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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose eines Zustands einer Komponente eines Wechselrichters für ein mittels einer Batterie, dem Wechselrichter und einer elektrischen Maschine elektrisch antreibbaren Fahrzeugs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Antriebsstrang mit einer entsprechenden Vorrichtung und ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang.
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Stand der Technik
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Elektrische Antriebssysteme, wie sie zum Beispiel in Elektro- oder Hybridfahrzeugen Verwendung finden, umfassen in der Regel einen Wechselrichter. Solche Wechselrichter werden von einer Gleichspannungsquelle, wie zum Beispiel einer Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges, gespeist. Zur Stabilisierung der Eingangsspannung und zur Minimierung der Spannunngsrippel bei mittels Pulsweitenmodulation (PWM) betriebenen Wechselrichtern ist am Eingang des Wechselrichters ein Zwischenkreiskondensator vorgesehen. Der Ausgang des Wechselrichters kann zum Beispiel mit einer elektrischen Maschine verbunden werden, um an der Maschine die erforderlichen Spannungen bereitzustellen. Im Inneren des Wechselrichters befindet sich ein Leistungsmodul, welches mehrere Schaltelemente umfasst. Beispielsweise umfasst ein Wechselrichter zur Versorgung einer dreiphasigen Maschine ein Leistungsmodul, welches drei Halbbrücken umfasst. Jede Halbbrücke umfasst zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente. Ein sogenannter Highside-Schalter verbindet das positive Potential der Eingangsspannung mit einen Mittenabgriff. Der Lowside-Schalter verbindet das negative Potential der Eingangsspannung mit dem Mittenabgriff. Der Mittenabgriff ist als ein Phasenausgang des Leistungsmoduls ausgestaltet.
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Mit dem Alter verändern sich die Wärmewiderstände elektrischer Komonenten wie bspw. des Zwischenkreiskondensators oder des Leistungsmoduls. Ist der Wärmewiderstand zu hoch, altert die Komponente schneller oder wird bei Belastung sogar zerstört. Daher ist es empfehlenswert, den Zustand der Komponente zu kennen und insbesondere bei einer plötzlich eintretenden Erhöhung des Wärmewiderstands die angeschlossenen Komponenten vor einer Zerstörung zu schützen. Zur Ermittlung des Wärmewiderstands der Komponenten sind verschiedene Verfahren bekannt. Eine genaue Ermittlung des Wärmewiderstands ist allerdings bei setig wechselnder Last des Antriebs schwierig aufgrund vielfältiger Störungen.
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Da diese vielfältigen Störungen auch bei der Ermittlung der Kapazität des Zwischenkreiskondensators nachteilig sind offenbart die Druckschrift
DE 10 2016 207 378 A1 vorteilhaft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Kapazität eines Zwischenkreis-Kondensators für einen Wechselrichter in einem konstanten Betriebspunkt. Hierzu wird der Zwischenkreis-Kondensator über einen Gleichspannungs-Konverter aufgeladen und dabei Ladestrom und Spannung über dem Zwischenkreis-Kondensator erfasst. Basierend auf dem Ladestrom und Spannung über dem Zwischenkreis-Kondensator kann daraus auf den Wert der Kapazität des Zwischenkreis-Kondensators geschlossen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Diagnose eines Zustands einer Komponente eines Wechselrichters für ein mittels einer Batterie, dem Wechselrichter und einer elektrischen Maschine elektrisch antreibbaren Fahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Diagnose eines Zustands einer Komonente mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Ein Verfahren zur Diagnose eines Zustands einer Komponente eines Wechselrichters für ein mittels einer Batterie, dem Wechselrichter und einer elektrischen Maschine elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, mit den Schritten:
- Erkennen, dass ein erster Betriebsmodus vorliegt; Ermittlung eines Wärmewiderstands der Komponente; Speicherung des ermittelten Wärmewiderstands als neuen Messwert; Bestimmung des Zustands der Komponente in Abhängigkeit des neuen Messwerts und mindestens eines zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten alten Messwerts. Das Verfahren kennzeichnet sich dadurch, dass das Erkennen, dass der erste Betriebsmodus vorliegt, die Schritte umfasst: Erkennen, dass die elektrische Maschine stillsteht;
- Erkennen, dass mittels Pulsweitenmodulation eine Spannung an den Ausgängen des Wechselrichters erzeugt wird, sodass ein konstanter Strom durch die Wicklungen der elektrischen Maschine resultiert.
