DE102022119971A1 - Verfahren zum Balancieren einer Mittelpunktspannung eines 3-Level-Inverters - Google Patents

Verfahren zum Balancieren einer Mittelpunktspannung eines 3-Level-Inverters Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines 3-Level-Inverters (), welcher einen Zwischenkreis (2) mit drei Anschlüssen (DC+, DC-, N) sowie zumindest drei Schaltabschnitte (3a, 3b, 3c) mit jeweils einem Phasenabgriff (u, v, w) und jeweils drei Schalteinrichtungen (S1, S2, S3) aufweist, welche zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung (Va1, Va2) in zumindest 27 Schaltzustände überführbar sind und dabei den Phasenabgriff (u, v, w) des jeweiligen Schaltabschnittes (3a, 3b, 3c) unter Erzeugung eines Spannungsvektors (v1p, v1n, v2p, v2n, v3, v4, v5) mit jeweils einem der Anschlüsse (DC+, DC-, N) verbinden, wobei dem Verfahren zum Kompensieren einer unerwünschten, schaltzustandsspezifischen Mittelpunktspannungsänderung des Zwischenkreises (2)- ein Schaltmuster (SM1, SM2) aus zumindest vier Spannungsvektoren (v1p, v1n, v2p, v2n, v3, v4) bestimmt wird, von welchen zumindest zwei Spannungsvektoren (v1p, v1n, v2p, v2n) über unterschiedliche Schaltzustände redundant erzeugt werden,- in Abhängigkeit von dem Schaltmuster (SM1, SM2) eine, die Mittelpunktspannungsänderung hervorrufende Strombelastung (iB) des Mittelpunktanschlusses (N) prädiziert wird,- ein die Strombelastung (iB) kompensierender Ausgleichsstrom (iA) bestimmt wird, und- eine zeitliche Gewichtung der redundanten Spannungsvektoren (v1p, v1n, v2p, v2n) bestimmt wird, durch welche zumindest ein Teil des kompensierenden Ausgleichsstroms (iA) beim Modulieren der Ausgangsspannung (Va1, Va2) bereitgestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines 3-Level-Inverters, welcher einen Zwischenkreis mit drei Anschlüssen in Form von einem High-Side-Anschluss, einem Low-Side-Anschluss und einem Mittelpunktanschluss aufweist. Außerdem weist der 3-Level-Inverter zumindest drei, mit dem Zwischenkreis verbundene Schaltabschnitte mit jeweils einem Phasenabgriff zum elektrischen Verbinden mit jeweils einer Phase einer elektrischen Antriebsmaschine auf. Jeder Schaltabschnitt weist jeweils drei Schalteinrichtungen auf, welche zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung in zumindest 27 Schaltzustände überführbar sind und dabei den Phasenabgriff des jeweiligen Schaltabschnittes mit jeweils einem der Anschlüsse des Zwischenkreises verbinden. Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuereinrichtung, ein Leistungsmodul sowie ein Kraftfahrzeug.
  • Vorliegend richtet sich das Interesse auf 3-Level-Inverter bzw. Dreistufenwechselrichter für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche 3-Level-Inverter sind zwischen einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktionsbatterie, und eine elektrische Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs geschaltet und dienen dazu, eine von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellte Gleichspannung in eine Mehrphasenwechselspannung für Phasen der elektrischen Antriebsmaschine zu wandeln. Auch kann der 3-Level-Inverter als ein Leistungsfaktorkorrekturfilter für ein 3-Phasen-Ladegerät verwendet werden.
  • Inverter weisen üblicherweise drei parallel geschaltete Halbbrücken sowie einen mit den Halbbrücken verbundenen Zwischenkreis auf. Jede Halbbrücke weist jeweils zwei Schalteinrichtungen auf, wobei eine erste Schalteinrichtung zumindest einen High-Side-Schalter aufweist und mit einem High-Side-Anschluss des Zwischenkreises verbunden ist und wobei eine zweite Schalteinrichtung zumindest einen Low-Side-Schalter aufweist und mit einem Low-Side-Anschluss des Zwischenkreises verbunden ist. Zusätzlich zu den Halbbrücken weisen 3-Level-Inverter drei dritte Schalteinrichtungen mit jeweils zumindest einem Mittelpunktschalter auf, wobei jeweils eine dritte Schalteinrichtung mit einem Abgriff zwischen der ersten und der zweiten Schalteinrichtung einer Halbbrücke sowie mit einem Mittelpunktanschluss des Zwischenkreises elektrisch verbunden ist. Ein solcher 3-Level-Inverter kann pro Schaltabschnitt, welcher aus einer Halbbrücke und einer dritten Schalteinrichtung besteht, drei Spannungslevel für die Phasen der elektrischen Maschine bereitstellen und weist somit zusätzlich zu den acht Schaltzuständen eines herkömmlichen 2-Level-Inverters 19 weitere Schaltzustände zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung auf. Mittels dieser 27 Schaltzustände kann eine gewünschte Sinusform der Ausgangsspannung mit einem besonders geringen Oberwellenanteil erzeugt werden, wodurch Verluste in der elektrischen Maschine verringert werden. Außerdem weist der 3-Level-Inverter besonders geringe Schaltverluste auf.
