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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen einem Stromrichter und einer Spannungsquelle sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Zur Ansteuerung bzw. zum Betrieb von elektrischen Maschinen in beispielsweise Hybrid- oder Elektrofahrzeugen werden Stromrichter (auch als Inverter bezeichnet) verwendet, die in aller Regel dazu geeignet und eingerichtet sind, die elektrische Maschine motorisch und generatorisch - je nach aktuellem Bedarf - zu betreiben.
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EP 3 219 005 B1 offenbart einen Stromrichter, der als Pulswechselrichter aus gebildet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Unterbrechen einer eine Schmelzsicherung aufweisenden elektrischen Verbindung zwischen einem eine oder mehrere Halbbrücken mit jeweils wenigstens einem Halbleiterschalter aufweisenden Stromrichter und einer Spannungsquelle sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung basiert auf der Maßnahme, durch den Stromrichter gezielt einen hohen Strom in der elektrischen Verbindung zwischen dem Stromrichter und der Spannungsquelle zu verursachen, um auf diese Weise die Schmelzsicherung zu öffnen und die elektrische Verbindung dadurch zu unterbrechen. Damit kann insbesondere in einem Fehlerfall die elektrische Verbindung rasch und sicher getrennt werden. Bei einem als Brückenschaltung ausgebildeten Stromrichter wird ein hoher Strom insbesondere durch Leitendschaltung aller Halbleiterschalter, insbesondere Transistoren, wenigstens einer Halbbrücke erreicht. Durch das gleichzeitige Leitendschalten von allen Halbleiterschaltern derselben Halbbrücke entsteht ein hoher Stromfluss in der Leistungsendstufe des Stromrichters. Dadurch kann die Schmelzsicherung gezielt und kontrolliert zum Schmelzen gebracht oder „aufgeschossen“ werden. Somit kann eine sichere Stromunterbrechung erreicht werden. Durch die übliche mehrfache Redundanz der Halbbrücken kann dies auch noch beim Ausfall einzelner Halbleiterschalter sichergestellt werden.
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Durch die Erfindung können der Stromrichter bzw. mit diesem oder der Spannungsquelle verbundene Verbraucher und auch das Fahrzeug oder Personen besser vor Überstrom geschützt werden. Insbesondere in batterieelektrischen Fahrzeugen mit Hochvoltbordnetzen sollte ein Schutz vor Überströmen existieren (z.B. Brandschutz), wozu Schmelzsicherungen zum Abtrennen einer Hochvoltbatterie als Spannungsquelle vom restlichen Bordnetz eingesetzt werden können. Die Auslegung einer solchen Schmelzsicherung ist ein Kompromiss zwischen schnellem sicherem Auslösen und maximalem Strom im Normalbetrieb. Durch die Erfindung kann nun insbesondere die Auslösegeschwindigkeit der Sicherung deutlich erhöht werden. Insbesondere kann die Sicherung gezielt bei Vorliegen einer (beliebigen) Unterbrechungssituation geöffnet werden, um z.B. auch bei Fehlern, welche nicht sofort zu einer Stromstärke in der Größenordnung des Nennstroms der Schmelzsicherung führen, eine sichere Stromunterbrechung erreichen zu können. Eine solche Unterbrechungssituation kann z.B. auch ein Unfall sein, in den das Fahrzeug verwickelt ist. Insbesondere kann verhindert werden, dass z.B. Rettungskräfte keinen Zugang zum Inneren eines Unfallfahrzeugs erhalten, da das Fahrzeug unter Strom steht.
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Zweckmäßigerweise wird eine Unterbrechungssituation erkannt, wenn ein Überstrom in der elektrischen Verbindung fließt, d.h. ein Strom oberhalb einer Nennstromstärke der Schmelzsicherung. Dabei wird zweckmäßigerweise eine Stromstärke bestimmt. Dazu wird insbesondere die Stromstärke durch die elektrische Verbindung erfasst bzw. gemessen. Alternativ kann die Stromstärke auch durch eine Simulation oder eine Modellierung berechnet und so bestimmt werden. Danach wird sie vorteilhaft mit einem Schwellwert verglichen, wobei eine Unterbrechungssituation erkannt wird, wenn der Schwellwert überschritten ist. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise insbesondere bei Auftreten eines ungewünscht hohen Stroms die elektrische Verbindung schnell unterbrochen werden kann.
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Bevorzugt wird der Schwellwert in Abhängigkeit von dem Nennstrom der Schmelzsicherung bestimmt. Er kann insbesondere nur knapp über dem Nennstrom liegen, z.B. 10%, so dass die Auslösegeschwindigkeit bei geringen Überströmen deutlich erhöht wird.