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Ferner ist vorgesehen:
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Eine Vorrichtung zur Diagnose eines Zustands einer Komponente eines Wechselrichters für ein mittels einer Batterie, dem Wechselrichter und einer elektrischen Maschine elektrisch antreibbaren Fahrzeugs. Die Vorrichtung umfasst eine Diagnoseeinheit mit einer Recheneinheit und einem Speicher und ist dazu eingerichtet, die Schritte des genannten Verfahrens auszuführen.
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Weiterhin ist vorgesehen:
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Ein Antriebsstrang für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Der Antriebsstrang umfasst die Vorrichtung. Weiter umfasst der Anstriebsstrang einen Wechselrichter, eine Batterie und oder eine elektrische Maschine.
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Weiterhin ist vorgesehen ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich der Wärmewiderstand einer Komponente des Wechselrichters, insbesondere eines Leistungsmoduls oder eines Zwischenkreiskondensators, während des Betriebs bzw. während der Lebensdauer des Wechselrichters ändern kann. Diese Änderung des Wärmewiderstands kann sich gegebenenfalls ungünstig auf den Betrieb einer angeschlossenen Batterie oder Wechselrichters, oder gar eines Antriebsstrangs oder Fahrzeuges auswirken.
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Daher ist es eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine einfache und genaue Bestimmung des Wärmewiderstands einer Komponente eines Wechselrichters ermöglicht.
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So haben die Erfinder beobachtet, dass ein Betriebsmodus des Wechselrichters mit einem konstanten Phasenstromverlauf besonders gut zur Bestimmung des Wärmewiderstands einer Komponente und damit des Zustands der Komponente geeignet ist. Wenn erkannt wird, dass dieser Betriebsmodus, ein erster Betriebsmodus, vorliegt, wird ein Wärmewiderstand der Komponente ermittelt. Bevorzugt wird der Wärmewiderstand ermittelt, wenn ein eingeschwungener Zustand des ersten Betriebsmodus vorliegt. Bevorzugt liegt ein eingeschwungener erster Betriebsmodus vor, wenn dieser beispielsweise bereits mehr als 5 Minuten, 10 Minuten oder mehr als 20 Minuten andauert, je nachdem welche Komponente des Wechselrichters diagnostiziert wird. Bevorzugt wird der Wärmewiderstand mehrfach nacheinander ermittelt, beispielsweise in einem Abstand von 3 bis 5 Minuten. Als Ergebnis wird der Mittelwert der aufeinanderfolgenden Ermittlungen als ermittelter Wert weiterverwendet. Der ermittelte Wert wird als neuer Messwert in einem Speicher, bevorzugt mit Ermittlungsdatum und oder Zeitpunkt gespeichert. Bevorzugt werden regelmäßig über die Betriebszeit des Wechselrichters die ermittelten Werte abgespeichert, sodass der Wärmewiderstand als eine Funktion über die Betriebszeit in dem Speicher abgelegt ist und verfügbar ist. In Abhängigkeit mindestens eines alten Messwerts, der beispielsweise von einer Messung am Vortag oder einem früheren Zeitpunkt stammt, wird der Zustand der Komponente bestimmt. Der alte Messwert wird hierzu bevorzugt aus dem Speicher ausgelesen. Dass Vorliegen des ersten Betriebsmodus wird erkannt, in dem der Stillstand der elektrischen Maschine erkannt wird und indem erkannt wird, dass mittels Pulsweitenmodulation eine Spannung an den Ausgängen des Wechselrichters erzeugt wird, sodass ein konstanter Strom durch die Wicklungen der elektrischen Maschine resultiert. Da erst die Ermittlung des Wärmewiderstands erfolgt, wenn der erste Betriebsmodus vorliegt, wird sichergestellt, dass ein genauer Wärmewiderstand ermittelt werden kann. Durch den konstanten Strom durch die Wicklungen gibt es keine Schwankungen des Wärmeeintrags zum Beispiel aufgrund einer Fahrdynamik. Hierzu sind keine nicht ohnehin im Antriebsstrang verfügbaren Komponenten notwendig, sodass die Ermittlung des Zustands der Komponente mit relativ geringem Aufwand und somit sehr kostengünstig realisiert werden kann.
