaren, Taktfrequenz von beispielsweise 10 oder 12 kHz. Bei einer üblichen Ansteuerung ist beispielsweise immer je Zweig ein Schalter geschlossen und der andere geöffnet.
Zudem ist ein Strom bzw. Stromfluss I_PM, sog. „Power Module Current“, der durch die getaktete Ansteuerung der Halbleiterschalter erzeugt wird, gezeigt. Bei diesem Strom handelt es sich um zwischen der Brückenschaltung mit den Halbleiterschaltelementen und dem Kondensator 135 bzw. der Gleichspannungsseite ausgetauschten Strom. Ebenso ist ein Gleichstrom Idc gezeigt.
Anhand dieses Stromrichters soll nun beispielhaft das vorgeschlagene Verfahren näher erläutert werden, insbesondere wie die erwähnten charakteristischen Größen anhand des Verlaufs der (zeitlichen) Änderung des Stromes, der während des Betriebs des Stromrichters in dem Stromrichter fließt, ermittelt bzw. gewonnen oder berechnet werden können. Wenngleich dies beispielhaft anhand eines dreiphasigen Stromrichters mit sechs entsprechend verschalteten Halbleiterschaltelementen erfolgt, so kann dies entsprechend auf einen beliebigen anderen Stromrichter übertragen werden.
Beim üblichen Betrieb des Stromrichters 140 gibt es typischerweise acht verschiedene Schaltstellungen, die hier beispielsweise mit den Ziffern bzw. Zuständen 0 bis 7 bezeichnet werden. Im Zustand 0 sind alle Low-Side Halbleiterschaltelemente, hier also 124 bis 126, zugleich mit dem negativen Anschluss 131 verbunden und alle High-Side Halbleiterschaltelemente, hier also 121 bis 123, zugleich geöffnet. Damit sind alle Phasen auf der negativen Seite kurzschlossen. Im Zustand 7 hingegen sind alle High-Side Halbleiterschaltelemente zugleich mit dem positiven Anschluss 132 verbunden und alle Low-Side Halbleiterschaltelemente geöffnet. Damit sind alle Phasen auf der positiven Seite kurzschlossen.
Im Zustand 1 ist die erste Phase mit dem positiven Anschluss 132 verbunden, die anderen beiden Phasen sind mit dem negativen Anschluss 131 verbunden, d.h. die Halbleiterschaltelemente 121, 125 und 126 sind geschlossen bzw. leitend, die Halbleiterschaltelemente 122, 123 und 124 sind geöffnet bzw. nicht leitend. Im Zustand 2 sind die erste und die zweite Phase mit dem positiven Anschluss 132 verbunden, die andere Phasen ist mit dem negativen Anschluss 131 verbunden, d.h. die Halbleiterschaltelemente 121, 122 und 126 sind geschlossen bzw. leitend, die Halbleiterschaltelemente 123, 124 und 125 sind geöffnet bzw. nicht leitend. Die übrigen Zustände 3 bis 6 ergeben sich entsprechend und auf übliche Weise.
In den 2 bis 5 sind nun Verläufe von Strom I (in 2) in einem Stromrichter wie in 1 gezeigt und dessen (zeitliche) Änderung bzw. dessen zeitliche Ableitung dl/dt (3 bis 5), jeweils über der Zeit t zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
In 2 ist zunächst ein Beispiel eines Verlaufs von I_PM als ein solcher Strom I gezeigt. Dabei entspricht das Zeitintervall T0 einem Zeitintervall, in dem der Zustand 0 anliegt, d.h. der Strom I ist Null; das Zeitintervall T1 einem Zeitintervall, in dem der Zustand 1 anliegt, d.h. der Strom I entspricht dem Phasenstrom der ersten Phase; und das Zeitintervall T2 einem Zeitintervall, in dem der Zustand 2 anliegt, d.h. der Strom I entspricht dem Phasenstrom der dritten Phase, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen.