  • Problematisch bei einem solchen 3-Level-Inverter ist jedoch die ungleiche Belastung des Mittelpunktanschlusses, kurz des Mittelpunktes, welche vor allem durch diejenigen Schaltzustände hervorgerufen wird, bei welchen zumindest ein Mittelpunktschalter beteiligt ist. Daraus resultiert eine unerwünschte Mittelpunktspannungsänderung, welche zu einer verringerten Lebensdauer von Kondensatoren des Zwischenkreises führt. Falls die Mittelpunktspannungsänderung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, kann es zu einer Schädigung des gesamten 3-Level-Inverters kommen.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung zum Reduzieren einer Mittelpunktspannungsänderung eines 3-Level-Inverters für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, eine Steuereinrichtung, ein Leistungselektronikmodul sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben eines 3-Level-Inverters. Der 3-Level-Inverter weist einen Zwischenkreis mit drei Anschlüssen in Form von einem High-Side-Anschluss, einem Low-Side-Anschluss und einem Mittelpunktanschluss auf. Außerdem weist der 3-Level-Inverter zumindest drei, mit dem Zwischenkreis verbundene Schaltabschnitte mit jeweils einem Phasenabgriff zum elektrischen Verbinden mit jeweils einer Phase einer elektrischen Antriebsmaschine auf. Jeder Schaltabschnitt weist jeweils drei Schalteinrichtungen auf, welche zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung in zumindest 27 Schaltzustände überführbar sind und dabei den Phasenabgriff des jeweiligen Schaltabschnittes unter Erzeugung eines Spannungsvektors mit jeweils einem der Anschlüsse des Zwischenkreises verbinden.
  • Bei dem Verfahren wird zum Kompensieren einer unerwünschten, schaltzustandsspezifischen Mittelpunktspannungsänderung des Zwischenkreises bei Modulieren der arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung ein arbeitspunktspezifisches Schaltmuster aus zumindest vier Spannungsvektoren bestimmt wird, von welchen zumindest zwei Spannungsvektoren über unterschiedliche Schaltzustände des 3-Level-Inverters redundant, jedoch mit entgegengesetztem Einfluss auf die Mittelpunktspannung erzeugt werden. In Abhängigkeit von dem bestimmten Schaltmuster wird eine, die unerwünschte Mittelpunktspannungsänderung hervorrufende Strombelastung des Zwischenkreises prädiziert. Außerdem wird in Abhängigkeit von der prädizierten Strombelastung ein die resultierende Strombelastung innerhalb einer Modulationsperiode kompensierender Ausgleichsstrom bestimmt und hiermit eine zeitliche Gewichtung der redundanten Spannungsvektoren bestimmt, durch welche zumindest ein Teil des kompensierenden Ausgleichsstroms beim Modulieren der Ausgangsspannung bereitgestellt werden kann.
  • Zur Erfindung gehört außerdem eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, sowie ein Leistungselektronikmodul mit einem 3-Level-Inverter und einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung. Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst einen elektrischen Energiespeicher, eine elektrische Maschine sowie ein erfindungsgemäßes Leistungselektronikmodul, wobei der 3-Level-Inverter eingangsseitig mit dem elektrischen Energiespeicher und ausgangsseitig mit Phasen eines Stators der elektrischen Maschine verbunden ist. Der 3-Level-Inverter ist dazu ausgelegt, die von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellte Gleichspannung, welche als Eingangsspannung am Zwischenkreis des 3-Level-Inverters anliegt, in eine Mehrphasenwechselspannung zu wandeln und als Ausgangsspannung für die Phasen der elektrischen Maschine bereitzustellen.
  • Der 3-Level-Inverter weist eingangsseitig den Zwischenkreis auf, welcher insbesondere zumindest eine Reihenschaltung aus zumindest zwei Kondensatoren aufweist. Die Schaltabschnitte bzw. Schaltbrücken weisen jeweils eine erste Schalteinrichtung mit zumindest einem High-Side-Schalter, eine zweite Schalteinrichtung mit zumindest einem Low-Side-Schalter und eine dritte Schalteinrichtung mit zumindest einem Mittelpunktschalter auf. Die erste und die zweite Schalteinrichtung eines Schaltabschnittes sind zu einer Halbbrücke verschaltet. Jeder Schaltabschnitt weist einen Phasenabgriff auf, welcher mit der zugehörigen Phase der elektrischen Maschine verbunden ist. Die Anschlüsse der Reihenschaltung, welche den High-Side-Anschluss und den Low-Side-Anschluss des Zwischenkreises ausbilden, sind mit Polen des elektrischen Energiespeichers sowie mit den Halbbrücken der Schaltabschnitte bzw. Schaltbrücken verbunden. Zwischen den Kondensatoren der zumindest einen Reihenschaltung ist der Mittelpunktanschluss, kurz Mittelpunkt, vorgesehen, welcher mit den dritten Schalteinrichtungen der Schaltabschnitte verbunden ist. Die Halbbrücken bilden dabei jeweils einen vertikalen Brückenzweig des jeweiligen Schaltabschnittes und die dritten Schalteinrichtungen bilden einen horizontalen Brückenzweig des jeweiligen Schaltabschnittes. Die High-Side-Schalter und die Low-Side-Schalter können beispielsweise als IGBTs oder Leistungs-MOSFETs ausgebildet sein. Die dritten Schalteinrichtungen können zum Bereitstellen einer bidirektionalen Sperrfähigkeit jeweils zwei antiseriell verschaltete Mittelpunktschalter oder jeweils einen bidirektionalen Mittelpunktschalter aufweisen. Die Mittelpunktschalter können ebenfalls als IGBTs oder Leistungs-MOSFETs ausgebildet sein.
