DE102020004580A1

DE102020004580A1 - Ermitteln einer Störung bei einem Wechselrichter

Info

Publication number: DE102020004580A1
Application number: DE102020004580.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Schäffler
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2020-10-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Störung bei einem Wechselrichter (4), bei dem an einem Gleichspannungszwischenkreisanschluss (8) des Wechselrichters (4) ein erster elektrischer Strom mittels eines ersten Stromsensors (3) erfasst und ein erstes Sensorsignal bereitgestellt wird, und an einem Wechselspannungsanschluss (9) des Wechselrichters (4) wenigstens ein zweiter elektrischer Strom mittels eines zweiten Stromsensors (5) erfasst und entsprechend wenigstens ein zweites Sensorsignal bereitgestellt wird, wobei das wenigstens eine zweite Sensorsignal ausgewertet wird, wobei abhängig vom Auswerten ein Vergleichssignal ermittelt wird, das Vergleichssignal mit dem ersten Sensorsignal verglichen (6) wird und abhängig vom Vergleichen ein Meldesignal (7) zum Anzeigen der Störung ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Störung bei einem Wechselrichter, bei dem an einem Gleichspannungszwischenkreisanschluss des Wechselrichters ein erster elektrischer Strom mittels eines ersten Stromsensors erfasst und ein erstes Sensorsignal bereitgestellt wird, und an einem Wechselspannungsanschluss des Wechselrichters wenigstens ein zweiter elektrischer Strom mittels eines zweiten Stromsensors erfasst und entsprechend wenigstens ein zweites Sensorsignal bereitgestellt wird.
Wechselrichter, an die eine rotierende elektrische Maschine, beispielsweise eine mehrphasige elektrische Maschine, angeschlossen ist, sowie auch Verfahren zu deren Betrieb sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Derartige Wechselrichter werden häufig bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, beispielsweise Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge oder dergleichen, eingesetzt. Darüber hinaus können sie natürlich auch für andere Antriebsfunktionen, insbesondere im Bereich des Kraftfahrzeugs, zum Einsatz kommen. Wechselrichter dienen häufig dazu, die rotierende elektrische Maschine, die zum Beispiel eine Asynchronmaschine, eine Synchronmaschine oder dergleichen sein kann, elektrisch mit einem Gleichspannungsversorgungsnetz beziehungsweise einem Gleichspannungszwischenkreis des Kraftfahrzeugs zu koppeln. Die rotierende elektrische Maschine kann hierzu als Wechselspannungsmaschine, insbesondere als mehrphasige rotierende elektrische Maschine, ausgebildet sein. Häufig ist die rotierende elektrische Maschine für einen dreiphasigen Wechselspannungsbetrieb ausgelegt. Entsprechend stellt der Wechselrichter für die Anzahl der Phasen der rotierenden elektrischen Maschine Phasenanschlüsse bereit, an denen die entsprechenden Phasen der rotierenden elektrischen Maschine angeschlossen sind. Gleichspannungsseitig ist der Gleichspannungszwischenkreis mit einer Fahrzeugbatterie des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs elektrisch gekoppelt, sodass die Fahrzeugbatterie die für den bestimmungsgemäßen Betrieb des Kraftfahrzeugs erforderliche elektrische Energie bereitzustellen vermag. Der Wechselrichter weist in der Regel einen Gleichspannungszwischenkreisanschluss auf, über den der Wechselrichter mit einer elektrischen Zwischenkreisgleichspannung beaufschlagt werden kann. In der Regel entspricht die Zwischenkreisgleichspannung in etwa der Batteriespannung der Fahrzeugbatterie. Die Batteriespannung kann beispielsweise eine Hochvoltspannung sein, insbesondere gemäß der Norm ECE R 100 oder dergleichen. Vorzugsweise beträgt die Batteriespannung etwa 60 V oder mehr, vorzugsweise etwa 450 V oder sogar 800 V.
