DE102020103166A1

DE102020103166A1 - Verfahren zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität

Info

Publication number: DE102020103166A1
Application number: DE102020103166.1A
Authority: DE
Inventors: Magnus Böh; The Binh Lai; Stephan Werker
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2020-02-07
Publication date: 2021-08-12
Also published as: WO2021157989A1

Abstract

Der Erfindung, welche ein Verfahren zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität (1) betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben womit eine gleichmäßige Erwärmung von parallelgeschalteten Teilkapazitäten (2) in einer Zwischenkreiskapazität (1) bei Temperaturen unter 0 °C erreicht wird, wobei das Verfahren insbesondere für Zwischenkreiskapazitäten (1) in Invertern zur Anwendung kommen soll. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in einer einer Betriebsphase des Inverters zeitlich vorgelagerten Vorwärmphase ein Wechselstrom I (8) mit einer Frequenz f kleiner 500 Hz erzeugt wird und dass die Teilkapazitäten (2) der Zwischenkreiskapazität (1) mit diesem erzeugten Wechselstrom I (8) geladen und entladen werden, wobei sich die Teilkapazitäten (2) erwärmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität, welche zusammengesetzt aus mehreren parallelgeschalteten Teilkapazitäten in einem Zwischenkreis eines Inverters bereitgestellt wird.
Bekannt ist es, dass Inverter, welche auch als Wechselrichter bezeichnet werden, eine eingangsseitige Gleichspannung in eine ausgangsseitige Wechselspannung umwandeln, mit welcher beispielsweise ein Elektromotor betrieben wird. Derart ist ein geregelter Betrieb eines Elektromotors möglich, welcher beispielsweise ein Permanentmagnet-Synchronmotor sein kann, welcher in einem elektrischen Kältemittelverdichter in einem Fahrzeug eingesetzt wird.
Eine sehr verbreitete Schaltungsanordnung zur geregelten Ansteuerung von elektrischen Antrieben mittels eines Inverters ist eine sogenannte B6-Brücke beziehungsweise B6-Brückenschaltung.
Die B6-Brücke umfasst drei Halbbrücken, bestehend aus je einem High-Side-Leistungsschalter und je einem Low-Side-Leistungsschalter, wobei diese Leistungsschalter beziehungsweise Halbleiter-Leistungsschalter beispielsweise als MOSFET (englisch: metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) oder IGBT (englisch: insulated-gate bipolar transistor) ausgelegt werden.
Innerhalb einer Halbbrücke ist ein Anschluss des High-Side-Leistungsschalters direkt mit einem Anschluss des Low-Side-Leistungsschalter sowie einem Ausgang der Halbbrücke beziehungsweise des Inverters verbunden. Über diesen Ausgang wird die von der Halbbrücke erzeugte Spannung einer Phase (X oder Y oder Z) beispielsweise zum Betreiben eines angeschlossenen Elektromotors ausgegeben.
In einer derart üblichen Schaltungsanordnung ist eine sogenannte Zwischenkreiskapazität mit der eingangsseitigen Gleichspannung, beispielsweise den Klemmen oder Potentialen HV+ und HV-, und parallel zu den Halbbrücken des Inverters geschaltet.
In der Regel besteht eine derartige Zwischenkreiskapazität aus mehreren Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren, wie beispielsweise Folienkondensatoren oder Elektrolytkondensatoren, welche parallel miteinander verschaltet sind, um eine Zwischenkreiskapazität mit einem höheren Kapazitätswert bereitzustellen. Wie bekannt ist, summieren sich die Kapazitätswerte der Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren in der Parallelschaltung und ergeben in ihrer Summe den Kapazitätswert der Zwischenkreiskapazität.
Neben dieser Parallelschaltung der Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren ist es darüber hinaus auch möglich, Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren zusätzlich in einer Reihenschaltung anzuordnen. Mittels einer derartigen zusätzlichen Reihenschaltung der Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren lässt sich Gesamtspannung über der Zwischenkreiskapazität auf die in der Reihenschaltung angeordneten Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren aufteilen, wodurch die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren sinkt. Nachfolgend wird für die Begriffe Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren nur noch der Begriff Teilkapazität genutzt.
Nachteile des Einsatzes von Folienkondensatoren liegen in ihrer geringen Temperaturbeständigkeit und ihren hohen Kosten. Daher werden bevorzugt Elektrolytkondensatoren eingesetzt, welche aber schlechte Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen insbesondere unter 0 °C haben. Hierzu gehört eine abnehmende Nennkapazität sowie eine starke Streuung der Impedanz der Elektrolytkondensatoren.