  • Durch die drei Schalteinrichtungen pro Schaltbrücke weist der 3-Level-Inverter bei drei Schaltbrücken 27 Schaltzustände auf, wobei jeder Schaltzustand einen Spannungsvektor erzeugt, der als ein Raumzeiger in einem Zeigerdiagramm repräsentierbar ist. Dabei wird bei einer geschlossenen ersten Schalteinrichtung eines Schaltabschnittes der Phasenabgriff dieses Schaltabschnittes mit dem High-Side-Anschluss elektrisch verbunden und somit ein High-Side-Potential an die zugehörige Phase angelegt. Bei einer geschlossenen zweiten Schalteinrichtung eines Schaltabschnittes wird der Phasenabgriff dieses Schaltabschnittes mit dem Low-Side-Anschluss elektrisch verbunden und somit ein Low-Side-Potential an die zugehörige Phase angelegt. Bei einer geschlossenen dritten Schalteinrichtung eines Schaltabschnittes wird der Phasenabgriff dieses Schaltabschnittes mit dem Mittelpunktanschluss elektrisch verbunden und somit ein Mittelpunktpotential an die zugehörige Phase angelegt.
  • Beispielsweise erzeugen drei Schaltzustände, bei welchen entweder alle High-Side-Schalter geschlossen sind und somit alle Phasenabgriffe sowie Phasen mit dem High-Side-Anschluss des Zwischenkreises verbunden sind, oder alle Low-Side-Schalter geschlossen sind und somit alle Phasenabgriffe sowie Phasen mit dem Low-Side-Anschluss des Zwischenkreises verbunden sind, oder alle Mittelpunktschalter geschlossen sind und somit alle Phasenabgriffe sowie Phasen mit dem Mittelpunktanschluss des Zwischenkreises verbunden sind, Nullspannungsvektoren, welche als Nullspannungsraumzeiger im Raumzeigerdiagramm repräsentiert werden. Die Nullspannungsraumzeiger können somit redundant erzeugt werden.
  • Sechs weitere Schaltzustände, welche keine Beteiligung der dritten Schalteinrichtungen und somit der Mittelpunktschalter aufweisen, erzeugen sechs Spannungsvektoren, welche als lange, äußere Spannungsraumzeiger in dem Raumzeigerdiagramm repräsentiert werden und Eckpunkte eines äußeren Sechseckes ausbilden. Diese sechs langen, äußeren Spannungsraumzeiger entsprechen den Grundspannungsraumzeigern eines 2-Level-Inverters. Sechs weitere Schaltzustände weisen eine Beteiligung der Mittelpunktschalter auf und erzeugen sechs weitere Spannungsvektoren, welche als mittlere, äußere Spannungsraumzeiger in dem Raumzeigerdiagramm abgebildet werden und auf den Seitenkanten des äußeren Sechsecks zwischen jeweils zwei langen, äußeren Spannungsraumzeigern liegen.
  • Zwölf weitere Schaltzustände, welche ebenfalls eine Beteiligung der Mittelpunktschalter aufweisen, erzeugen zwölf kurze, innere Spannungsraumzeiger, wobei jeweils zwei Schaltzustände zwei identische Spannungsraumzeiger, also Spannungsraumzeiger mit gleicher Länge und gleichem Phasenwinkel, liefern. Somit ist jeder der kurzen, inneren Spannungsraumzeiger redundant erzeugbar. Dabei spannen die kurzen, inneren Spannungsraumzeiger ein inneres Sechseck auf, wobei jeweils zwei redundante Spannungsraumzeiger einen Eckpunkt des inneren Sechseckes bilden. Die zueinander redundanten Spannungsraumzeiger weisen dabei eine entgegengesetzte, komplementäre Wirkung auf den Strom im Mittelpunkt auf.
  • Das äußere Sechseck ist in sechs dreieckförmige Sektoren unterteilt, wobei Eckpunkte jedes Sektors durch die Nullspannungsraumzeiger sowie zwei benachbarte lange, äußere Spannungsraumzeiger gebildet sind. Jeder Sektor ist wiederum in vier dreieckförmige Segmente unterteilt, wobei an zumindest einem Eckpunkt jedes Segments zwei redundante Spannungsraumzeiger liegen. Um nun eine beliebige, arbeitspunktspezifische Ausgangsspannung mittels der Spannungsvektoren zu modulieren, wird bestimmt, in welchem Sektor und in welchem Segment des Sektors der die Ausgangsspannung repräsentierende arbeitspunktspezifische Ausgangsspannungsraumzeiger liegt. Anschließend kann dieser arbeitspunktspezifische Ausgangsspannungsraumzeiger durch Pulsweitenmodulation der dieses Segment aufspannenden Spannungsraumzeiger erzeugt werden. Dazu wird ein Schaltmuster bestimmt, in welchem eine Abfolge sowie eine Zeitdauer der zur Modulation verwendeten, segmentspezifischen Spannungsraumzeiger festgelegt ist.
  • Da beim Modulieren der Ausgangsspannung auch Spannungsvektoren im Schaltmuster verwendet werden, welche durch Schaltzustände mit Beteiligung der Mittelpunktschalter erzeugt werden und bei welchen somit der Phasenabgriff zumindest eines Schaltabschnittes mit dem Mittelpunktanschluss verschaltet ist, kann sich eine Strombelastung des Mittelpunktes ergeben, welche in Summe über eine Modulationsperiode ungleich Null ist, da die Kondensatoren des Zwischenkreises beim Schalten der Mittelpunktschalter ungleich geladen und entladen werden. Diese über die Modulationsperiode unausgeglichene Strombelastung des Mittelpunktes führt zu einer Mittelpunktspannungsänderung bzw. Abweichung der Mittelpunktspannung. Da diese Mittelpunktspannungsänderung die Lebensdauer der Kondensatoren herabsetzen kann oder zur Verletzung von Betriebsgrenzen der Schalteinrichtungen führen kann, soll die Mittelpunktspannung balanciert werden und somit die Mittelpunktspannungsänderung über die Modulationsperiode ausgeglichen werden. Dazu wird zunächst prädiziert bzw. vorhergesagt, welche Strombelastung im Mittelpunkt des Zwischenkreises durch das, zum Modulieren der arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung bestimmte Schaltmuster hervorrufen wird.