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Der so ermittelte Zustand der Komponente ermöglicht Rückschlüsse auf die Alterung oder die Funktionalität der Komponente. Somit kann ein eventuell bevorstehender Ausfall oder eine Beschädigung des Wechselrichters oder einer Batterie aufgrund der defekten Komponente frühzeitig erkannt werden. Damit steigt insbesondere auch die Verfügbarkeit eines Systems mit einem Wechselrichter, dessen Komponente überwacht wird. Bevorzugt erfolgt eine Fehleranalyse abhängig von der Änderung des Wärmewiderstands. Bevorzugt erfolgt ein kontinuierlicher langsamer Anstieg des Wärmewiderstands einer Komponente aufgrund eines langsamen Kontaktverlust einer Wärmeleitschicht oder einer Wärmeleitpaste. Bevorzugt wird ein dem Fehler entsprechende Eintrag im Fehlerspeicher abgelegt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Komponente ein Leistungsmodul oder ein Zwischenkreiskondensator des Wechselrichters. Vorteilhaft werden Komponenten ausgewählt, die innerhalb des Wechselrichters beim Betrieb überdurchschnittlich viel Abwärme erzeugen. Eine Überwachung derer Wärmewiderstände ist daher besonders wichtig, da eine größerer Wärmewiderstand dieser Komponenten zu thermischen Problemen innerhalb des Inverters führt. Zum Schutz des Wechselrichters und oder angeschlossener Komponenten wird der Betrieb des Wechselrichters eingestellt, sobald der ermittelte Wärmewiderstand einen Grenzwert überschreitet.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird als Zustand eine normale Alterung bestimmt oder klassifiziert, wenn eine Abweichung eines alten Messwert und des neuen Messwertes einen ersten vorgebbaren Schwellenwert unterschreitet und als Zustand ein Defekt bestimmt oder klassifiziert wird, wenn die Abweichung den ersten vorgebbaren Schwellenwert überschreitet. Mit dem Alter und auch während der Nutzung der Komponenten des Wechselrichters nimmt der Wärmewiderstand der Komponente zu. Daher ist zu erwarten, dass der Absolutwert des ermittelten Wärmewiderstands bei jeder weiteren Bestimmung zunimmt. In einem Schaubild, bei dem vertikal die Kapazität aufgetragen wird und horizontal der Zeitpunkt, zu dem die Messung stattfand, ergeben sich positive Steigungen der Verbindungslinien oder ein positiver Gradient zwischen einem zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten alten Messwert und einem neuen Messwert. Solange der ermittelte Wärmewiderstand einen ersten vorgebbaren Schwellenwert nicht überschreitet, ist von einer normalen Alterung auszugehen. Überschreitet hingegen der ermittelte Wärmewiderstand den vorgebbaren Schwellenwert, ist von einem Defekt der Komponente auszugehen, da der Wärmewiderstand zu stark zugenommen hat. Entsprechend wird ein vorgebbarer Schwellenwert für den Wärmewiderstand vorgegeben, der als Grenze zwischen normaler Alterung und Defekt angesehen wird. Ein Defekt der Komponente kann beipielsweise die Folge von Materialablösungen, Verschmelzungen oder eines Durchschlags innerhalb des der Komponente sein. Bevorzugt ist dies eine lokale Zerstörung der Komponente. Bevorzugt führt dies zu einer schlechteren thermischen Anbindung der Komonente. Bevorzugt erhöht sich aufgrund der Materialablösungen der Innenwiderstand und führt zu einem Temperaturanstieg. Von einer weiteren Nutzung des Wechselrichters oder der Komponente ist abzusehen, um weitere Schäden, bspw. ein Kurzschluss oder Brand der Komponente zu vermeiden. Auch für den Fall, dass mittels des vorgebbaren Schwellenwertes eine normale Alterung diagnostiziert wird, kann mittels eines zweiten vorgebbaren Grenzwertes ein Maximalwert des Wärmewiderstands vorgegeben werden und der neue Messwert mit diesem zweiten vorgebbaren Grenzwert verglichen werden. Auch wenn der neue Messwert diesen Wert übrschreitet, ist von einer weiteren Nutzung der Komponente abzusehen. Vorteilhaft wird ein Verfahren zur Bestimmung oder Klassifizierung unterschiedlicher Zustände der Komponente bereitgestellt. Vorteilhaft kann bevorzugt ein geringerer Vorhalt für Toleranzen durch ExemplarStreuung, Temperatureinflüsse, Alterung vorgesehen werden. Weiter wird für das System bevorzugt ein adaptives Derating in Abhängigkeit des ermittelten Zustands der Komponente vorgegeben.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Erkennen, dass die elektrische Maschine stillsteht, bevorzugt in Abhängigkeit einer Ermittlung der Drehzahl der elektrischen Maschine. Bevorzugt umfasst das Erkennen, dass mittels Pulsweitenmodulation eine Spannung an den Ausgängen des Wechselrichters erzeugt wird, sodass ein konstanter Storm durch die Wicklungen der elektrischen Maschine resultiert, die Schritte: Ermitteln einer Spannung oder eines Stroms an den Ausgängen des Wechselrichters.