In einer Zwischenkreiskapazität, welche beispielsweise sechs Teilkapazitäten beinhaltet, welche in der Parallel- und Reihenschaltung angeordnet sind, weist jede Teilkapazität in einem zugehörigen Ersatzschaltbild neben seiner eigentlichen idealen Kapazität C₁, C₂, ..., C₆ einen seriellen parasitären Widerstand R₁, R₂, ..., R₆ (Serienwiderstand; ESR; Equivalent Series Resistance) auf. Hierbei gehört die ideale Kapazität C₁ und der serielle parasitäre Widerstand R₁ zur ersten Teilkapazität, die ideale Kapazität C₂ und der serielle parasitäre Widerstand R₂ zur zweiten Teilkapazität und so weiter. Im Beispiel können die idealen Kapazitäten C₁, C₂ und C₃ parallel zueinander und in einer Reihenschaltung zu den ebenfalls parallel zueinander angeordneten idealen Kapazitäten C₄, C₅ und C₆ angeordnet sein und derart die Zwischenkreiskapazität bereitstellen.
Vor allem bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise in einem Temperaturbereich von -40 °C bis 0 °C, weisen als Teilkapazitäten eingesetzte Elektrolytkondensatoren starke Streuungen ihrer Impedanz, also ihrem Widerstand bei einem Betrieb mit einer Wechselspannung, auf.
Infolgedessen werden die in der Zwischenkreiskapazität angeordneten Teilkapazitäten unterschiedlich stark strombelastet. Wie üblich, wird die Teilkapazität mit der geringsten Impedanz mit dem höchsten Strom belastet, während die Teilkapazität mit der höchsten Impedanz mit dem niedrigsten Strom belastet wird.
Somit wird die Teilkapazität mit der geringsten Impedanz und dem höchsten Strom am schnellsten erwärmt. Da die Impedanz temperaturabhängig ist, führt die Erwärmung dieser Teilkapazität zu einer weiteren temperaturbedingten Verringerung der Impedanz und somit zu einer noch stärkeren Strombelastung.
Diese erhöhte Strombelastung der Teilkapazität kann zu einer unzulässigen Strombelastung des Bauelements Kondensator führen und so zu einer schnelleren Alterung und/oder einem Ausfall des Bauelements.
Somit besteht ein Bedarf nach einer Verbesserung des bekannten Stands der Technik, um eine gleichmäßige Erwärmung von parallelgeschalteten Kondensatoren in einer Zwischenkreiskapazität eines Inverters insbesondere bei niedrigen Temperaturen zu ermöglichen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, womit eine gleichmäßige Erwärmung von parallelgeschalteten Teilkapazitäten in einer Zwischenkreiskapazität bei Temperaturen unter 0 °C erreicht wird. Das Verfahren soll insbesondere für Zwischenkreiskapazitäten in Invertern zur Anwendung kommen.
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Vorgesehen ist es, eine aus mehreren parallelgeschalteten Teilkapazitäten bestehende Zwischenkreiskapazität in einem der eigentlichen Betriebsphase der Zwischenkreiskapazität vorgelagerten Zeitabschnitt, wie einer Vorwärmphase, zu erwärmen.
Hierfür werden die parallelgeschalteten Teilkapazitäten der Zwischenkreiskapazität mittels eines Wechselstroms I mit einer gewählten Frequenz f geladen und entladen. Durch das vorliegende Verfahren wird sowohl die Frequenz f als auch die Amplitude des Wechselstroms I aktiv beeinflusst. Dieser Lade- beziehungsweise Entladevorgang der Teilkapazitäten muss nicht bis zu einer vollständigen Ladung beziehungsweise Entladung der Teilkapazitäten durchgeführt werden.
Vorgesehen ist es, dass die Frequenz f des Wechselstroms I derart gewählt wird, dass diese in einem Frequenzbereich liegt, in welchem die Streuung der Impedanzen der Teilkapazitäten gering ist. Ein derartiger Bereich für die Frequenz f des Wechselstroms I liegt beispielsweise zwischen 10 Hz bis 500 Hz. Insbesondere kann ein derartiger Bereich zwischen 20 Hz bis 300 Hz oder zwischen 30 Hz bis 150 Hz liegen.
Da die Streuung der Impedanzen der Teilkapazitäten in Frequenzbereichen unter beispielsweise 500 Hz stark abnimmt, können die Teilkapazitäten durch einen Wechselstrom I mit einer Frequenz f unterhalb 500 Hz wesentlich gleichmäßiger erwärmt werden. Somit können die Teilkapazitäten in der erfindungsgemäßen Vorwärmphase gleichmäßig erwärmt werden.
Vorgesehen ist es, dass die Vorwärmphase abgeschlossen wird, wenn die Temperatur in den Teilkapazitäten in einem Bereich zwischen -5 °C und 0 °C liegt. Nach Abschluss dieser Vorwärmphase wird die Baugruppe, in welcher die Zwischenkreiskapazität eingesetzt ist, wie beispielsweise ein Inverter, in ihrer Betriebsphase betrieben.