In 3 ist nun eine zeitliche Änderung dl/dt dieses Stroms I aus 2 dargestellt. Diese zeitliche Änderung kann, wie erwähnt, mittels einer Antenne und Strahlungskopplung erfasst werden. Hier ist bereits zu sehen, dass dieser Verlauf V Pulse und differenzierbare Abschnitte mit nur geringer zeitlicher Änderung aufweist. Hierzu sind ein solcher Puls V₁ mit daran anschließenden Schwingungen V₁' in 4 und eine differenzierbare Änderung V₂ (siehe auch 5) jeweils zeitlich deutlich vergrößert, dargestellt.
Ein solcher Puls, wie in 4 zu sehen, entsteht durch ein Kommutieren im Stromrichter, wenn also der Stromfluss von einem Halbleiterschalter auf einen anderen umgeschaltet wird. Der hierbei hervorgerufene, schnelle Stromanstieg macht sich durch einen (abrupten) Puls in der zeitlichen Ableitung dl/dt des Stromes bemerkbar. Der nachfolgende Einschwingvorgang erzeugt die schon erwähnten Schwingungen nach dem Puls.
Wie vorstehend ausführlich erläutert, können anhand eines solchen Pulses anhand der Zeitdauer Δt (siehe 4) bis zum Erreichen einer maximalen Amplitude A des Pulses ein Phasenstrom, und anhand der (maximalen) Amplitude A (4) eine Temperatur der Halbleiterschaltelemente (insbesondere derjenigen, die gerade Strom kommutiert haben) ermittelt werden. Anhand der Schwingungen, insbesondere deren Frequenz und/oder Dämpfung (also, wie schnell die Schwingungen abklingen), kann eine Temperatur des Kondensators ermittelt werden.
Die differenzierbare Änderung, wie in 5 zu sehen, hingegen entsteht dann, wenn es kein Umschalten bzw. Kommutieren zwischen verschiedenen Halbleiterschaltelementen gibt. Eine gewisse (leichte) Änderung in der zeitlichen Ableitung des Stromes, also der (zeitlichen) Änderung des Stromes, ergibt sich hier aufgrund der Variation der Phasenströme. Hiermit können dann, wie ebenfalls schon erwähnt, ein Phasenstrom und/oder ein Gleichstrom ermittelt werden.
Nachfolgend soll hierzu eine etwas nähere Erläuterung anhand beispielhafter Gleichungen folgen. Dabei soll angenommen werden, dass eine Last des Stromrichters folgender Gleichung folgt: $\frac{d i_{j}}{d t} = a_{S w S t, j} \cdot i_{1} + b_{S w S t, j} \cdot i_{2} + c_{S w S t, j} \cdot i_{3} + ν_{j} (SwSt, LoadSt, DC),$
wobei i_j dem Strom in der Phase j entspricht, α, b und c Koeffizienten sind, die vom Schaltzustand der Brücke und der Phase, von welcher aktuell die Ableitung des Stromes berechnet wird, abhängen, und v die resultierende Spannung angibt, die zum Inkrement des Stromes der Phase j beiträgt. Dies ist eine Funktion des Zustands der Brücke (SwSt), des Lastzustands (LoadSt) sowie des Gleichspannungsnetzes (DC). Eine ähnliche Gleichung kann für den Gleichstrom i_dc angegeben werden: $\frac{d i_{d c}}{d t} = a_{S w S t, d c} \cdot i_{1} + b_{S w S t, d c} \cdot i_{2} + c_{S w S t, d c} \cdot i_{3} + d_{S w S t, d c} \cdot i_{d c} + ν_{d c} (DC, UInvCap),$
Hierbei gibt i_dc den Gleichstrom an, α, b, c und d sind Koeffizienten, die vom Schaltzustand der Brücke und ggf. von Maschineneigenschaften sowie Bordnetzeigenschaften abhängen, und v_dc entspricht der resultierenden Spannung, die zum Inkrement des Gleichstromes beiträgt. Dies ist eine Funktion des Gleichspannungsnetzes (DC) sowie der Spannung am Kondensator (UInvCap).
Durch Gruppieren der Phasenströme und des Gleichstroms in einem Vektor I können die vorstehenden beiden Gleichungen in vektorieller Form wie folgt geschrieben werden: $\frac{d I}{d t} = A_{S w S t, dc} \cdot I + K_{S t} .$
Dabei gibt K den Vektor der resultierenden Spannungen an, A ist die Matrix, die durch die Koeffizienten a, b, c und d, der vorstehenden beiden Gleichungen gebildet wird.