Für den bestimmungsgemäßen Betrieb stellt der Wechselrichter an seinen jeweiligen Phasenanschlüssen Phasenströme für die rotierende elektrische Maschine bereit. Diese Phasenströme können mittels geeigneter zweiter Stromsensoren erfasst werden, die beispielsweise nach Art eines Stromwandlers oder dergleichen ausgebildet sein können. Der zweite Stromsensor liefert zweite Sensorsignale, sodass die Funktion der rotierenden elektrischen Maschine überwacht werden kann. Darüber hinaus wird auch der Strom des Gleichspannungszwischenkreises mittels eines ersten Stromsensors erfasst. Der erste Stromsensor liefert ein erstes Sensorsignal, welches es erlaubt, den Energieverbrauch zu überwachen.
Damit die Phasenströme durch den Wechselrichter in vorgebbarer Weise bereitgestellt werden können, ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die vom Wechselrichter umfasst sein kann. Sie kann aber auch als separate Baugruppe vorgesehen sein und an den Wechselrichter angeschlossen sein. Um die Phasenströme bereitstellen zu können, umfasst der Wechselrichter den Gleichspannungszwischenkreis, an dem phasenweise Reihenschaltungen aus jeweils zwei in Reihe geschalteten Schaltelementen angeschlossen sind. An Mittelanschlüssen der Reihenschaltungen sind die entsprechenden Phasenanschlüsse angeschlossen, über die die Phasenströme bereitgestellt werden können. Mittels einer Steuereinrichtung werden die Schaltelemente in geeigneter Weise gesteuert, sodass sich die Phasenströme wie gewünscht einstellen können.
Insbesondere wenn der Wechselrichter dazu dient, eine rotierende elektrische Maschine zum Zwecke des Antriebs eines Kraftfahrzeugs mit dem Bordnetz zu koppeln, können große elektrische Leistungen umgesetzt werden. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, eine Störung, insbesondere im Bereich des Wechselrichters, möglichst frühzeitig erkennen zu können, um gefährliche Zustände zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. In diesem Zusammenhang offenbart die DE 10 2019 003 540 A1 ein Verfahren zur Fehlererkennung in einem Inverter-Schaltkreis eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrische Sicherheit zu verbessern, insbesondere in Bezug auf das Ermitteln einer Störung bei dem Wechselrichter.
Als Lösung wird mit der Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
In Bezug auf ein gattungsgemäßes Verfahren wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass das wenigstens eine zweite Sensorsignal ausgewertet wird, wobei abhängig vom Auswerten ein Vergleichssignal ermittelt, das Vergleichssignal mit dem ersten Sensorsignal verglichen und abhängig vom Vergleichen ein Meldesignal zum Anzeigen der Störung ermittelt wird.
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass zwischen dem ersten Sensorsignal und dem wenigstens einen zweiten Sensorsignal während des bestimmungsgemäßen Betriebs ein wertmäßiger Zusammenhang besteht, der sich aus dem bestimmungsgemäßen Betrieb ergibt. Eine Abweichung von diesem Zusammenhang, insbesondere wenn ein Wert des ersten Sensorsignals deutlich größer als ein zu erwartender Wert aufgrund des wenigstens einen zweiten Sensorsignals ist, kann daher auf die Störung hinweisen. Dies kann auf einfache Weise sehr schnell ermittelt werden, sodass bei Auftreten einer Störung, beispielsweise einem Kurzschluss im Bereich des Wechselrichters oder dergleichen, eine sehr schnelle Reaktion durch das Meldesignal erreicht werden kann. Das Meldesignal wird abhängig von einem Vergleichen zwischen dem ersten Sensorsignal und dem Vergleichssignal ermittelt, welches seinerseits abhängig vom Auswerten des wenigstens einen zweiten Sensorsignals ermittelt wird.