Vorgesehen ist es, dass der Abschluss der Vorwärmphase gesteuert mittels einer geeigneten Temperaturmessung der Temperatur in den Teilkapazitäten der Zwischenkreiskapazität erfolgt.
Alternativ kann das Ende der Vorwärmphase zeitgesteuert erfolgen. Hierzu könne beispielsweise zu verschiedenen Außen- beziehungsweise Umgebungstemperaturen Zeiten beziehungsweise je eine Zeitdauer Δt für die notwendige Dauer der Vorwärmphase ermittelt und in einem Speicher einer zentralen Steuereinheit, welche das Verfahren zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität steuert, gespeichert werden. Beispielsweise mittels einer Messung der Außen- beziehungsweise Umgebungstemperatur kann die zentrale Steuereinheit den entsprechenden Wert aus ihrem Speicher auslesen und die Zeitdauer Δt der Vorwärmphase steuern.
Eine derartige Vorwärmphase ist vor dem eigentlichen Betrieb also der Betriebsphase vorgesehen. Für den Fall, dass bedingt durch extrem niedrige Außen- beziehungsweise Umgebungstemperaturen oder eine Unterbrechung der Betriebsphase die Temperatur in den Teilkapazitäten, wie beispielsweise Elektrolytkondensatoren unter beispielsweise 0 °C absinkt, kann eine erneute Vorwärmphase, also vor der nächsten Betriebsphase, vorgesehen werden.
Für den Fall, dass die Zwischenkreiskapazität in einem Inverter eingesetzt ist, wird in der Betriebsphase des Inverters beispielsweise eine Erzeugung einer drei Phasen umfassenden Steuerspannung für einen Elektromotor, gesteuert durch eine zentrale Steuereinheit, erfolgen. Ein derartiger Elektromotor kann beispielsweise in einem elektrischen Kältemittelverdichter in einem Fahrzeug eingesetzt werden.
In einer derartigen Betriebsphase eines Inverters werden in jeder durch eine Halbbrücke erzeugten Phasen X, Y und Z beispielsweise auch jeweils ein Wechselstrom I mit einer bestimmten Frequenz f erzeugt. Eine Nutzung einer diese erzeugten Phasen X, Y und Z für eine gleichmäßige Vorwärmung beziehungsweise Erwärmung der Teilkapazitäten der Zwischenkreiskapazität ist aber nicht möglich, da die Arbeitsfrequenz der Halbbrücken des Inverters in einem Bereich weit über der noch möglichen Frequenz f von 500 Hz liegt. In einem Beispiel liegt eine Arbeitsfrequenz eines Inverters, welche einen Elektromotor steuert, in einem Frequenzbereich von 20 kHz bis 30 kHz.
Vorgesehen ist es weiterhin, dass die Halbbrücken des Inverters zur Erzeugung des Wechselstroms I mit einer Frequenz f unterhalb 500 Hz in der Vorwärmphase genutzt werden. Zu diesem Zweck können bei einem drei Halbbrücken umfassenden Inverter beispielsweise zwei Low-Side-Leistungsschalter in zwei Halbbrücken durchgeschaltet werden, während die zugehörigen High-Side-Leistungsschalter dieser Halbbrücken gesperrt werden. Diese Ansteuerung erfolgt beispielsweise mittels der zentralen Steuereinheit.
Der High-Side-Leistungsschalter der dritten Halbbrücke wird mit einem Takt angesteuert, welcher der bestimmten Frequenz f in einem Bereich unterhalb 500 Hz entspricht. In diesem Fall fließt durch die in einer Sternschaltung angeordneten und als Induktivitäten genutzten Spulen L₁, L₂ und L₃ des Elektromotors der Wechselstrom I. Der Inverter wird als Abwärtswandler beziehungsweise in einem sogenannten „buck-converter-modus“ betrieben.
Wird der High-Side-Leistungsschalter der dritten Halbbrücke durchgeschaltet, so werden die Teilkapazitäten der Zwischenkreiskapazität entladen, während sie für den Fall, dass der High-Side-Leistungsschalter der dritten Halbbrücke gesperrt wird, geladen werden, da die Zwischenkreiskapazität wie auch die Halbbrücken zwischen den Potentialen HV+ und HV- angeordnet sind. Dieses Beispiel kann in geeigneter Weise durch einen Fachmann variiert werden, wobei ein anderer High-Side-Leistungsschalter oder Low-Side-Leistungsschalter entsprechend zur Erzeugung des Wechselstroms I angesteuert wird.
Vorgesehen ist es hierbei, dass die Ansteuerdauer der Leistungsschalter beziehungsweise die Amplitude des Ansteuersignals derart gewählt wird, dass im Elektromotor kein Drehmoment erzeugt wird.