Die mittels der Antenne gemessene Spannung kann dann wie folgt geschrieben werden: $V_{S w S t x} = B_{S w S t x} \cdot \frac{d I}{d t},$
wobei V_SwStx die gemessene Spannung in einem Zustand x angibt und B_SwStx ein Koeffizienten-Vektor ist, der die Beziehung zwischen mittels Antenne gemessener Spannung und der Ableitung des Strom-Vektors I angibt, und zwar für einen bestimmten Zustand x.
Durch Einsetzen ergibt sich aus den beiden vorstehenden Gleichungen für einen bestimmten Zustand x: $V_{S w S t x} = B_{S w S t x} \cdot (A_{S w S t x} \cdot I + K_{S t x}) = B A_{S w S t x} \cdot I + B K_{S w S t x} .$
Diese letzte Gleichung kann für jeden Zustand bzw. Schaltzustand des Stromrichters bzw. der Brücke angegeben werden.
Unter der Annahme, dass sich Phasenströme und der Gleichstrom innerhalb einer PWM-Periode nicht oder allenfalls nur gering ändern, können diese Gleichungen für jeden Zustand innerhalb einer PWM-Periode in einem Gleichungssystem gruppiert werden. Dieses kann dann zu einer Gleichung erweitert werden, die die Summe aller Phasenströme auf Null setzt. In der Regel sind innerhalb einer PWM-Periode genügend Zustände vorhanden, um ein lösbares Gleichungssystem zu erstellen. Die Lösung gibt dann den Gleichstrom und die Phasenströme an.
Dieses Gleichungssystem kann auch noch auf weitere Gleichungen erweitert werden, z.B. indem berücksichtigt wird, dass die Phasenströme durch das vorstehend schon erwähnte Vorgehen ermittelt werden können, nämlich aus dem Puls. Insgesamt ergibt sich damit ein überbestimmtes Gleichungssystem, das z.B. mittels einer Least-Square-Methode gelöst werden kann. Denkbar ist auch, Ableitungen des Stroms in höheren Ordnungen zu berücksichtigen.
Es können nun Fälle auftreten, in denen zwei oder mehr Phasen zumindest annähernd gleichzeitig kommutieren bzw. kommutiert werden. Die in 2 gezeigten Abschnitte T1 und T2 würden dann so klein, dass es in der Regel nicht mehr möglich ist, sinnvolle Informationen daraus zu erhalten. Wenn zwei oder mehr Schaltvorgänge zeitgleich erfolgen, kann es auch mit dem erwähnten Vorgehen, aus dem Puls Größen zu ermitteln, unmöglich werden, die einzelnen Phasenströme zu unterscheiden. In diesem Fall würden also Informationen für den betreffenden Zeitraum verloren gehen.
Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn Spannung Null an (allen) drei Phasenanschlüssen anliegen soll. In diesem Fall werden alle Phasen synchron für 50% der PWM-Periode an den positiven Gleichspannungsanschluss geschaltet, und für 50% der PWM-Periode an den negativen Gleichspannungsanschluss, d.h. die Zustände 0 und 7 werden alternierend verwendet.
Diese Situation kann aufgelöst werden, indem ein Zustand erzeugt wird, bei dem immer noch die resultierende Spannung Null ergibt, wobei aber nicht zeitgleich die Phasen geschaltet werden. Beispielsweise können die Zustände 1, 2, 3, 4, 5, 6 in einer PWM-Periode gleichverteilt verwendet werden. Da diese Zustände sich einander kompensieren, ist die resultierende Spannung Null.
Eine Möglichkeit, die resultierende Spannung Null zu erhalten, ist auch die aufeinanderfolgende Verwendung der Zustände 0, 1, 0, 3, 0, 5, 0. Die Zustände 1, 3 und 5 kompensieren dabei einander. Nichtsdestotrotz kann jeder der Zustände einen Stromfluss erzeugen, der ein akustisches Geräusch verursacht. Dies kann dadurch gelöst bzw. behoben werden, dass die Zustände 1, 0, 3, 0, 5 sehr nahe beieinander liegend erzeugt werden, aber immer noch genügend zeitlichen Abstand aufweisen, sodass eine Strommessung möglich ist.