Dabei ist zu bedenken, dass der Wechselrichter an seinem wenigstens einen Phasenanschluss eine Wechselspannung und infolgedessen auch einen Wechselstrom bereitstellt, der mittels des zweiten Stromsensors erfasst wird. Daher umfasst das Auswerten eine Verarbeitung des wenigstens einen zweiten Sensorsignals derart, dass eine Vergleichsmöglichkeit mit dem ersten Sensorsignal geschaffen werden kann, welches basierend auf einem im Wesentlichen Gleichstrom erfasst worden ist. Daher kann das Auswerten in Bezug auf das wenigstens eine zweite Sensorsignal beispielsweise eine Betragsbildung, einen Effektivwert, einen Gewichtungsfaktor und/oder dergleichen umfassen. Durch eine Art Rückrechnung kann somit aus dem wenigstens einen zweiten Sensorsignal der Vergleichswert ermittelt werden, der es erlaubt, einen entsprechenden Vergleich mit dem ersten Sensorsignal durchzuführen. Sind mehrere zweite Sensorsignale vorhanden, werden diese vorzugsweise gemeinsam berücksichtigt.
Vorzugsweise ist der Vergleichswert derart gewählt, dass bei störungslosem bestimmungsgemäßem Betrieb der Vergleichswert im Wesentlichen dem ersten Sensorsignal wertmäßig entspricht. Besteht der Vergleich beispielsweise in einer Differenzbildung des ersten Sensorsignals und des Vergleichswerts, ergibt sich als Differenzwert im störungslosen Betrieb ein Wert von etwa Null. Tritt hingegen eine Störung auf, kann das Ergebnis der Differenzbildung deutlich von Null abweichen. Dies kann weiter ausgewertet werden, um das Meldesignal zu erzeugen, welches dem Anzeigen der Störung dienen kann. Das Meldesignal kann für weitere Auswertezwecke bereitgestellt werden. Das Durchführen der erfindungsgemäßen Verfahrensführung kann mittels der Steuereinrichtung erfolgen.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn zur Energieversorgung des Wechselrichters ein Niedervoltbordnetz eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs genutzt wird. Dabei bezeichnet Niedervolt eine elektrische Gleichspannung, die kleiner oder gleich von etwa 60 V ist. Vorzugsweise beträgt die Niedervoltspannung etwa 24 V oder etwa 48 V. Dadurch kann besonders bei Niedervoltbordnetzen eine verbesserte Sicherheit beim bestimmungsgemäßen Betrieb von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen erreicht werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung eines dreiphasigen Wechselrichters, der an eine dreiphasige Synchronmaschine angeschlossen ist; und
2 eine schematische Blockdarstellung eines Ausschnitts einer Steuereinrichtung des Wechselrichters gemäß 1.

1 zeigt in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung eine Antriebseinrichtung 1 eines nicht weiter dargestellten Elektrofahrzeugs als elektrisch angetriebenem Kraftfahrzeug, wobei die Antriebseinrichtung 1 unter anderem eine Synchronmaschine 11 umfasst, die vorliegend dreiphasig ausgebildet ist und die dazu dient, eine Antriebsachse des Elektrofahrzeugs anzutreiben. Die Synchronmaschine 11 ist an einem ebenfalls dreiphasig ausgebildeten Wechselrichter 4 der Antriebseinrichtung 1 angeschlossen, und zwar an entsprechenden Phasenanschlüssen 9 des Wechselrichters 4. Der Anschluss der Synchronmaschine 11 erfolgt über jeweilige Stromsensoren 5, die als zweite Stromsensoren die jeweiligen Phasenströme an den jeweiligen Phasenanschlüssen 9 erfassen. Die Stromsensoren 5 liefern entsprechende zweite Sensorsignale.