  • Die Strombelastung wird insbesondere anhand einer Zeitdauer von nicht redundanten Spannungsvektoren innerhalb des Schaltmusters, welche durch Schaltzustände mit Beteilung der Mittelpunktschalter erzeugt werden, prädiziert. Diese nicht redundanten Spannungsvektoren, welche unter Beteiligung der Mittelpunktschalter erzeugt werden, entsprechen den mittleren, äußeren Spannungsraumzeigern. Vor allem diese mittleren, äußeren Spannungsraumzeiger tragen zur Mittelpunktspannungsänderung innerhalb einer Modulationsperiode bei. Zur Vorhersage der Strombelastung kann beispielsweise eine Strom-Zeit-Fläche bestimmt werden, indem die durch einen mittleren, äußeren Spannungsraumzeiger hervorgerufene Strombelastung des Mittelpunkts bestimmt und mit der Zeitdauer multipliziert wird, für die dieser mittlere, äußere Spannungsraumzeiger anliegt.
  • Zudem kann die Strombelastung, welche zu der Abweichung der Mittelpunktspannung führt, anhand eines von dem Schaltmuster abhängigen und den Phasen zugeführten Stroms prädiziert werden. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das über die mit dem jeweiligen Anschluss des Zwischenkreises verschalteten Phasenabgriffe an die Phasen angelegte Potential zu einem sinusförmigen Stromfluss in den Phasen führt, wobei diese Sinusform der Phasenströme zur Mittelpunktspannungsänderung beitragen kann. Falls nämlich beispielsweise innerhalb des Schaltmusters die redundanten Spannungsraumzeiger jeweils zur Hälfte gesetzt werden und dabei der erste redundante Spannungsraumzeiger am Anfang der Modulationsperiode und der zweite redundante Spannungsraumzeiger, welcher einen zum ersten Spannungsraumzeiger entgegengesetzten Einfluss auf die Mittelpunktspannung aufweist, am Ende der Modulationsperiode gesetzt wird, so ergibt sich ein Einfluss auf den Mittelpunkt. Dieser Einfluss resultiert daraus, dass sich die Phasenstromwerte, mit welchen der Mittelpunkt zu den Zeitpunkten des ersten und des zweiten redundanten Spannungsraumzeiger belastet wird, unterscheiden. Darüber hinaus wird die Strombelastung vorzugsweise zusätzlich anhand eines Messwerts einer bereits bestehenden Spannungsabweichung des Mittelpunktanschlusses zu Beginn der jeweiligen Modulationsperiode bestimmt. Dieser Messwert kann in eine Strom-Zeit-Fläche umgerechnet werden, die diese Differenz mit der nächsten Modulationsperiode wieder ausgleicht. Diese bereits bestehende Abweichung, welche zu Beginn jeder Modulationsperiode gemessen wird, ist insbesondere bauteilbedingt und resultiert aus hardwarebedingten Toleranzen und Asymmetrien des speziellen 3-Level-Inverters. Die Strombelastung kann also mehrere Anteile aufweisen, welche, wie beschrieben, aus den mittleren, äußeren Spannungsraumzeigern, dem Stromverlauf sowie den bauteilbedingten Abweichungen des Mittelpunktstroms bzw. der Mittelpunktimpedanz gebildet sein können. Beispielsweise kann für jeden Strombelastungsanteil die jeweilige Strom-Zeit-Fläche bestimmt werden, aus welcher sich eine die gesamte, prädizierte Strombelastung beschreibende Strom-Zeit-Gesamtfläche ergibt.
  • In Abhängigkeit von dieser prädizierten Strombelastung wird nun der Ausgleichsstrom bestimmt, mit welcher der Mittelpunkt des Zwischenkreises beim Modulieren der Ausgleichsspannung beaufschlagt wird, um die prädizierte Strombelastung über die Modulationsperiode bzw. den Schaltzyklus zu kompensieren. Anders ausgedrückt wird die Strombelastung so gewählt, dass sie sich über die Modulationsperiode ausgleicht und somit die Mittelpunktspannung ausbalanciert. Der Ausgleichsstrom wird so bestimmt, dass er die Strom-Zeit- Gesamtfläche ausgleicht. Dieser Ausgleichsstrom wird beim Modulieren der arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung mithilfe der redundanten Spannungsvektoren, also der kurzen, inneren Spannungsraumzeiger, bereitgestellt, da diese redundanten, identischen Spannungsraumzeiger, welche mittels unterschiedlicher Schaltzustände erzeugt werden, entgegengesetzten Einfluss auf die Mittelpunktspannung haben. Dazu werden die redundanten Spannungsvektoren innerhalb der Modulationsperiode zeitlich so gewichtet, dass zumindest ein Teil des Ausgleichsstrom bereitgestellt werden kann. Dieses die Mittelpunktspannungsänderung zumindest reduzierende Schaltmuster, welches die zeitlich gewichteten redundanten Spannungsvektoren aufweist, wird anschließend zum Modulieren der Ausgangsspannung bereitgestellt.