Eine weitere Möglichkeit, die resultierende Spannung Null zu erhalten, ist auch die aufeinanderfolgende Verwendung der Zustände 0, 1, 3, 5, 0. In diesem Fall sollte das Vorgehen, aus dem Puls die Größen zu ermitteln, dahingehend kalibriert werden, dass zwei Phasen zeitgleich geschaltet werden. Auch können die Zustände 7, 2, 7, 4, 7, 6, 7 aufeinanderfolgend verwendet werden.
Die Kenntnis der Phasenströme kann dann verwendet werden, diese selbst wie gewünscht zu steuern und/oder zu regeln, um das Verhalten der Last wie gewünscht zu steuern. Im Falle der Last einer elektrischen Maschine z.B. kann, um ein gewünschtes Moment zu erzeugen, der nötige Strom berechnet und durch ein Ansteuersystem vorgegeben werden.
Die Kenntnis der Temperatur an verschiedenen Stellen im Stromrichter (insbesondere Kondensator und Halbleiterschaltelemente) ist nützlich, um den Stromrichter vor Überhitzung und Schäden zu schützen. Dies kann durch Reduzieren der Ausgangsströme des Stromrichters erfolgen, oder durch Abschalten des Stromrichters. Im Falle einer Last der elektrischen Maschine kann der Strom z.B. durch Reduzieren des Moments reduziert werden.
In den 6 bis 9 sind nun verschiedene Anordnungen mit jeweils einem Stromrichter 140 und einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung 170 in verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen dargestellt. Während der Stromrichter 140 demjenigen aus 1 entspricht und daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben wird, weist die Messeinrichtung 170 jeweils eine Auswerteeinrichtung 160 sowie eine oder mehrere Antennen 150, 151 auf.
In 6 ist zunächst eine Messeinrichtung 170 in einer bevorzugten Ausführungsform mit einer Antenne 150, insbesondere in Form einer elektrischen Schleife, gezeigt, an welcher eine Spannungsmesseinrichtung 155 vorgesehen ist. Durch zeitliche Änderungen des Stroms im Stromrichter wird, wie erwähnt, eine Spannung in der Antenne 150 induziert, welche durch die Spannungsmesseinrichtung 155 erfasst werden kann. Die Antenne 150 ist hierzu geeignet über bzw. in der Nähe der Halbleiterschaltelemente platziert bzw. angeordnet.
Diese Spannung bzw. dieses Signal wird dann an eine Empfangseinheit 161 der Auswerteeinheit 160 übergeben, in welcher dann auch gemäß dem vorstehend erläuterten Vorgehen Größen wie Strom und Temperatur T ermittelt bzw. berechnet. Dies kann durch ein Kennfeld oder - besonders bevorzugt - durch ein neuronales Netz 165 erfolgen.
In der Einheit 162 können anhand der so ermittelten Größen dann weitere Vergleiche erfolgen, um z.B. zu beurteilen, ob ein Fehler oder eine Überhitzung oder dergleichen vorliegen. Ein geeignetes Signal mit einer Information hierüber kann an die Einheit 163 übermittelt werden. Die Einheit 162 kann aber auch gewünschte Sollwerte für z.B. eine Last der elektrischen Maschine als Eingangsgrößen erhalten, die dann begrenzt werden können, z.B. auf der Basis des aktuellen Komponenten-Zustands, sodass keine Komponente (Stromrichter oder Last oder Versorgungsbordnetz) beschädigt wird. Die begrenzten Sollwerte können dann weiter an die Einheit 163 übermittelt werden.
Die Einheit 163 kann basierend auf den Signalen der Einheit 162 sowie den Größen bzw. deren Werten von der Empfangseinheit 161 dann eine angepasste Ansteuerung des Stromrichters veranlassen, indem z.B. ein entsprechendes Ansteuersignal erzeugt und ausgegeben bzw. an einen entsprechenden Eingang in dem Stromrichter übermittelt wird.