Der Wechselrichter 4, der vorliegend ebenfalls dreiphasig ausgebildet ist, weist vorliegend drei parallel geschaltete Reihenschaltungen aus jeweils zwei Schaltelementen A_1H bis A_3L auf, deren jeweilige Mittelanschlüsse die Phasenanschlüsse 9 bereitstellen. Die Reihenschaltungen sind gemeinsam an einen Gleichspannungszwischenkreis 12 angeschlossen, der einen Zwischenkreiskondensator C sowie parallel dazu eine Entladeschaltung aus einem Schaltelement A in Reihe geschaltet zu einem elektrischen Widerstand R umfasst. Darüber hinaus umfasst der Gleichspannungszwischenkreis 12 einen Spannungssensor 13, mit dem eine Zwischenkreisgleichspannung erfasst werden kann. Der Wechselrichter 4 und zugleich auch die Antriebseinrichtung 1 weisen einen Gleichspannungszwischenkreisanschluss 8 auf, der über einen ersten Stromsensor 3 an ein nicht dargestelltes Niedervoltbordnetz 10 des Elektrofahrzeugs angeschlossen ist. Über das Niedervoltbordnetz 10 wird die Antriebseinrichtung 1 und damit auch der Wechselrichter 4 mit einer entsprechenden Gleichspannung beaufschlagt, die vorliegend etwa 48 Volt ist.
Der Spannungssensor 13 sowie die Reihenschaltung aus dem Widerstand R und dem Schaltelement A bilden eine Baueinheit 2. Die Baueinheit 2 ist zum Kondensator C parallelgeschaltet.
Die Antriebseinrichtung 1 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 14, die dazu dient, die Schaltelemente des Wechselrichters 4 im Schaltbetrieb entsprechend zu betreiben. Das Gleiche gilt auch für das Schaltelement A. Darüber hinaus sind an die Steuereinrichtung 14 die Stromsensoren 3, 5 sowie der Spannungssensor 13 angeschlossen. Nicht dargestellt ist, dass die Steuereinrichtung 14 ferner mit einer übergeordneten Fahrzeugsteuerung, beispielsweise eine CPC, kommunikationstechnisch gekoppelt ist. Dies kann zum Beispiel über einen CAN-Bus realisiert sein.
2 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung einen Ausschnitt von Funktionsblöcken der Steuereinrichtung 14 der Antriebseinrichtung 1 beziehungsweise des Wechselrichters 4. Die Steuereinrichtung 14 umfasst eine Auswerte- und Vergleichseinheit 6, der die Sensorsignale der Stromsensoren 3, 5 zugeführt werden. Die Auswerte- und Vergleichseinheit 6 wertet zumindest die zweiten Sensorsignale der Stromsensoren 5 aus und ermittelt abhängig davon ein nicht dargestelltes Vergleichssignal. Das Vergleichssignal wird mit dem ersten Sensorsignal verglichen und abhängig von dem Vergleich wird ein Meldesignal 7 ermittelt und bereitgestellt beziehungsweise ausgegeben. Das Meldesignal 7 kann zum Anzeigen einer Störung dienen.
Das Meldesignal 7 wird vorliegend ferner an die übergeordnete Fahrzeugsteuerung CPC übermittelt. Die übergeordnete Fahrzeugsteuerung CPC liest eine entsprechende Fehlerbotschaft ein und leitet diese an ein Bedien- und Anzeigekonzept in einem Fahrerdisplay des Elektrofahrzeugs weiter. Hier kann eine entsprechende Meldung, beispielsweise eine rote Warnmeldung oder dergleichen, angezeigt werden. Der Fahrer des Elektrofahrzeugs kann somit gewarnt werden, dass im Bereich des Niedervoltbordnetzes 10 ein Fehler vorliegt und er kann das Elektrofahrzeug bei nächster Gelegenheit abstellen und somit einen sicheren Zustand herstellen. Nach Abstellen des Elektrofahrzeugs kann das Niedervoltbordnetz 10 deaktiviert werden, beispielsweise indem Batterieschütze einer nicht dargestellten Fahrzeugbatterie des Niedervoltbordnetzes 10 geöffnet werden. Dadurch wird der Kurzschluss nicht mehr mit elektrischer Energie aus der Niedervoltbatterie beziehungsweise Fahrzeugbatterie beaufschlagt.