  • Im Falle, dass die Strombelastung nicht vollständig durch die zeitliche Gewichtung der redundanten Spannungsvektoren kompensiert werden kann, kann es vorgesehen sein, dass die die Mittelpunkspannungsänderung hervorrufenden, nicht redundanten Spannungsvektoren, welche durch Schaltzustände mit Beteiligung der Mittelpunktschalter erzeugt werden, zumindest teilweise durch zwei nicht redundante Spannungsvektoren, welche durch Schaltzustände ohne Beteiligung der Mittelpunktschalter erzeugt werden, ersetzt werden. Dabei wird der Kurzzeitmittelwert der Ausgangsspannung über eine Modulationsperiode nicht verändert. Falls also die Strom-Zeit- Gesamtfläche nicht mithilfe der kurzen, inneren Spannungsraumzeiger ausgeglichen werden kann, wird der mittlere, äußere Spannungsraumzeiger zumindest teilweise durch die zwei benachbarten langen, äußeren Spannungsraumzeiger ersetzt, ohne dabei den Kurzzeitmittelwert der Ausgangsspannung über die Modulationsperiode zu verändern. Indem die beiden äußeren, langen Spannungsraumzeiger zu gleichen Zeitanteilen im Schaltmuster vorgesehen werden, können diese den mittleren, äußeren Spannungsraumzeiger zumindest teilweise abbilden. Dabei wird zum Bereitstellen des Ausgleichsstrom der mittlere, äußere Spannungsraumzeiger in dem Schaltmuster insbesondere nur in insoweit durch die langen, äußeren Spannungsraumzeiger ersetzt, bis der verbleibende Anteil des Ausgleichsstroms durch die zeitliche Gewichtung der redundanten Spannungsraumzeiger bereitgestellt werden kann.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass in einer ersten Modulationsperiodenhälfte die zwei nicht redundanten Spannungsvektoren, welche durch Schaltzustände ohne Beteiligung der Mittelpunktschalter erzeugt werden, sowie der eine der redundanten Spannungsvektoren bereitgestellt werden und in einer anschließenden zweiten Modulationsperiodenhälfte die zwei nicht redundanten Spannungsvektoren, welche ohne Beteiligung der Mittelpunktschalter erzeugt werden, sowie der andere der redundanten Spannungsvektoren bereitgestellt werden. In der ersten Modulationsperiodenhälfte wird also beispielsweise der erste der redundanten Spannungsvektoren bereitgestellt und in der zweiten Modulationsperiodenhälfte der zweite der redundanten Spannungsvektoren, welcher den gegenteiligen Einfluss auf die Mittelpunktspannung aufweist, bereitgestellt.
  • Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung, für das erfindungsgemäße Leistungselektronikmodul sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Schaltplan einer Ausgestaltung eines 3-Level-Inverters;
    • 2 eine Darstellung eines Zeigerdiagramms des 3-Level-Inverters;
    • 3 eine Darstellung von Schaltmustern zum Modulieren einer Ausgangsspannung des 3-Level-Inverters;
    • 4a, b Darstellungen einer kompensierbaren Strombelastung sowie von Phasenströmen und Schaltmustern mit und ohne Balancieren der Mittelpunktspannung;
    • 5 Darstellung einer vorerst nicht kompensierbaren Strombelastung sowie von Phasenströme und Schaltmustern;
    • 6 Zeitdauern von Spannungsvektoren, welche zu der vorerst nicht kompensierbaren Strombelastung führen; und
    • 7 eine Darstellung eines optimierten Schaltmusters zum Kompensieren der Strombelastung gemäß 5 sowie Zeitdauern der Spannungsvektoren, welche die Strombelastung gemäß 5 kompensieren.
  • In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt einen 3-Level-Inverter 1 für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug. Der 3-Level-Inverter 1 weist eingangsseitig einen Zwischenkreis 2 auf, welcher hier drei Zwischenkreiszweige 2a, 2b, 2c mit jeweils einer Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren C1, C2 aufweist. Ein High-Side Anschluss DC+ und ein Low-Side-Anschluss DC- des Zwischenkreises 2 werden mit Polen eines elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs verbunden, welcher dem Zwischenkreis 2 eine Gleichspannung VDC bereitstellt. Dabei liegt an jedem Kondensator C1, C2 die halbe Gleichspannung VDC/2 an. Der 3-Level-Inverter 1 weist außerdem drei Schaltabschnitte 3a, 3b, 3c auf, welche hier mit jeweils einem der Zwischenkreiszweige 2a, 2b, 2c elektrisch verbunden sind. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Zwischenkreis 2 nur einen Zwischenkreiszweig mit zwei seriell verschalteten Kondensatoren C1, C2 aufweist, an welchen die Schaltabschnitte 3a, 3b, 3c angeschlossen sind. Jeder Schaltabschnitt 3a, 3b, 3c weist einen Phasenabgriff u, v, w auf, welcher mit einer Phase Phu, Phv, Phw einer elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  • Jeder Schaltabschnitt weist drei Schalteinrichtungen S1, S2, S3 auf, welche jeweils zumindest einen als Halbleiterschalter, beispielsweise IGBTs, ausgebildeten Schalter aufweisen können. Die Schalteinrichtungen S1 und S2 sind zu einer Halbbrücke HB des jeweiligen Schaltabschnittes 3a, 3b, 3c verschaltet. Die ersten Schalteinrichtungen S1 sind High-Side-Schalteinrichtungen und sind mit dem High-Side-Anschluss DC+ des Zwischenkreises 2, welcher mit einem Pluspol des elektrischen Energiespeichers verbunden ist, und mit einem Abgriff A der jeweiligen Halbbrücke HB verbunden. Die zweiten Schalteinrichtungen S2 sind Low-Side-Schalteinrichtungen und sind mit dem Abgriff A der jeweiligen Halbbrücke HB und mit dem Low-Side-Anschluss DC- des Zwischenkreises 2, welcher mit einem Minuspol des elektrischen Energiespeichers verbunden ist, verbunden. Die dritten Schalteinrichtungen S3 sind Mittelpunktschalteinrichtungen und sind mit dem Abgriff A sowie mit einem Mittelpunktanschluss N des jeweiligen Zwischenkreiszweigs 2a, 2b, 2c zwischen den zwei Kondensatoren C1, C2 verbunden. Die Mittelpunktschalteinrichtungen S3 weisen hier jeweils zwei antiseriell verschaltete Mittelpunktschalter S3a, S3b auf.