Durch eine Änderung der bestimmten Frequenz f kann der Wechselstrom I an die gewünschte Last, also die Zwischenkreiskapazität, angepasst werden. Eine höhere Frequenz f führt zu einem geringeren Motor- und Kondensatorstrom, während eine niedrigere Frequenz f zu einem höheren Motor- und Kondensatorstrom führt.
Durch die beschriebene Aufwärmstrategie werden die Teilkapazitäten der Zwischenkreiskapazität gleichmäßig erwärmt und somit in der Betriebsphase auch gleichmäßig belastet, wodurch ein unzulässig hoher Kondensatorstrom vermieden wird. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer der Bauelemente sowie der gesamten Anordnung, wie einem Inverter. Außerdem wird die Strom- und Spannungswelligkeit (Ripple) des Zwischenkreises verringert.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität kein zusätzlicher Hardwareaufwand notwendig ist. Das Verfahren kann mittels der vorhandenen zentralen Steuereinheit, welche den Inverter in seiner Betriebsphase und somit den Elektromotor steuert, gesteuert werden. Der Ablauf des vorliegenden Verfahrens wird durch die zentrale Steuereinheit mittels einer entsprechenden Software zur Realisierung der Vorwärmphase gesteuert.
Durch die Verminderung der Belastungen der Teilkapazitäten durch die Vorwärmung ist es möglich, Kondensatoren einzusetzen, welche für geringere maximale Belastungen wie Maximalströme ausgelegt sind. Derart können die Kosten der Baugruppen reduziert werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

1: ein Ersatzschaltbild für eine aus sechs Teilkapazitäten bestehende Zwischenkreiskapazität,
2a: eine Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von Teilströmen in den Teilkapazitäten zu einem ersten Zeitpunkt,
2b: eine Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von Teilströmen in den Teilkapazitäten zu einem späteren zweiten Zeitpunkt,
3: eine Anordnung zur Umsetzung des Verfahrens zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität,
4: eine Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Wechselstroms I zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität mit verschiedenen Frequenzen f,
5: eine Darstellung einer relativen Streuung der Impedanzen der Teilkapazitäten bei einer Temperatur von -40 °C und
6: einen beispielhaften Ablauf des Verfahrens zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität.

Die 1 zeigt ein Ersatzschaltbild für eine Zwischenkreiskapazität 1, welche beispielsweise aus sechs Teilkapazitäten 2 C_I, C_II, C_III, C_IV, C_V, C_VI besteht. In der Darstellung der 1 ist jede Teilkapazität 2, welche beispielsweise je ein Elektrolytkondensator sein kann, mit ihrer idealen Kapazität C₁, C₂, ..., C₆ und ihrem seriellen parasitären Widerstand R₁, R₂, ..., R₆ (Serienwiderstand) dargestellt. Die 1 zeigt auch die Spannung U_DC über der Zwischenkreiskapazität 1, den Gesamtstrom I₀ der Zwischenkreiskapazität 1 sowie die Teilströme I₁, I₂, ..., I₆ durch die Teilkapazitäten 2.
Wird die Zwischenkreiskapazität 1 mit einem Gesamtstrom I₀ beaufschlagt, so teilt sich dieser zunächst in die Teilströme I₁, I₂ und I₃ und nachfolgend in die Teilströme 14, I₅ und I₆ auf. Hierbei wird der größere Teilstrom im oberen Bereich des Ersatzschaltbilds wie auch im unteren Bereich jeweils durch die Teilkapazitäten 2 C_I, C_II, C_III, C_IV, C_V, C_VI fließen, welche den geringsten seriellen parasitären Widerstand aufweisen. In einem Beispiel der 1 sollen das die Teilkapazitäten 2 mit der Bezeichnung C_I, und C_v mit den zugehörigen Teilströmen I₁ und I₅ sein.
Die 2a zeigt hierzu eine Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von Teilströmen I₁ bis I₆ in den Teilkapazitäten 2 C_I, C_II, C_III, C_IV, Cv, C_VI zu einem ersten Zeitpunkt. Wie zu erkennen ist, sind die Teilströme I₁ und I₅ in ihren Amplituden am größten. Diese ungleichmäßige Verteilung der Teilströme I₁ bis I₆ hat ihre Ursache in der starken Streuung der Impedanz der als Teilkapazitäten 2 eingesetzten Elektrolytkondensatoren C_I, C_II, C_III, C_IV, C_V, C_VI.
Die in ihrer Amplitude größten Teilströme I₁ und I₅ führen in den zugehörigen Teilkapazitäten 2 mit der Bezeichnung C_I, und Cv dazu, dass sich diese Teilkapazitäten 2 am schnellsten erwärmen. Da die Impedanz temperaturabhängig ist, führt diese Erwärmung dieser Teilkapazitäten 2 zu einer weiteren temperaturbedingten Verringerung der Impedanz und somit zu einem weiteren Anstieg der Teilströme I₁ und I₅.