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Bevorzugt werden, neben weiteren möglichen Schritte, Möglichkeiten bereitgestellt, wie beispielsweise ein Stillstand der elektrischen Maschine ermittelt werden kann, nämlich in Abhängigkeit einer mittels eines Lagegebers ermittelten Rotorlage, bevorzugt einer ermittelten konstanten Rotorlage. Alternativ könnte auch ein empfangenes Signal auf den Stillstand der elektrischen Maschine hinweisen. Dies könnte bevorzugt ein Signal bzgl. einer festgestellten Bremse eines Fahrzeugs oder einer eingelegten Parksperre sein, wobei mittels der Bremse oder der Parksperre jeweils auch die elektrische Maschine abgebremst oder blockiert wird. Weiter werden bevorzugt Schritte bereitgestellt, die darauf hinweisen, dass trotz des Stillstands der elektrischen Maschine ein konstanter Strom durch die Phasenwicklungen fließt. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer Strommesseinrichtung an den Phasen der elektrischen Maschine. Eine derartige Strommesseinrichtung ist meist bereits eine Voraussetzung für die Regelung der elektrischen Maschine und damit bereits vorhanden. Alternativ könnten auch die Spannungen an den Phasen oder zwischen den Phasen ermittelt werden, die bei Stillstand der elektrischen Maschine ebenfalls konstant sind. Vorteilhaft werden Möglichkeiten bereitgestellt, mittels derer erkannt werden kann, dass der erste Betriebsszustand vorliegt. Bevorzugt wird der erste Betriebszustand erzeugt, indem eine spezielle Ansteuerung des Wechselrichters bei stehendem Fahrzeug Verluste in der elektrischen Maschine und im Wechselrichter erzeugt, um bevorzugt mittels der dabei entstehenden Abwärme ein Kühlmittel des Fahrzeugs zu erwärmen. Bevorzugt wird der Wechselrichter dabei so angesteuert, dass nach einem kurzen Einschwingen an der elektrischen Maschine keine Bewegung entsteht. Bevorzut sind die bei dieser Ansteuerung resultierenden Phasenströme durch die elektrische Maschine für einen längeren Zeitraum, bevorzugt 30 bis 90 Min. konstant. Im Vergleich zum regulären Fahrbetrieb ist der Strom in dem ersten Betriebsmodus wesentlich weniger gestört aufrgrund der gleichmäßigen Last. Durch die stehende elektrische Maschine fließt ein konstanter Strom frei von drehzahl- und drehmomentabhängigen harmonischen Überlagerungen.
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Dieser Konstantstrom wird durch Anlegen einer getakteten Spannung an die Wicklungen der elektrischen Maschine und die Eigeninduktivität dieser Wicklungen erzeugt. Bevorzugt ist aufgrund der Regelung dieses Konstantstroms auf einen vorgegebenen Sollwert auch der Mittelwert der aus der Batterie in das System nachfließende Strom daher bereits exakt bekannt und kann alternativ als ermittelter Laststrom durch den Wechselrichter verwendet werden.