Insbesondere die Ansteuerung der Schalter wird an die Einheit 161 bzw. dort das neuronale Netz 165 zurück übermittelt, sodass anhand dieser Information der Schalter, der gerade kommutiert hat, die betreffende charakteristische Größe dem richtigen Schalter und der richtigen Phase zugeordnet werden können. So kann zum Beispiel der ermittelte Strom anhand eines Pulses, der einer Strombrückenkommutierung folgt, dem entsprechenden Schalter und der entsprechenden Phase zugeordnet werden.
Die Kenntnis der Schaltungszeit hat weiterhin den Vorteil, dass der Verlauf des empfangenen Signals einfacher verarbeitet werden kann, weil die Position (oder das Zeitfenster bzw. der zeitliche Abschnitt) der Eigenschaften des Verlaufs (wie zum Beispiel des Pulses) in der Regel schon bekannt sind und nicht gesucht bzw. ermittelt zu werden brauchen. Weiterhin kann die Information der Schalterzustände wichtig sein, um zu wissen, wie die Phasen miteinander verbunden und wie sie an der Gleichspannung angebunden sind.
In 7 ist eine Messeinrichtung 170 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gezeigt, die zusätzlich zu der Ausführungsform gemäß 6 noch eine weitere Antenne 151 in Form einer elektrischen Schleife aufweist, an welcher eine Spannungsmesseinrichtung 156 vorgesehen ist. Beide Antennen sind mit verschiedenen Bereichen B₁ , B₂ des Stromrichters strahlungskoppelt. Mittels der Antenne 151 können insbesondere etwaige (zeitliche) Variationen des Gleichstroms erfasst werden, die dann entsprechend mit den mittels der Antenne 150 erfassten Signalen verrechnet werden können. Auf diese Weise können insbesondere bei Verwendung des neuronalen Netzes durch die Variationen des Gleichstroms erzeugte Störungen eliminiert werden.
Das neuronale Netz kann dabei insbesondere daraufhin trainiert werden, dass nicht nur die Phasenströme, sondern auch Ströme in jeglichen Teilen des Stromrichters wie Verbindungselementen erkannt und berücksichtigt werden.
In 8 ist eine Messeinrichtung 170 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gezeigt, bei der im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß 6 die Antenne 150 nur eine Hälfte der Halbleiterschaltelemente abdeckt, für die andere Hälfte ist eine Antenne 152 vorgesehen, an welcher eine Spannungsmesseinrichtung 157 vorgesehen ist.
Damit können durch Vergleich der Signale der beiden Antennen 150, 152 z.B. im neuronalen Netz 165 einfacher die Phasenströme im Falle gleichzeitigen Schaltens von Phasen ermittelt werden. 8 zeigt dabei nur ein Beispiel eines Systems mit mehreren bzw. multiplen Antennen. Solche Antennen können auch anders verteilt werden und trotzdem denselben Zweck erfüllen. Zum Beispiel können die Antennen auch entsprechend der Brücken im Stromrichter verteilt werden. Mit multiplen Antennen können außerdem unerwünschte Signale einfacher eliminiert werden. Ein Beispiel eines unerwünschten Signals ist dasjenige, das von gemeinsamen Strömen, insbesondere solchen von hoher Frequenz, die an allen Anschlüssen auftreten und durch das Laden und Entladen von parasitären Kapazitäten erzeugt werden, verursacht wird.
In 9 ist eine Messeinrichtung 170 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gezeigt, bei der im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß 7 die Antennen 150 und 151 noch einen weiteren Abschnitt aufweisen, sodass eine gekreuzte elektrische Schleife gebildet wird. Damit können Störsignale, die die gleiche Polarität wie die eigentlich relevanten Signale im Bereich der Halbleiterschaltelemente aufweisen, aber außerhalb davon liegen, sich direkt bei der Erzeugung des Signals in der Antenne destruktiv überlagern, und diejenigen (vom Stromrichter emittierten und erfassbaren Ströme bzw.) Signale, die wichtige Informationen enthalten, sich konstruktiv überlagern Dasselbe Prinzip kann auch angewendet werden für weitere Signale, die wichtige bzw. relevante Informationen enthalten.