Dieser Zustand des weiteren Anstiegs der Teilströme I₁ und I₅ ist in der 2b gezeigt. Die 2b zeigt eine Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von Teilströmen in den Teilkapazitäten zu einem späteren zweiten Zeitpunkt. Zu erkennen ist sowohl die Zunahme der Amplituden der Teilströme I₁ und I₅ durch die Teilkapazitäten 2 mit der Bezeichnung C_I, und Cv sowie auch die Abnahme der Teilströme I₂, I₃, I₄, und I₆ durch die Teilkapazitäten 2 mit der Bezeichnung C_II, C_III, C_IV, und C_VI.
Somit werden die Teilkapazitäten 2 der Zwischenkreiskapazität 1 sowohl ungleichmäßig erwärmt als auch unterschiedlich stark belastet, was zu einer vorzeitigen Alterung einzelner Teilkapazitäten 2 oder zu deren Ausfall führen kann.
Zur Vermeidung dieses Nachteils des Standes der Technik ist es vorgesehen, im Verfahren zur Vorwärmung einer Zwischenkreiskapazität 1 und insbesondere ihrer Teilkapazitäten 2, zeitlich vor dem eigentlichen Betrieb der Baugruppe, welche die Zwischenkreiskapazität 1 beinhaltet, in einer Betriebsphase eine Vorwärmphase einzuführen. Eine derartige Baugruppe ist beispielsweise ein Inverter, welcher einen Elektromotor in einem elektrischen Kältemittelverdichter ansteuert.
In dieser Vorwärmphase werden die Teilkapazitäten 2 der Zwischenkreiskapazität 1 mittels eines Wechselstroms I 8 mit einer gewählten Frequenz f geladen und entladen. Durch das vorliegende Verfahren wird sowohl die Frequenz f als auch die Amplitude des Wechselstroms I 8 aktiv beeinflusst. Dieser Lade- beziehungsweise Entladevorgang der Teilkapazitäten 2 muss nicht bis zu einer vollständigen Ladung beziehungsweise Entladung der Teilkapazitäten durchgeführt werden, wobei der Wechselstrom I 8 einen Gleichanteil aufweisen kann.
In der 3 ist ein Beispiel für eine Anordnung zur Umsetzung des Verfahrens zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität 1 dargestellt. Besonders vorteilhaft ist es, dass das Verfahren zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität 1 also die Erzeugung des Wechselstroms I 8 mit einer gewählten Frequenz f unter Nutzung von vorhandenen Bestandteilen in einem Inverter umgesetzt werden kann. Die Zwischenkreiskapazität 1 ist zwischen den Potentialen HV+ und HV- und parallel zu den Halbbrücken 3a, 3b und 3c angeordnet. Die in der 3 dargestellte Zwischenkreiskapazität 1 entspricht der in der 1 dargestellten Zwischenkreiskapazität 1 und soll beispielsweise sechs Teilkapazitäten 2, wie die Elektrolytkondensatoren C_I, C_II C_III, C_IV, C_V, C_VI umfassen.
Die 3 zeigt drei Halbbrücken 3a, 3b und 3c eines Inverters mit den jeweiligen High-Side-Leistungsschaltern 4a, 4b und 4c sowie den jeweiligen Low-Side-Leistungsschaltern 5a, 5b und 5c. In der Darstellung der 3 sind die High-Side-Leistungsschalter 4a, 4b und 4c und die Low-Side-Leistungsschalter 5a, 5b und 5c mit ihren jeweiligen Freilaufdioden 6, nicht aber mit einer Verbindung ihrer Steuerelektroden mit der zentralen Steuereinheit dargestellt. Abgebildet sind die Verbindungen der Ausgänge der Halbbrücken 3a, 3b und 3c beziehungsweise des Inverters zur Ausgabe der Spannungen der drei Phase (X oder Y oder Z). Hierbei ist der Ausgang der Halbbrücke 3a mit der Phase X mit der ersten Motorwicklung 7a L1, der Ausgang der Halbbrücke 3b mit der Phase Y mit der zweiten Motorwicklung 7b L2 und der Ausgang der Halbbrücke 3c mit der Phase Z mit der dritten Motorwicklung 7c L3 verbunden.