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In einer anderen Ausgestaltung der elektrischen Maschine umfasst das Erkennen, dass der erste Betriebsmodus vorliegt, den Schritt: Empfangen eines ersten Signals, welches bei Vorliegen des ersten Betriebsmodus gesendet wird. Eine weitere Möglichkeit des Erkennens, dass der erste Betriebsmodus vorliegt, erfolgt einfach durch Empfangen eines Signals, welches beispielsweise von einem Steuergerät, einer Regelung des Wechselrichters, eines Ladegerätes oder einer Vehicle control unit ausgegeben wird. Dieses Signal wird ausgegeben, wenn dieser erste Betriebsmodus seitens des Steuergerätes begonnen wird. Vorteilhaft wird eine weitere Möglichkeit bereitgestellt, mittels derer erkannt werden kann, dass der erste Betriebsszustand vorliegt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Ermittlung des Wärmewiderstands der Komponente die Schritte: Ermittlung der am Zwischenkreiskondensator anliegenden Spannung, Ermittlung des Laststroms durch den Wechselrichter über der Zeit, Ermittlung einer ersten Temperatur an der Komponente, Ermittlung einer zweiten Temperatur eines Kühlmediums mit dem die Komponente gekühlt wird, Ermittlung des Wärmewiderstands als Quotient aus der Differenz der ersten und der zweiten Temperatur und dem Produkt aus der ermittelten Spannung und dem ermittelten Laststrom. Bevorzugt wird die Spannung an der Batterie, am Gleichspannungszwischenkreis oder direkt an dem Zwischenkreiskondensator mittels einer geeigneten Messeinrichtung erfasst und ermittelt. Aufgrund des pulsweitenmodulierten Betriebs des Wechselrichters derart, dass sich konstante Ströme durch die Wicklungen der stillstehenden Maschine ergeben, gibt es Rückwirkungen der Schaltvorgänge innerhalb des Wechselrichters, die zu Schwankungen oder Rippeln der Spannung im Gleichspannungszwischenkreis und auch am Zwischenkreiskondensator führen. Bevorzugt wird als ermittelte Spannung daher ein Wert verwendet, der aus einer Mehrzahl an Messwerten als Mittelwert ermittelt wird. Der Laststrom wird bevorzugt gleichspannungsseitig oder wechselspannungsseitig des Wechselrichters mittels einer geeigneten Messeinrichtung erfasst. Die erste Temperatur wird mittels einer geeigneten Messeinrichtung an der Komponente ermittelt. Bevorzugt wird die erste Temperatur mittels eines an der Komponente angeordneten Temperatursensors ermittelt. Alternativ kann die erste Temperatur auch anhand von Betriebsparametern der Komponente, beispielsweise Strom und oder Spannung durch die Komponente, ermittelt werden. Die zweite Temperatur wird mittels einer geeigneten Messeinrichtung an oder in einer Kühleinrichtung ermittelt. Bevorzugt stellt die Kühleinrichtung ein Kühlmedium zur Kühlung der Komponente bereit. Bevozugt wird die Komponente mittels eines Kühlmediums gekühlt. Bevorzugt wird die zweite Temperatur mittels eines in oder an dem Kühlmedium angeordneten Temperatursensors ermittelt. Bevorzugt wird die zweite Temperatur an einer Stromschiene ermittelt, die ebenfalls mit dem Kühlmedium in Verbindung steht. Deren Temperatur ist ebenfalls charakteristisch für die Temperatur des Kühlmediums. Der Wert des Wärmewiderstands R wird als Quotient aus der Differenz der ersten und der zweiten Temperatur T1, T2 und dem Produkt aus der ermittelten Spannung U und dem ermittelten Laststrom I nach der Formel: R=(T1-T2)/U*I ermittelt. Vortelhaft wird ein Verfahren zur Ermittlung des Wärmewiderstands der Komponente bereitgestellt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren die weiteren Schritte: Eintrag eines Fehlers in einen Fehlerspeicher, wenn als Zustand ein Defekt bestimmt wird und oder Ausgabe eines Signals an eine Regelung des Wechselrichters zur Berücksichtigung des Defektes beim weiteren Betrieb des Wechselrichters, wenn als Zustand ein Defekt bestimmt wird. Bei Vorliegen eines Defektes wird eine Schutzmaßnahme ausgeführt, um weiteren Schaden an angeschlossenen Komponenten oder deren Fehlfunktion zu vermeiden. Bevorzugt wird ein Fehler in einen Fehlerspeicher zur Dokumentation eingetragen und oder eine Diagnoseeinheit gibt ein Signal aus, bevorzugt an eine Steuereinrichtung einer angeschlossenen Komponente oder einer Regelung des Wechselrichters, um deren Betrieb an den Defekt anzupassen, bevorzugt deren Betrieb einzustellen oder deren elektrische Leistung zu reduzieren. Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, zum Schutz angeschlossener Komponenten.