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Vorteilhafterweise wird eine Unterbrechungssituation durch ein Unterbrechungssignal ausgelöst. Dieses kann in einem Fahrzeug z.B. von einem beliebigen Steuergerät erzeugt und an die Recheneinheit zum Ansteuern der Halbleiterschalter des Stromrichters übertragen werden. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise auch andere Ursachen wie beispielsweise ein Unfall, ein Brand, ein kritischer, die Sicherheit beeinträchtigender Fehler usw. eine Abtrennung der Spannungsquelle auslösen können. Hier fungiert das erfindungsgemäße Verfahren als Sicherheitsabschaltung.
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Insbesondere werden alle Halbleiterschalter wenigstens einer Halbbrücke der einen oder mehreren Halbbrücken gepulst leitend geschaltet, z.B. über Zeiträume von 1-10 ms. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise einerseits dafür gesorgt wird, dass ein ausreichend hoher Strom entsteht, um die Schmelzsicherung auszulösen. Andererseits wird gleichzeitig dafür gesorgt, dass der Strom nicht dauerhaft so hoch ist, dass die Halbleiterschalter dadurch Schaden leiden.
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Zweckmäßigerweise weist der Stromrichter mehrere Halbbrücken mit jeweils wenigstens einem Halbleiterschalter auf und alle Halbleiterschalter der mehreren Halbbrücken werden gleichzeitig oder alternierend bzw. abwechselnd leitend geschaltet. Auf diese Weise kann der Stromfluss durch eine Halbbrücke mit den dazugehörigen Halbleiterschaltern noch weiter begrenzt werden, ohne den Stromfluss durch die Schmelzsicherung begrenzen zu müssen. Durch paralleles und gleichzeitiges Leitendschalten wird eine maximale Differenz zwischen der Stromstärke durch die Schmelzsicherung und der Stromstärke durch die Halbleiterschalter erzielt und so ein besonders hoher Schutz für die Halbleiterschalter erreicht. Denn die Stromstärke, die zur Auslösung der Schmelzsicherung notwendig ist, teilt sich auf mehrere Halbbrücken auf. Durch alternierendes Leitendschalten steigt zwar die Stromstärke in den Halbleiterschaltern, wird aber zeitlich begrenzt, so dass einer Beschädigung der Halbleiterschalter vorgebeugt werden kann.
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Bevorzugt weist die elektrische Verbindung zwischen dem Stromrichter und der Spannungsquelle eine öffenbare Schalteinrichtung zum Trennen der elektrischen Verbindung auf und das Vorliegen einer Unterbrechungssituation wird erkannt, wenn sich die Schalteinrichtung nicht mehr öffnen lässt. Auf diese Weise wird die Schmelzsicherung nur geöffnet (und damit zerstört), wenn die Verbindung nicht auch anders getrennt werden kann. Die Schalteinrichtung erlaubt eine gesteuerte Stromkreisunterbrechung. Die Schalteinrichtung kann insbesondere als Hochspannungsschalteinrichtung (z.B. ein sog. Hochvoltschalter/HV-Switch) ausgebildet sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Gleichspannungsquelle Hochspannungen bereitstellt.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer elektrischen Maschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Energieversorgungsnetz mit einem Stromrichter, einer Gleichspannungsquelle, einer Schalteinrichtung und einer Schmelzsicherung, an dem eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchführbar ist.
- 2 zeigt ein Flussdiagramm mit den Schritten einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist schematisch ein Ausschnitt aus einem Energieversorgungsnetz, z.B. einem Fahrzeugbordnetz, mit einem Stromrichter 110, einer Gleichspannungsquelle 2, insbesondere einer Hochvoltbatterie, z.B. mit mehr als 100 V, einer Schalteinrichtung 3 und einer Schmelzsicherung 1 dargestellt, wie es der Erfindung zugrundeliegen kann. Der Stromrichter 110 ist beispielhaft als Brückenwechselrichter mit ansteuerbaren Halbleiterschaltern 120 ausgebildet, der zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine 100 dient. Der Stromrichter 110 und eine dazugehörige Ansteuereinheit 150 können dabei zusammen eine Leistungselektronik 140 für die elektrische Maschine 100 bilden oder Teil einer solchen Leistungselektronik sein.
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Der Stromrichter 110 weist zwei Gleichspannungsanschlüsse 131, 132 auf, die auf übliche Weise, neben einem Zwischenkreiskondensator 135, mit beispielhaft drei Halbbrücken mit jeweils zwei Halbleiterschaltern 120, beispielsweise MOS-FETs oder IGBTs, verbunden sind. Zwischen den zwei Halbleiterschaltern 120 jeder Halbbrücke ist eine Phase der elektrischen Maschine 100 angebunden, die jeweils mit P1, P2 oder P3 (sonst auch U, V, W) bezeichnet ist.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass der Stromrichter nicht nur als Wechselrichter, sondern insbesondere auch als Gleichrichter betrieben werden kann, sodass die elektrische Maschine insgesamt sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ist.