Zur Erzeugung des in der 3 zwischen den Motorwicklungen 7a, 7b und 7c im Sternpunkt dargestellten Wechselstroms I 8 werden beispielsweise die Low-Side-Leistungsschalter 5b und 5c der Halbbrücken 3b und 3c durchgeschaltet, wodurch je ein Ende der Motorwicklungen 7b und 7c mit dem Potential HVverbunden ist. Der High-Side-Leistungsschalter der ersten Halbbrücke 3a wird mittels eines Taktsignals angesteuert, welches die Frequenz f aufweist, welche in einem Bereich kleiner 500 Hz liegt. Die Erzeugung dieses Taktsignals erfolgt in der zentralen Steuereinheit, welche den Inverter auch in seiner Betriebsphase steuert. Die zentrale Steuereinheit ist in der 3 nicht dargestellt.
Beispiele für einen derart erzeugten Wechselstrom I 8 sind in der 4 gezeigt. Die 4 zeigt eine Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Wechselstroms I 8 zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität 1 mit verschiedenen Frequenzen f. In einem ersten Beispiel weist der erzeugte Wechselstrom I 8 eine Frequenz f₁ auf, welche beispielsweise etwa 400 Hz betragen könnte. In einem zweiten Beispiel weist der erzeugte Wechselstrom I 8 eine Frequenz f₂ auf, welche kleiner als die Frequenz f₁ ist und beispielsweise etwa 100 Hz betragen könnte.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Frequenz f in einem Bereich unter 500 Hz durch die zentrale Steuereinheit vorgegeben und somit auch die Amplitude des Wechselstroms I 8 beeinflusst, da hier Lade- beziehungsweise Entladevorgänge der Zwischenkreiskapazität 1 ablaufen.
Fließt der derart erzeugte Wechselstrom I 8 durch die Teilkapazitäten 2 (C_I, C_II, C_III, C_IV, C_V, C_VI) entstehen bedingt durch die seriellen parasitären Widerstände R₁, R₂, ..., R₆ Verluste in den Teilkapazitäten 2, welche zu einer Erwärmung der Teilkapazitäten 2 führen.
Das vorliegende Verfahren erreicht es, dass sich die Teilkapazitäten 2 (C_I, C_II, C_III, C_IV, Cv, C_VI) gleichmäßig erwärmen dadurch, dass der Wechselstrom I 8 mit einer Frequenz f in einem Bereich unter 500 Hz erzeugt wird.
Die 5 zeigt eine Darstellung einer relativen Streuung der Impedanzen Z der Teilkapazitäten 2, wie beispielsweise Elektrolytkondensatoren, bei einer Temperatur von -40 °C. Die Impedanzen Z der Teilkapazitäten 2 weichen voneinander ab. Diese Abweichung beziehungsweise Streuung der Impedanzen Z der Teilkapazitäten 2 verursacht einen voneinander abweichenden Strom durch die Teilkapazitäten 2, welcher wiederum zu der bereits beschriebenen problematischen unterschiedlichen Belastung der Teilkapazitäten 2 führt. Dies ist insbesondere in einem Frequenzbereich der Fall, in welchem Inverter mit ihrer Arbeitsfrequenz von beispielsweise 20 kHz bis 30 kHz betrieben werden.
Wie es in der 5 zu erkennen ist, werden die Abweichungen beziehungsweise die Streuung der Impedanzen Z der Teilkapazitäten 2 mit abnehmender Frequenz kleiner. Dies ist insbesondere in einem Bereich kleiner 500 Hz der Fall. Werden also die Teilkapazitäten 2 mit einem Wechselstrom I 8 mit einer Frequenz im Bereich unter 500 Hz, also beispielsweise mit einer Frequenz f von 100 Hz geladen und entladen, erwärmen sich die Teilkapazitäten 2 gleichmäßig, da ihre Impedanzen Z nahezu gleich sind.
Ist diese Vorwärmphase der Teilkapazitäten 2 abgeschlossen, kann der Inverter in seiner Betriebsphase betrieben werden, in welcher er einen Elektromotor ansteuert. Da die Teilkapazitäten 2 durch die Vorwärmphase nun eine Temperatur von beispielsweise 0 °C oder mehr aufweisen, ist der Betrieb der Teilkapazitäten 2 der Zwischenkreiskapazität 1 im Bereich der Arbeitsfrequenz des Inverters nicht mehr kritisch, da bei dieser Temperatur die Abweichungen beziehungsweise die Streuung der Impedanzen Z der Teilkapazitäten 2 wesentlich geringer sind.
Die 5 zeigt einen logarithmischen Verlauf der Frequenz f in Hz auf der Abszisse, während auf der Ordinate beispielhaft das Verhältnis der Beträge der Impedanzen Z₁ und Z₅ der Teilkapazitäten 2 mit der beispielhaften Bezeichnung C_I und Cv dargestellt ist. Derartige Teilkapazitäten 2 können insbesondere Elektrolytkondensatoren sein, wobei von einer beispielsweise sechs Teilkapazitäten 2 (C_I, C_II, C_III, C_IV, Cv, C_VI) aufweisenden Zwischenkreiskapazität 1 ausgegangen wird.