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Ferner umfasst die Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ausführt.
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Ferner umfasst die Erfindung ein computerlesbares Medium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung diese veranlassen, die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte auszuführen.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Wechselrichteranordnung mit einer Vorrichtung zur Diagnose eines Zustands einer Komponente eines Wechselrichters gemäß einer Ausführungsform;
- 2: eine schematische Darstellung eines Diagramms von Strom-, Spannung- und Winkelverlauf über der Zeit, wie sie einer Ausführungsform zugrunde liegen;
- 3: eine schematische Darstellung eines Diagramms einer Änderung des Wämewiderstands einer Komponente über der Zeit, wie sie einer Ausführungsform zugrunde liegt;
- 4: eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Antriebsstrang und einer Vorrichtung zur Diagnose eines Zustands einer Komponente eines Wechselrichters, wie es einer Ausführungsform zugrunde liegt; und
- 5: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Diagnose eines Zustands einer Komponente eines Wechselrichters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen, soweit nicht anders angegeben, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaltbildes für eine Wechselrichteranordnung mit einer Vorrichtung 200 zur Diagnose eines Zustands einer Komponente eines Wechselrichters 310 gemäß einer Ausführungsform. Bevorzugt ist die Komponente des Wechselrichters 310 ein Zwischenkreiskondensator 312 des Wechselrichters 310 oder ein Leistungsmodul 314 des Wechselrichters 310. Die Wechselrichteranordnung umfasst den Wechselrichter 310, an dessen Eingang der Zwischenkreiskondensator 312 angeordnet ist. Bei dem Zwischenkreiskondensator 312 kann es sich dabei um einem in den Wechselrichter 310 integrierten Zwischenkreis-Kondensator 312 handeln. Alternativ kann der Zwischenkreis-Kondensator 312 jedoch auch als separates Bauelement oder als Baugruppe mit mehreren einzelnen Kondensatoren unabhängig von dem Wechselrichter 310 bereitgestellt werden. Das Leistungsmodul 314 umfasst die Schaltelemente S1..S6 des Wechselrichters 310. Bevorzugt sind die Schaltelemente S1..S6 Leistungshalbleiterschaltelemente. Die Schaltelemente sind bevorzugt IGBTs oder MOSFETs. Bevorzugt sind die Schaltelemente als integrierte Schaltung ausgeführt. Der Eingang des Wechselrichters 310 ist mit einer Batterie 320 oder einer Gleichspannungsquelle verbindbar. Beispielsweise kann es sich bei der Gleichspannungsquelle um eine Batterie bzw. einen Akkumulator, wie zum Beispiel eine Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges, handeln. Am Ausgang des Wechselrichters 310 ist eine elektrische Last, wie zum Beispiel eine elektrische Maschine 330 anschließbar. Bei dem Betrieb des Wechselrichters 310 werden die Schaltelemente des Wechselrichters S1..S6 derart getaktet angesteuert, sodass ein Strom I aus der Gleichspannungsquelle durch die Phasenleitungen U, V, W und somit durch die Wicklungen der elektrischen Maschine 330 fließt. Bevorzugt wird der Strom I mittels geeigneter Messeinrichtungen im Gleichspannungszwschenkreis oder in den Phasenleitungen des Wechselrichters ermittelt. Im Gleichspannungszwischenkreis liegt dabei die Spannung U an, die aufgrund des Schaltens der Schaltelemente Schwankungen oder einen Rippel aufweist.