Das Auswerten der zweiten Sensorsignale der Stromsensoren 5 erfolgt über ein zeitliches Integrieren über einen vorgegebenen Zeitraum. Dies hat den Vorteil, dass kurzzeitige Abweichungen des ersten Sensorsignals vom Vergleichssignal nicht berücksichtigt zu werden brauchen. Durch die Integration der Signale können die zweiten Sensorsignale zum Beispiel in vergleichbare Gleichstromsignale umgerechnet werden und über einen zeitlichen Faktor, zum Beispiel 200 ms oder 500 ms, auf integriert werden, um dann eine Summe zu bilden, die den Vergleichswert bilden kann. Dadurch können auch hochdynamische Faktoren abgebildet werden. Vorzugsweise erfolgt die Integration derart, dass bei Einlesen neuer zweiter Sensorsignale die entsprechenden vorhergehenden Werte entsprechend außer Betracht gelassen werden, sodass zu einem vorgegebenen Zeitpunkt immer nur die zweiten Sensorsignale berücksichtigt werden, die innerhalb des vorgegebenen Zeitrahmens erfasst worden sind.
Wird auf diese Weise eine Inhomogenität in Bezug auf den Vergleichswert festgestellt, kann daraus gefolgert werden, dass ein unerwünschter Strom vorliegt. Die Steuereinrichtung, die zum Beispiel durch eine Summenstromlogik oder dergleichen gebildet sein kann, kann entsprechend reagieren und zum Beispiel einen Fehlercode ablegen, der über eine Diagnosefunktionalität ausgelesen werden kann.
Das Ausführungsbeispiel dient ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und soll diese nicht beschränken.
Bezugszeichenliste

1: Antriebseinrichtung
2: Baueinheit
3: Stromsensor
4: Wechselrichter
5: Stromsensor
6: Vergleichseinheit
7: Meldesignal
8: Gleichspannungszwischenkreisanschluss
9: Phasenanschluss
9: Wechselspannungsanschluss
10: Niedervoltbordnetz
11: Synchronmaschine
12: Gleichspannungszwischenkreis
13: Spannungssensor
14: Steuereinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102019003540 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Störung bei einem Wechselrichter (4), bei dem an einem Gleichspannungszwischenkreisanschluss (8) des Wechselrichters (4) ein erster elektrischer Strom mittels eines ersten Stromsensors (3) erfasst und ein erstes Sensorsignal bereitgestellt wird, und an einem Wechselspannungsanschluss (9) des Wechselrichters (4) wenigstens ein zweiter elektrischer Strom mittels eines zweiten Stromsensors (5) erfasst und entsprechend wenigstens ein zweites Sensorsignal bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine zweite Sensorsignal ausgewertet wird, wobei abhängig vom Auswerten ein Vergleichssignal ermittelt wird, das Vergleichssignal mit dem ersten Sensorsignal verglichen (6) wird und abhängig vom Vergleichen ein Meldesignal (7) zum Anzeigen der Störung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Energieversorgung des Wechselrichters (4) ein Niedervoltbordnetz (10) eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten des wenigstens einen zweiten Sensorsignals ein zeitliches Integrieren über einen vorgegebenen Zeitraum umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Meldesignal an eine Fahrzeugsteuerung des Kraftfahrzeugs übermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Niedervoltbordnetz (10) abhängig vom Meldesignal deaktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (4) eine mehrphasige Wechselspannung bereitstellt, mittels des zweiten Stromsensors (5) entsprechend der Anzahl der Phasen der Wechselspannung elektrische Phasenströme erfasst werden und entsprechend für die jeweiligen Phasenströme zweite Sensorsignale bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Vergleichssignals abhängig von dem Auswerten der zweiten Sensorsignale erfolgt.