Die 6 zeigt einen beispielhaften Ablauf des Verfahrens zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität. Der Ablauf ist beispielhaft für einen Fall dargestellt, in welchem eine Zeitdauer Δt fest vorgegeben ist. Diese kann im Beispiel 30 Sekunden betragen. Alternativ kann die Zeitdauer Δt auch in einer Abhängigkeit von der Außen- beziehungsweise Umgebungstemperatur oder abhängig von einer Temperatur der Teilkapazitäten 2 der Zwischenkreiskapazität 1 vorgegeben werden. In diesen Fällen wird die Zeitdauer Δt allgemein umso größer sein je kleiner der gemessene Temperaturwert ist.
In der Darstellung der 6 startet im Schritt 9 der Betrieb des Inverters, in welchem die aus mehreren Teilkapazitäten 2 bestehende Zwischenkreiskapazität 1 eingesetzt ist. Im Schritt 10 erfolgt eine Temperaturmessung. In diesem Schritt kann sowohl eine Messung der Außenbeziehungsweise Umgebungstemperatur die Basis für den weiteren Ablauf sein als auch eine Messung der Temperatur der Teilkapazitäten 2 der Zwischenkreiskapazität 1. In jedem Fall werden entsprechend geeignete Sensoren angeordnet oder bereits vorhandene Sensoren genutzt. Beispielsweise in einem Fahrzeug kann ein bereits vorhandener Sensor zur Ermittlung der Außen- beziehungsweise Umgebungstemperatur verwendet werden.
Im Schritt 11 erfolgt ein Vergleich des bei der Temperaturmessung ermittelten Temperaturwertes Tmess mit einem vorgegebenen Temperaturwert T_vergl. Dieser vorgegebene Temperaturwert T_vergl beschreibt eine Temperarturschwelle, ab welcher eine Vorwärmphase nicht mehr notwendig ist. Bei diesem Vergleich wird bestimmt ob Tmess < T_vergl ist.
In einem Beispiel kann dieser vorgegebene Temperaturwert T_vergl bei 0°C liegen. Wird im Schritt 11 bei dem Temperaturvergleich gemäß Tmess < T_vergl festgestellt, dass der ermittelte Temperaturwert Tmess größer als der vorgegebenen Temperaturwert T_vergl ist, wird eine Vorwärmphase innerhalb des Verfahrens zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität nicht notwendig und das Verfahren wird im Schritt 15 fortgesetzt, in welchem die Vorwärmphase beendet wird. Nachfolgend erfolgt der Start der Betriebsphase des Inverters.
Wird im Schritt 11 bei dem Temperaturvergleich gemäß Tmess < T_vergl festgestellt, dass der ermittelte Temperaturwert Tmess kleiner als der vorgegebenen Temperaturwert T_vergl ist, wird das Verfahren im Schritt 12 fortgesetzt. In diesem Schritt 12 beginnt die Erzeugung des Wechselstroms I 8 mit seiner vorgegebenen Frequenz f, welche kleiner als 500 Hz ist. Diese Erzeugung des Wechselstroms I erfolgt vorteilhaft unter Nutzung der im Inverter vorhandenen Halbbrücken 3a, 3b und 3c in der bereits weiter oben beschriebenen Weise. Durch die somit ablaufenden Lade- und Entladevorgänge der Teilkapazitäten 2 werden diese nahezu gleichmäßig erwärmt beziehungsweise vorgewärmt.
Im Schritt 13 erfolgt eine Überwachung des Ablaufs der vorgegebenen Zeitdauer Δt von beispielsweise 30 Sekunden. Nach dem Ablauf der Zeitdauer Δt wird das Verfahren im Schritt 14 fortgesetzt, in welchem die Erzeugung des Wechselstroms I mit seiner vorgegebenen Frequenz f beendet wird.
Das Verfahren erreicht anschließend den Schritt 15, in welchem die Vorwärmphase beendet wird und der Start der Betriebsphase des Inverters erfolgt.
Für den Fall, dass die Temperaturmessung derart erfolgt, dass die Temperatur der Teilkapazitäten 2 der Zwischenkreiskapazität 1 bestimmt wird, kann optional nach dem Schritt 14 eine weitere Temperaturmessung im Schritt 10 durchgeführt werden. Derart kann der Erfolg der Vorwärmung bestimmt werden. War beispielsweise die Zeitdauer Δt ausreichend lang, so ist der ermittelte Temperaturwert Tmess nun größer als der vorgegebenen Temperaturwert T_vergl und das Verfahren wird nach diesem erneuten Vergleich im Schritt 11 im Schritt 15 beendet. War beispielsweise die Zeitdauer Δt zu kurz, so ist der ermittelte Temperaturwert Tmess weiterhin kleiner als der vorgegebenen Temperaturwert T_vergl und das Verfahren wird nach diesem erneuten Vergleich im Schritt 11 im Schritt 12 in einer weiteren Schleife zur Vorwärmung der Teilkapazitäten 2 der Zwischenkreiskapazität 1 fortgesetzt. Dieser Vorgang einer teilweisen Wiederholung des Verfahrensdurchlaufs ist in der 6 mittels einer Strich-Strich-Linie angedeutet. In diesem Fall würde die direkte Verbindungslinie zwischen den Schritten 14 und 15 in geeigneter Weise unterbrochen werden, was in der 6 nicht dargestellt ist.