Claims

Verfahren zum Überwachen eines Stromrichters (140) mit Halbleiterschaltelementen (120-126) und einem Kondensator (135), wobei eine Änderung (dl/dt) eines Stromes, der während eines Betriebs des Stromrichters (140) in dem Stromrichter fließt, mittels Strahlungskopplung an den Stromrichter (140) erfasst wird, und wobei anhand eines Verlaufs (V) der Änderung des Stromes wenigstens eine für den Betrieb und/oder einen Zustand des Stromrichters charakteristische Größe (T) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei anhand des Verlaufs (V) der Änderung des Stromes die wenigstens eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe (T) ermittelt wird, indem ein Puls (V₁), insbesondere mit nachfolgenden Schwingungen (V₁'), im Verlauf analysiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei anhand des Pulses, insbesondere einer Zeitdauer (Δt) bis zum Erreichen einer maximalen Amplitude (A) des Pulses, ein Strom in dem Stromrichter, insbesondere ein Phasenstrom, als eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei anhand des Pulses, insbesondere einer Amplitude (A) des Pulses, eine Temperatur (T) wenigstens eines der Halbleiterschaltelemente als eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei anhand der dem Puls nachfolgenden Schwingungen, insbesondere deren Frequenz und/oder Dämpfung, eine Temperatur des Kondensators als eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei anhand des Verlaufs (V) der Änderung des Stromes die wenigstens eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe ermittelt wird, indem eine zumindest im Wesentlichen differenzierbare Änderung (V₂) im Verlauf analysiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei anhand der differenzierbaren Änderung ein Phasenstrom in dem Stromrichter und/oder ein Gleichstrom im Stromrichter als eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Änderung des Stromes, der während des Betriebs des Stromrichters durch den Stromrichter fließt, mittels Strahlungskopplung mit wenigstens einer Antenne (150, 151, 152) in wenigstes zwei voneinander verschiedenen Bereichen (B₁, B₂) des Stromrichters erfasst wird, womit Störungen von in der wenigstens einen Antenne induzierten Signalen reduziert werden und/oder womit eine Unterscheidung verschiedener, für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristischer Größen verbessert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die wenigstens zwei Bereiche (B₁, B₂) einen Gleichstrombereich und einen Wechselstrombereich des Stromrichters umfassen, und/oder wobei die wenigstens zwei Bereiche einen Bereich der Halbleiterschaltelemente und einen Bereich außerhalb der Halbleiterschaltelemente umfassen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe anhand des Verlaufs der Änderung des Stromes mittels eines neuronalen Netzes (165) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei basierend auf einem Wert der ermittelten wenigstens einen für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters (140) charakteristischen Größe der Betrieb des Stromrichters angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristische Größe anhand des Verlaufs (V) der Änderung des Stromes und weiterhin anhand von Steuerungsinformationen des Stromrichters ermittelt und zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zeitliche Abschnitte des Verlaufs (V) der Änderung des Stromes, die für die Ermittlung der wenigstens einen für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters charakteristischen Größe (T) verwendet werden, anhand von Steuerungsinformationen für den Stromrichter gewählt werden.
Messeinrichtung (170) zum Überwachen eines Stromrichters (140) mit Halbleiterschaltelementen (120-126) und einem Kondensator (135), mit wenigstens einer Antenne (150, 151, 152) zur Strahlungskopplung an den Stromrichter (140), sodass ein eine Änderung (dl/dt) eines Stromes, der während eines Betriebs des Stromrichters in dem Stromrichter fließt, erfassbar ist, und mit einer Auswerteeinrichtung (160), die dazu eingerichtet ist, anhand eines Verlaufs (V) der Änderung des Stromes wenigstens eine für den Betrieb und/oder den Zustand des Stromrichters (140) charakteristische Größe (T) zu ermitteln.
Messeinrichtung (170) nach Anspruch 14, mit wenigstens zwei Antennen (150, 151, 152), die zur Strahlungskopplung an wenigstens zwei voneinander verschiedene Bereiche (B₁, B₂) in dem Stromrichter vorgesehen sind.
Messeinrichtung (170) nach Anspruch 14 oder 15, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen.
Verwendung einer Messeinrichtung (170) nach einem der Ansprüche 14 bis 16 mit einem Stromrichter (140) mit Halbleiterschaltelementen und einem Kondensator, insbesondere zum Betreiben einer elektrischen Maschine (100).