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Weiterhin ist der Stromrichter 110 mit seinen Gleichspannungsanschlüssen 131, 132 an das Bordnetz 170 angeschlossen. An das Bordnetz 170 wiederum sind typischerweise weitere Komponenten bzw. Verbraucher angebunden, die hier der Übersichtlichkeit halber jedoch nicht gezeigt sind.
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Während eines Betriebs des Stromrichters 110 werden die einzelnen Halbleiterschalter 120 nun mittels der Ansteuerschaltung bzw. Ansteuereinheit 150 auf geeignete Weise zum Öffnen bzw. Schließen angesteuert. Bei einer üblichen Ansteuerung ist beispielsweise immer je Zweig ein Schalter geschlossen und der andere geöffnet. Dabei wird eine Gleichspannung Udc in eine Wechselspannung gewandelt, um ein Drehfeld in der elektrischen Maschine zu erzeugen. Dabei wird vermieden, dass von einer Halbbrücke gleichzeitig alle Halbleiterschalter durchgeschaltet oder leitend geschaltet werden, da dies zu einem zu hohen Strom führen würde. Dies wird jedoch erfindungsgemäß dazu genutzt, um die Schmelzsicherung gezielt auszulösen.
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Anhand der 1 und des Flussdiagramms in 2 wird nun eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
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Herkömmlicherweise wird eine Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und dem übrigen Bordnetz durch Öffnen der Schalteinrichtung 3 erreicht. Als Rückfalllösung für den Fall, dass sich die Schalteinrichtung 3 nicht öffnen lässt, ist die Schmelzsicherung 1 vorgesehen. Im Rahmen der Erfindung kann nun das Öffnen der Schmelzsicherung signifikant beschleunigt und damit sicherer gemacht werden. Dazu ist die Recheneinheit 150 insbesondere dazu eingerichtet, selbst das Vorliegen einer Unterbrechungssituation zu erkennen oder auf den Empfang eines Unterbrechungssignals hin alle Halbleiterschalter 120 wenigstens einer Halbbrücke leitend zu schalten, um die Schmelzsicherung 1 zu öffnen.
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In dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun im Betrieb des Fahrzeugs beständig das Vorliegen einer Unterbrechungssituation überwacht, beispielsweise ob ein (größerer) Unfall stattgefunden hat, S11, ob eine Stromstärke durch die elektrische Verbindung einen Schwellwert (in Abhängigkeit von der Nennstromstärke der Schmelzsicherung) erreicht oder überschreitet, S12, ob sicherheitskritische Komponenten im Bordnetz richtig arbeiten, S13 oder ob weitere Fehlerquellen existieren, S14, z.B. wenn sich die Schalteinrichtung 3 nicht öffnen lässt. Dieser letzte Fehler muss jedoch nicht zwangsweise separat überwacht werden, da er sich auch durch einen Überstrom bemerkbar macht.
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Sobald wenigstens einer der oben genannten Fälle S11-S14 auftritt, wird das das Vorliegen einer Unterbrechungssituation erkannt, S20. Sollte diese Überwachung nicht in der Recheneinheit 150 stattfinden, wird von der überwachenden Einheit ein Unterbrechungssignal an die Recheneinheit 150 ausgegeben, S30.
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In Schritt S42 wird durch die Recheneinheit 150 ein Überstrom gezielt erzeugt, indem alle Halbleiterschalter 120 wenigstens einer Halbbrücke des Stromrichters 110 leitend geschaltet werden. Auf diese Weise steigt die Stromstärke schlagartig über die Nennstromstärke der Schmelzsicherung 1, so dass diese öffnet bzw. ausgelöst wird, S50. Dabei kann es vorteilhaft sein, zunächst in einem Puls (d.h. zeitweise) die Halbleiterschalter 120 einer ersten Halbbrücke leitend zu schalten, danach in einem Puls die Halbleiterschalter 120 einer zweiten Halbbrücke leitend zu schalten und danach in einem Puls die Halbleiterschalter 120 einer dritten Halbbrücke leitend zu schalten. Auf diese Weise kann die Stromstärke ausreichend lange oberhalb der Nennstromstärke der Schmelzsicherung 1 gehalten werden, dass diese auslösen kann. Gleichzeitig werden die Halbleiterschalter 120 vor Beschädigung geschützt, da diese nicht so lange der hohen Stromstärke ausgesetzt sind.
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Andererseits kann es aber auch vorteilhaft sein, sämtliche Halbleiterschalter 120 von sämtlichen Halbbrücken gleichzeitig leitend zu schalten. Auf diese Weise löst die Schmelzsicherung 1 bereits aus, wenn bei n Halbbrücken eine Stromstärke in Höhe der Nennstromstärke der Schmelzsicherung 1 geteilt durch n durch jede Halbbrücke fließt. Auch auf diesem Wege wird dafür gesorgt, dass die Stromstärke durch die Halbleiterschalter begrenzt wird und diese vor Beschädigung geschützt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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