Mittels einer zentralen Steuereinheit wird sowohl der in der 6 dargestellte Verfahrensablauf in der Vorwärmphase als auch der Betrieb des Inverters in seiner Betriebsphase, in welcher er beispielsweise einen Elektromotor in einem elektrischen Kühlmittelverdichter ansteuert, gesteuert.
Bezugszeichenliste

1: Zwischenkreiskapazität
2: Teilkapazität C_I, C_II, C_III, C_IV, Cv, C_VI
3a, 3b, 3c: Halbbrücke
4a, 4b, 4c: High-Side-Leistungsschalter
5a, 5b, 5c: Low-Side-Leistungsschalter
6: Freilaufdiode
7a, 7b, 7c: Motorwicklung
8: Wechselstrom I
9: Start Inverterbetrieb
10: Temperaturmessung Tmess
11: Temperaturvergleich Tmess < Tvergl
12: Beginn Erzeugung Wechselstrom I
13: Überwachung Zeitdauer Δt
14: Ende Erzeugung Wechselstrom I
15: Ende Vorwärmphase und Start Betriebsphase des Inverters

Claims

Verfahren zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität (1), welche zusammengesetzt aus mehreren parallelgeschalteten Teilkapazitäten (2) in einem Zwischenkreis eines Inverters bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer einer Betriebsphase des Inverters zeitlich vorgelagerten Vorwärmphase ein Wechselstrom I (8) mit einer Frequenz f kleiner 500 Hz erzeugt wird und dass die Teilkapazitäten (2) der Zwischenkreiskapazität (1) mit diesem erzeugten Wechselstrom I (8) geladen und entladen werden, wobei sich die Teilkapazitäten (2) erwärmen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorwärmen der Zwischenkreiskapazität (1) in der Vorwärmphase in einem Temperaturbereich kleiner oder gleich einem vorgegebenen Temperaturwert T_vergl erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmphase beendet und die Betriebsphase des Inverters gestartet wird, sobald eine gemessene Temperatur Tmess der Teilkapazitäten (2) der Zwischenkreiskapazität (1) den vorgegebene Temperaturwert T_vergl aufweist beziehungsweise überschreitet und/oder sobald eine vorgegebene Zeitdauer Δt abgelaufen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom I (8) mit einer Frequenz f erzeugt wird, welche im Bereich von 10 Hz bis 500 Hz, insbesondere im Bereich von 20 Hz bis 300 Hz oder insbesondere im Bereich von 30 Hz bis 150 Hz liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom I (8) durch Nutzung von Halbbrücken (3a, 3b, 3c) des Inverters sowie von Motorwicklungen (7a, 7b, 7c) erzeugt wird, wobei in zwei Halbbrücken (3b, 3c) die Low-Side-Leistungsschalter (5b, 5c) oder die High-Side-Leistungsschalter (4b, 4c) durchgeschalten werden und in der dritten Halbbrücke (3a) der High-Side-Leistungsschalter (4a) oder der Low-Side-Leistungsschalter (5a) mit einem Taktsignals angesteuert wird, welches die Frequenz f aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturwert T_vergl 0°C ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkapazitäten (2) der Zwischenkreiskapazität (1) als Elektrolytkondensatoren bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeitdauer Δt in einem Bereich zwischen 20 Sekunden und 120 Sekunden, insbesondere in einem Bereich zwischen 30 Sekunden und 60 Sekunden liegt.
Anordnung zur Umsetzung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreiskapazität (1) parallel zu mindestens drei Halbbrücken (3a, 3b, 3c) in einem Inverter geschaltet angeordnet ist und dass Ausgänge (X, Y, Z) der Halbbrücken (3a, 3b, 3c) mit Motorwicklungen (L1, L2, L3) verbunden angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreiskapazität (1) mehrere Teilkapazitäten (2) aufweist und dass mindestens zwei Teilkapazitäten (2) parallel zueinander geschaltet in der Zwischenkreiskapazität (1) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei parallel zueinander geschalteten Teilkapazitäten (2) zu weiteren mindestens zwei parallel zueinander geschalteten Teilkapazitäten (2) in einer Reihenschaltung angeordnet sind.