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Weiterhin ist eine Vorrichtung 200 zur Diagnose eines Zustands einer Komponente des Wechselrichters 310 für ein mittels einer Gleichspannungsquelle oder Batterie 320, dem Wechselrichter 310 und einer elektrischen Maschine 330 elektrisch antreibbaren Fahrzeugs 500 dargestellt und vorgesehen. Die Vorrichtung 200 umfasst eine Diagnoseeinheit 210 mit einer Recheneinheit 240 und einem Speicher 230. Die Vorrichtung 200 mit der Diagnoseeinheit 210 ist dazu eingerichtet, die Schritte des Verfahrens 100 auszuführen. Die Diagnoseeinheit 210 erkennt, dass ein erster Betriebsmodus vorliegt, ermittelt mittels der Recheneinheit 240 den Wärmewiderstand einer Komponente und speichert diesen neuen Messwert, bevorzugt in dem Speicher 230. Weiter bestimmt die Diagnoseeinheit 210 den Zustand der Komponente in Abhängigkeit des neuen Messwerts und mindestens eines zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten alten Messwerts. Bevorzugt entnimmt die Diagnoseeinheit 210 den alten Messwert dem Speicher 230. Bevorzugt ist die Diagnoseeiheit 210 zur Erfassung von Messgrößen, zur Kommunikation und oder zur Steuerung des Wechselrichters 310 mit diesem mittels nicht dargestellter Kommunikationsleitungen oder Funkverbindungen verbunden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms von Stromverläufen, eines Spannungverlaufs und eines Winkelverlaufs über der Zeit, wie sie einer Ausführungsform zugrunde liegen. Die Diagnoseeinheit 210 erkennt, dass der erste Betriebsmodus vorliegt, wenn zum einen die elektrische Maschine 330 stillsteht. Wenn die elektrische Maschine stillsteht, bevorzugt der Rotor der elektrischen Maschine stillsteht, ist der Winkel Phi, der die Rotorlage des Rotors der elektrischen Maschine beschreibt, konstant. Im schematisch dargestellten Beispiel in 2 im unteren Teil des Diagramms beträgt der Winkel Phi über der Zeit konstant 50°. Im oberen Teil des Diagramms sind schematisch die Phasenströme Ip durch die Phasen U, V, W dargestellt. Diese sind ebenfalls über der Zeit konstant. Deren Summe ergibt Null, da der Strom über zwei Phasen in die elektrische Maschine 330 fließt und über eine Phase zurück in die Batterie 320. Im mittleren Teil des Diagramms ist schematisch die im Gleichspannungszwischenkreis anliegende Spannung U dargestellt. Im Mittel ist auch die Spannung U über der Zeit konstant. Die Diagnoseeinheit 210 erkennt, dass der erste Betriebsmodus vorliegt, wenn sie einen vergleichbaren konstanten Stromverlauf, bevorzugt durch alle Phasen einer angeschlossenen elektrischen Maschine 330, und gleichzeitig den Stillstand der elektrischen Maschine 330 erkennt. Sodann liegen geeignete Randbedingungen zur genauen Diagnose eines Zustands einer Komponente eines Wechselrichters 310 vor.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms einer Änderung des Wämewiderstands einer Komponente über der Zeit, wie sie einer Ausführungsform zugrunde liegt. Die durchgezogene Linie in 3 zeigt beispielhaft den Verlauf des Wärmewiderstands einer Komponente eines Wechselrichters über die Jahre. Die untere gestrichelte Linie stellt den konstanten Wert des ersten vorgebbaren Schwellenwertes dar. Die darüberliegende gestrichelte Linie stellt einen zweiten vorgebbaren Schwellenwert dar. Über die ersten vier Jahr unterliegt die Komponete einer normalen Alterung, die sich in einer minimalen Erhöhung des Wärmewiderstands R über der Zeit zeigt. In dieser Phase wird mittels der Diagnoseeinheit eine normale Alterung bestimmt. Im fünften Jahr kommt es zu einem plötzlichen starken Anstieg des Wärmewiderstands. An dieser Stelle wird mittels der Diagnoseeinheit ein Defekt als Zustand der Komponente des Wechselrichters 310 bestimmt, da ein erster vorgebbarer Schwellenwert überschritten wird.