  • Der 3-Level-Inverter 1 kann 27 Schaltzustände einnehmen, mittels welchen eine gewünschte, arbeitspunktspezifische Ausgangsspannung zum Anlegen an die Phasen Phu, Phv, Phw moduliert werden kann. Jeder Schaltzustand erzeugt dabei einen Spannungsvektor, welcher in einem in 2 gezeigten Raumzeigerdiagramm 4 mit den Achsen α, β dargestellt werden kann. In dem Raumzeigerdiagramm 4 sind an diskreten Punkten die unterschiedlichen Schaltzustände (u, v, w) mit u, v, w = 0, 1, 2 eingezeichnet, wobei u kennzeichnet, welche der Schalteinrichtungen S1, S2, S3 im ersten Schaltabschnitt 3a geschlossen ist, v kennzeichnet, welche der Schalteinrichtungen S1, S2, S3 im zweiten Schaltabschnitt 3b geschlossen ist, und w kennzeichnet, welche der Schalteinrichtungen S1, S2, S3 im dritten Schaltabschnitt 3c geschlossen ist. „0“ besagt, dass die jeweilige Low-Side-Schalteinrichtung S2 geschlossen ist und somit den jeweiligen Phasenabgriff u, v, w mit dem Low-Side-Anschluss DC- verbindet. „1“ besagt, dass die jeweilige Mittelpunktschalteinrichtung S3 geschlossen ist und somit den jeweiligen Phasenabgriff u, v, w mit dem Mittelpunktanschluss N verbindet. „2“ besagt, dass die jeweilige High-Side-Schalteinrichtung S1 geschlossen ist und somit den jeweiligen Phasenabgriff u, v, w mit dem High-Side-Anschluss DC+ verbindet. Die diskreten Punkte markieren dabei eine Pfeilspitze eines durch den jeweiligen Schaltzustand erzeugten Spannungsraumzeigers, welcher eine bestimmte Länge und einen bestimmten Phasenwinkel aufweist. Dabei ist bereits ersichtlich, dass Schaltzustände existieren, die identische Spannungsvektoren erzeugen. Beispielsweise erzeugen die Schaltzustände „221“ und „110“ identische Spanungsvektoren. Auch die Schaltzustände „000“, „111“, „222“ erzeugen identische Spannungsvektoren, nämlich jeweils einen Nullspannungsvektor.
  • Das Raumzeigerdiagramm ist in sechs Sektoren K1, K2, K3, K4, K5, K6 unterteilt, wobei jeder Sektor K1, ..., K6 in vier Segmente Q1, Q2, Q3, Q4 (hier nur für den ersten Sektor K1 dargestellt) unterteilt ist. Soll nun eine bestimmte, arbeitspunktspezifische Ausgangsspannung, beispielsweise die in 2 dargestellten Ausgangsspannungsvektoren Va1, Va2, moduliert werden, so wird zunächst bestimmt, in welchem Sektor K1, ..., K6 und in welchem Segment Q1, ..., Q4 des jeweiligen Sektors K1, ..., K6 der jeweilige Ausgangsspannungsvektor Va1, Va2 liegt. Beispielsweise liegt der erste Ausgangsspannungsvektor Va1 im ersten Sektor K1 im zweiten Segment Q2 und kann somit durch diejenigen Spannungsvektoren v2p, erzeugt durch Schaltzustand „221“, v2n, erzeugt durch Schaltzustand „110“, v1p, erzeugt durch Schaltzustand „211“, v1n, erzeugt durch Schaltzustand „100“ und v4 erzeugt durch Schaltzustand „210“ moduliert bzw. angenähert werden, welche Eckpunkte des zweiten Segmentes Q2 bilden und somit den zu erzeugenden Ausgangsspannungsvektor Va1 umgeben. Der Ausgangsspannungsvektor Va2 liegt im ersten Sektor K1 im dritten Segment Q3. Der Ausgangsspannungsvektor Va2 kann somit durch diejenigen Spannungsvektoren v1p, erzeugt durch Schaltzustand „211“, v1n, erzeugt durch Schaltzustand „100“, v3, erzeugt durch Schaltzustand „200“, und v4, erzeugt durch Schaltzustand „210“ moduliert werden, welche Eckpunkte des dritten Segmentes Q3 bilden. Die Spannungsvektoren v1p, v1n und v2p, v2n sind dabei redundante Spannungsvektoren.
  • Zum Modulieren des ersten Ausgangsspannungsvektors Va1 kann das in 3 gezeigte erste Schaltmuster SM1 und zum Modulieren des zweiten Ausgangsspannungsvektors Va2 das in 3 gezeigte zweite Schaltmuster SM2 verwendet werden. Insbesondere der Spannungsvektor v4 beeinflusst eine Mittelpunktspannung am Mittelpunktanschluss N des Zwischenkreises 2, da dieser Spannungsvektor v4 unter Beteiligung zumindest einer Mittelpunktschalteinrichtung S3 erzeugt wird und somit zumindest einer der Phasenabgriffe u, v, w mit dem Mittelpunktanschluss N elektrisch verbunden ist. Unter anderem Schaltvorgänge der Mittelpunktschalteinrichtungen S3 führen, wie anhand der spannungsvektorspezifischen Ströme iv1n, iv2n, iv4, iv1p, iv2p des ersten Schaltmusters SM1 in 4a gezeigt ist, zu einem Strombelastungsanteil iB1 einer ungleichen Strombelastung iB des Mittelpunktes N und damit zu der unerwünschten Mittelpunktspannungsänderung. Die redundanten Spannungsvektoren v1p, v1n bzw. v2p, v2n haben zwar gegenteiligen Einfluss auf die Mittelpunktspannung und können die Strombelastung iB dadurch neutralisieren Wenn jedoch die auszugleichende Stromzeitfläche, die sich aus dem mittleren langen Vektor v4, dem Sinusverlauf des Stroms innerhalb einer Modulationsperiode, aus welchem ein weiterer Strombelastungsanteil iB2 der Strombelastung iB resultiert, und aus der gemessenen Mittelpunktabweichung, aus welcher ein weiterer Strombelastungsanteil iB3 der Strombelastung iB resultiert, ergibt, das Potential der zeitlichen Gewichtung der redundanten Vektoren v1p, v1n bzw. v2p, v2n übersteigt, kann über diesen Mechanismus eine komplette Neutralisation nicht erreicht werden.