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Darauf wird bevorzugt seitens der Diagnoseeinheit ein erstes Fehlersignal ausgegeben, damit der Wechselrichter in einem leistungsreduzierten Betrieb, im Derating, betrieben wird. Bevorzugt wird bei Überschreiten des zweiten Schwellenwertes ein zweites Fehlersignal ausgegeben, damit der Wechselrichter in einem Betrieb betrieben wird, bei dem die Leistung noch geringer ist, als bei dem leistungsreduzierten Betrieb, oder ganz abgeschaltet wird.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Antriebsstrang und einer Vorrichtung zur Diagnose eines Zustands einer Komponente eines Wechselrichters 310, wie es einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das Fahrzeug 500 umfasst beispielhaft vier Räder 502. Bei dem Fahrzeug kann es sich jedoch auch um ein anderes beliebiges Fahrzeug zu Wasser, zu Lande oder in er Luft handeln. Eine Antriebsachse mit zwei Rädern 502 ist bevorzugt über ein Getriebe mit der elektrischen Maschine 330 verbunden. Diese wird von dem Wechselrichter 310 mit elektrischer Energie versorgt. Der Wechselrichter 310 ist eingangsseitig mit einer Batterie 320 oder einer Gleichspannungsquelle verbunden. Bevorzugt ist die Gleichspannungsquelle als Brennstoffzelle ausgeführt. In der Ausführungsform der 4 sind die Vorrichtung 200, der Zwischenkreiskondensator 312 und das Leistungsmodul 314 bevorzugt in den Wechselrichter 310 integriert und daher nicht separat dargestellt. Der Antriebsstrang des Fahrzeugs 500 umfasst den Wechselrichter 310 mit der Komponente und die Vorrichtung 200. Bevorzugt umfasst der Antriebsstrang auch die elektrische Maschine 330 und oder die Batterie 320.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren 100, zur Diagnose eines Zustands einer Komponente eines Wechselrichters 310 für ein mittels einer Batterie 320, dem Wechselrichter 310 und einer elektrischen Maschine 330 elektrisch antreibbaren Fahrzeugs 500, gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Mit Schritt 105 startet das Verfahren. In Schritt 110 wird erkannt, dass ein erster Betriebsmodus vorliegt. Hierzu wird bevorzugt in Schritt 114 erkannt, dass die elektrische Maschine 330 stillsteht und bevorzugt in Schritt 116 erkannt, dass mittels Pulsweitenmodulation eine Spannung an den Ausgängen des Wechselrichters 310 erzeugt wird, sodass ein konstanter Strom durch die Wicklungen der elektrischen Maschine 330 resultiert. Bevorzugt erfolgt dieses Erkennen in Schritt 112 indem ein erstes Signal seitens der Diagnoseeinheit 210 empfangen wird, welches bei Vorliegen des ersten Betriebsmodus gesendet wird. Bevorzugt wird dieses Signal von einen weiteren Steuergerät, einer vehicle control unit oder einer Regelung des Wechselrichters 312 ausgesendet. In Schritt 120 wird ein Wärmewiderstand einer Komponente eines Wechselrichters 310 ermittelt. Hierzu werden bevorzugt in Schritt 122 die am Zwischenkreiskondensator 312 anliegende Spannung U ermittelt, bevorzugt in Schritt 123 der Laststrom I durch den Wechselrichter 312 ermittelt, bevorzugt in Schritt 124 eine erste Temperatur T1 an der Komponente, bevorzugt in Schritt 125 eine zweite Temperatur T2 eines Kühlmediums mit dem die Komponente gekühlt wird und bevorzugt in Schritt 126 der Wärmewiderstand der Komponente als Quotient aus der Differenz der ersten und der zweiten Temperatur T1, T2 und dem Produkt aus der ermittelten Spannung U und dem ermittelten Laststrom I ermittelt. In Schritt 130 wird der ermittelte Wärmewiderstand der Komponente als neuer Messwert gespeichert. In Schritt 140 wird der Zustand der Komponente des Wechelrichters 310 in Abhängigkeit des neuen Messwerts und mindestens eines zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten alten Messwerts bestimmt oder klassifiziert. Bevorzugt wird dabei eine normale Alterung bestimmt oder klassifiziert, wenn eine Abweichung eines alten Messwert und des neuen Messwertes einen ersten vorgebbaren Schwellenwert unterschreitet. Weiter wird bevorzugt als Zustand ein Defekt bestimmt oder klassifiziert, wenn die Abweichung den ersten vorgebbaren Schwellenwert überschreite. Bevorzugt wird in Schritt 150 ein Fehler in einen Fehlerspeicher eingetragen, wenn als Zustand ein Defekt bestimmt wird und oder in Schritt 160 ein Signal an eine Regelung des Wechselrichters ausgegeben zur Berücksichtigung des Defektes beim weiteren Betrieb des Wechselrichters, wenn als Zustand ein Defekt bestimmt wird. Mit Schritt 165 endet das Verfahren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016207378 A1 [0004]