  • Um diese unausgeglichene Strombelastung iB kompensieren zu können und damit die Mittelpunktspannung über die Modulationsperiode zu balancieren, wird, wie in 4b gezeigt, ein Ausgleichsstrom iA bestimmt, welcher der Strombelastung iB entspricht. Um diesen Ausgleichsstrom iA bereitstellen zu können, wird ein optimiertes erstes Schaltmuster SM1* mit optimierten zeitlichen Gewichtungen tv1n*, tv1p* und tv2n*, tv2p* der redundanten Spannungsvektoren v1p, v1n und v2p, v2, bestimmt. So weisen der Spannungsvektor v1n und der redundante Spannungsvektor v1b nicht mehr, wie im Schaltmuster SM1 gemäß 4a, die gleichen zeitlichen Gewichtungen tv1n und tv1p, sondern unterschiedliche zeitliche Gewichtungen tv1n* und tv1p* auf. Auch der Spannungsvektor v2n und der redundante Spannungsvektor v2b weisen nicht mehr, wie Schaltmuster SM1 gemäß 4a, die gleichen zeitlichen Gewichtungen tv2n und tv2p, sondern unterschiedliche zeitliche Gewichtungen tv2n* und tv2p* auf. Dies resultiert in den optimierten spannungsvektorspezifischen Strömen iv1n*, iv2n*, iv1p*, iv2p* der redundanten Spannungsvektoren v1p, v1n, v2p, v2n durch welche die Strombelastung iB vollständig kompensiert werden kann.
  • In 5 ist die Strombelastung iB für das zweite Schaltmuster SM2 sowie ein teilweise optimiertes Schaltmuster SM2* mit den spannungsvektorspezifischen optimierten Ströme iv1n*, iv1p* der redundanten Spannungsvektoren v1n, v1p gezeigt, durch welche lediglich ein Ausgleichstromanteil iA1 des Ausgleichsstroms iA erzeugt werden kann. Dies bedeutet, dass die Strombelastung iB, welche, wie in 6 gezeigt, auch aus einer Zeitdauer d4, für die der Spannungsvektor v4 im Schaltmuster SM2 anliegt, resultiert, nicht vollständig mithilfe der redundanten Spannungsvektoren v1n, v1p kompensiert werden kann, da für diese redundanten Spannungsvektoren v1n, v1p nur die Zeitdauer d1 bereitgestellt ist, innerhalb welcher die redundanten Spannungsvektoren v1p, v1n zeitlich gewichtet werden könnten. Mittels der redundanten Spannungsvektoren v1p, v1n kann die durch den Spannungsvektor v4 hervorgerufene Strombelastung lediglich für die Zeitdauer d4* kompensiert werden, sodass die Mittelpunktspannungsänderung mithilfe der redundanten Spannungsvektoren v1p, v1n lediglich reduziert, nicht aber eliminiert werden kann. Für die Zeitdauer d4red kann kein Ausgleichsstrom iA durch die redundanten Spannungsvektoren v1p, v1n bereitgestellt werden. In 6 ist außerdem die Zeitdauer d3 gezeigt, für welche der Spannungsvektor v3 im Schaltmuster SM2 anliegt.
  • Daher wird, wie in 7 gezeigt, ein vollständig optimiertes Schaltmuster SM2** bereitgestellt, in welchem der Spannungsvektor v4 für die Zeitdauer d4red durch die Spannungsvektoren v3, v5 ersetzt wird. Dazu wird der Spannungsvektor v3 für eine Zeitdauer d3*=d3+0,5*d4red und der Spannungsvektor v5 für eine Zeitdauer d5=0,5*d4red angelegt. Durch dieses optimierte Schaltmuster SM2** kann die Mittelpunktspannung vollständig balanciert werden. Indem der Betrag des Mittelpunktstromes durch partielles Ersetzen von mittelpunktstromerzeugenden Spannungsvektoren, beispielsweise des Spannungsvektors v4, durch solche ohne resultierenden Mittelpunktstrom, beispielsweise die Spannungsvektoren v3, v5, reduziert wird, wird ein Neutralisieren über eine Modulationsperiode ermöglicht.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines 3-Level-Inverters (1), welcher einen Zwischenkreis (2) mit drei Anschlüssen in Form von einem High-Side-Anschluss (DC+), einem Low-Side-Anschluss (DC-) und einem Mittelpunktanschluss (N) sowie zumindest drei, mit dem Zwischenkreis (2) verbundene Schaltabschnitte (3a, 3b, 3c) mit jeweils einem Phasenabgriff (u, v, w) zum elektrischen Verbinden mit jeweils einer Phase (Phu, Phv, Phw) einer elektrischen Antriebsmaschine aufweist, wobei jeder Schaltabschnitt (3a, 3b, 3c) jeweils drei Schalteinrichtungen (S1, S2, S3) aufweist, welche zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung (Va1, Va2) in zumindest 27 Schaltzustände überführbar sind und dabei den Phasenabgriff (u, v, w) des jeweiligen Schaltabschnittes (3a, 3b, 3c) unter Erzeugung eines Spannungsvektors (v1p, v1n, v2p, v2n, v3, v4, v5) mit jeweils einem der Anschlüsse (DC+, DC-, N) des Zwischenkreises (2) verbinden, wobei dem Verfahren zum Kompensieren einer unerwünschten, schaltzustandsspezifischen Mittelpunktspannungsänderung des Zwischenkreises (2) beim Modulieren der arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung (Va1, Va2) - ein arbeitspunktspezifisches Schaltmuster (SM1, SM2) aus zumindest vier Spannungsvektoren (v1p, v1n, v2p, v2n, v3, v4) bestimmt wird, von welchen zumindest zwei Spannungsvektoren (v1p, v1n, v2p, v2n) über unterschiedliche Schaltzustände des 3-Level-Inverters (1) redundant, jedoch mit entgegengesetztem Einfluss auf die Mittelpunktspannung erzeugt werden, - in Abhängigkeit von dem bestimmten Schaltmuster (SM1, SM2) eine, die unerwünschte Mittelpunktspannungsänderung hervorrufende Strombelastung (iB) des Mittelpunktanschlusses (N) des Zwischenkreises (2) prädiziert wird, - in Abhängigkeit von der prädizierten Strombelastung (iB) ein die Strombelastung (iB) innerhalb einer Modulationsperiode kompensierender Ausgleichsstrom (iA) bestimmt wird, und - eine zeitliche Gewichtung der redundanten Spannungsvektoren (v1p, v1n, v2p, v2n) bestimmt wird, durch welche zumindest ein Teil des kompensierenden Ausgleichsstroms (iA) beim Modulieren der Ausgangsspannung (Va1, Va2) bereitgestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombelastung (iB) anhand einer Zeitdauer von nicht redundanten Spannungsvektoren innerhalb des Schaltmusters (SM1, SM2), welche durch Schaltzustände mit Beteilung von mit dem Mittelpunktanschluss (N) des Zwischenkreises (2) verbundenen Mittelpunktschaltern der Schalteinrichtungen (S3) erzeugt werden, prädiziert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombelastung (iB) anhand eines von dem Schaltmuster (SM1, SM2) abhängigen und den Phasen (Phu, Phv, Phw) zugeführten Stroms prädiziert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombelastung (iB) zusätzlich anhand eines Messwerts einer bereits existierenden Abweichung der Mittelpunktspannung zu Beginn der jeweiligen Modulationsperiode bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle, dass die Strombelastung (iB) nicht vollständig durch die zeitliche Gewichtung der redundanten Spannungsvektoren (v1p, v1n, v2p, v2n) kompensiert werden kann, die die Mittelpunkspannungsänderung hervorrufenden, nicht redundanten Spannungsvektoren (v1p, v1n, v2p, v2n), welche durch Schaltzustände mit Beteiligung der von mit dem Mittelpunktanschluss (N) des Zwischenkreises verbundenen Mittelpunktschaltern der Schalteinrichtungen (S3) erzeugt werden, zumindest teilweise durch zwei nicht redundante Spannungsvektoren (v3, v5), welche durch Schaltzustände ohne Beteiligung der Mittelpunktschalter erzeugt werden, ersetzt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Modulationsperiodenhälfte die zwei nicht redundanten Spannungsvektoren (v3, v5), welche durch Schaltzustände ohne Beteiligung der Mittelpunktschalter erzeugt werden, sowie der eine der redundanten Spannungsvektoren (v1p, v2p) bereitgestellt werden und in einer anschließenden zweiten Modulationsperiodenhälfte die zwei nicht redundanten Spannungsvektoren (v3, v5), welche ohne Beteiligung der Mittelpunktschalter erzeugt werden, sowie der andere der redundanten Spannungsvektoren (v1n, v2n) bereitgestellt werden.
  7. Steuereinrichtung für ein Leistungselektronikmodul eines Kraftfahrzeugs, welche dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
  8. Leistungselektronikmodul für ein Kraftfahrzeug mit: - einem 3-Level-Inverter (1), welcher einen Zwischenkreis (2) mit drei Anschlüssen in Form von einem High-Side-Anschluss (DC+), einem Low-Side-Anschluss (DC-) und einem Mittelpunktanschluss (N) sowie zumindest drei, mit dem Zwischenkreis (2) verbundene Schaltabschnitte (3a, 3b, 3c) mit jeweils einem Phasenabgriff (u, v, w) zum elektrischen Verbinden mit jeweils einer Phase (Phu, Phv, Phw) einer elektrischen Antriebsmaschine aufweist, wobei jeder Schaltabschnitt (3a, 3b 3c) jeweils drei Schalteinrichtungen (S1, S2, S3) aufweist, welche zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung (Va1, Va2) in zumindest 27 Schaltzustände überführbar sind und dabei den Phasenabgriff (u, v, w) des jeweiligen Schaltabschnittes (3a, 3b, 3c) unter Erzeugung eines Spannungsvektors (v1p, v1n, v2p, v2n, v3, v4, v5) mit jeweils einem der Anschlüsse (DC+, DC-, N) des Zwischenkreises (2) verbinden,; und - einer Steuereinrichtung nach Anspruch 7.
  9. Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher, einer elektrischen Antriebsmaschine und einem Leistungselektronikmodul nach Anspruch 8, wobei der 3-Level-Inverter (1) eingangsseitig mit dem elektrischen Energiespeicher und ausgangsseitig mit Phasen (Phu, Phv, Phw) der elektrischen Antriebsmaschine verbunden ist.
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