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Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung eines Stromrichters für eine elektrische Maschine. Insbesondere betrifft die Erfindung die Steuerung eines sicheren Zustands des Stromrichters.
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Eine elektrische Maschine kann mittels eines Stromrichters angesteuert werden, der dazu eingerichtet ist, auf der Basis einer vorbestimmten Spannung mehrere Wechselspannungen zu generieren, die an Phasen der Maschine angelegt werden. Die Maschine kann insbesondere eine permanent erregte Synchronmaschine umfassen. Ein mittels der Maschine bereitgestelltes Drehmoment und/oder eine Drehzahl können durch passende Ansteuerung mittels des Stromrichters gesteuert werden.
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Die elektrische Maschine kann in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Das Kraftfahrzeug kann mittels der elektrischen Maschine alleine oder im Zusammenspiel mit einem weiteren Antriebsmotor angetrieben werden. Optional kann die elektrische Maschine auch zur Rekuperation verwendet werden, um eine kinetische Energie des Kraftfahrzeugs in elektrische Energie zurückzuwandeln.
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Der Stromrichter umfasst üblicherweise eine Anzahl Stromventile, die in einer vorbestimmten Weise angesteuert werden können, um die elektrische Maschine zu einem vorbestimmten Verhalten zu steuern. Sollte im Bereich der elektrischen Maschine, ihrer Ansteuerung oder einer Software zur Bestimmung einer passenden Ansteuerung ein Defekt auftreten, kann ein großer unbeabsichtigter Strom fließen bzw. eine unbeabsichtigte Spannung anliegen, der den Stromrichter, eine Einrichtung zur Bereitstellung der Spannung oder die elektrische Maschine beschädigen kann. Es wird daher versucht, bei Auftreten eines Defekts einen sicheren Zustand anzusteuern, in welchem ein Austausch elektrischer Energie zwischen der elektrischen Maschine und der vorbestimmten Spannung abgestellt wird.
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In Abhängigkeit des aufgetretenen Defekts kann durch den Versuch der Entkopplung mittels passender Ansteuerung der Stromventile das bereits bestehende Problem noch größer gemacht werden. Beispielsweise kann beim Versuch, einen aktiven Kurzschluss an der elektrischen Maschine zu steuern, ein Kurzschluss der vorbestimmten Spannung durch den Stromrichter gesteuert werden. Es ist daher darauf zu achten, dass für möglichst jeden denkbaren Defekt eine passende Steuerung erfolgt, um den Stromrichter, die elektrische Maschine und ein davon beeinflusstes System zu schützen.
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Bisherige Vorschläge zur Bestimmung und Behandlung von Fehlern berücksichtigen üblicherweise nicht das ganze System aus elektrischer Maschine, Stromrichter, bereitgestellter vorbestimmter Spannung, Steuervorrichtung, Software oder Betriebsspannungen. Jede Änderung an einer dieser Komponenten muss in ein bestehendes Sicherheitskonzept eingearbeitet werden und das Konzept muss neu auf Korrektheit und Betriebssicherheit geprüft werden.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer verbesserten Technik zum Bestimmen und ggf. Ansteuern eines sicheren Zustands eines Stromrichters in Abhängigkeit eines Defekts. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bestimmen eines sicheren Zustands eines Stromrichters zur Steuerung einer elektrischen Maschine Schritte des Bestimmens eines aktuellen Zustands aus einer Anzahl vorbestimmter Zustände; wobei einem Zustand eine Ansteuerung von Stromventilen des Stromrichters zugeordnet ist; des Prüfens, ob eine vorbestimmte Bedingung bezüglich der Steuerung der elektrischen Maschine erfüllt ist; wobei der Bedingung eine Veränderung des aktuellen Zustands in einen anderen Zustand zugeordnet ist; und des Veränderns des aktuellen Zustands in den anderen Zustand in Abhängigkeit eines Ergebnisses der Prüfung.
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Erfindungsgemäß kann das Verfahren zur Prüfung von Bedingungen auf unterschiedlichen Hardware- oder Softwareebenen verwendet werden. Insbesondere kann das Verfahren ganzheitlich zur Steuerung des Stromrichters bzw. der elektrischen Maschine in einem sicheren Zustand im Fehlerfall verwendet werden. Zueinander konkurrierende Verfahren oder Techniken für die Einnahme des sicheren Zustands können nicht erforderlich sein.
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Die vorbestimmten Ansteuerungen für Stromventile des Stromrichters sind bevorzugt jeweils dazu eingerichtet, einen Austausch elektrischer Energie zwischen der elektrischen Maschine und einer vorbestimmten Spannung, aus der der Stromrichter gespeist ist, zu verhindern. Diese Spannung wird auch Zwischenkreisspannung genannt. Eine erste vorbestimmte Ansteuerung kann bewirken, dass alle Anschlüsse der elektrischen Maschine mit einem hohen Potential der Spannung verbunden sind. Eine zweite Ansteuerung kann bewirken, dass alle Anschlüsse mit einem niedrigen Potential der Spannung verbunden sind. Diese beiden Ansteuerung bewirken jeweils einen aktiven Kurzschluss der elektrischen Maschine. Eine dritte Ansteuerung kann bewirken, dass die Anschlüsse jeweils weder mit dem hohen noch mit dem niedrigen Potential verbunden sind. Übergänge zwischen Ansteuerungen sind bevorzugt so realisiert, dass eine Ansteuerung, die wegen eines Defekts nicht durchgeführt werden kann oder soll, nicht umgesetzt wird. So kann verhindert werden, dass beim Versuch, einen Defekt zu behandeln, der Defekt vergrößert wird oder ein neuer Defekt entsteht.
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Eine Prüfung kann auch zu mehr als zwei verschiedenen Ergebnissen führen, wobei jedem Ergebnis eine Veränderung zugeordnet sein kann. Dadurch kann eine Mehrfach-Auswahl von Zuständen in Abhängigkeit nur einer Prüfung realisiert sein.
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Es ist besonders bevorzugt, dass mehrere unterschiedliche Bedingungen geprüft werden. Die Bedingungen können praktisch beliebiger Natur sein und beispielsweise aus logischen, verarbeitungstechnischen, elektrotechnischen oder physikalischen Erwägungen geprüft werden. Sollte der Stromrichter, die elektrische Maschine oder eine Steuerlogik für den Stromrichter geändert werden, so können zusätzliche Bedingungen aufgestellt oder obsolete Bedingungen entfernt werden. Das Verfahren kann vorteilhaft leicht an eine derartige Änderung angepasst werden. So kann der plattform übergreifende Charakter des Verfahrens auch bei weitreichenden Eingriffen in ein Steuersystem mit dem Stromrichter erhalten bleiben.
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Es ist besonders bevorzugt, dass die mehreren Bedingungen in einer vorbestimmten Reihenfolge geprüft werden. Die Reihenfolge kann insbesondere nach abnehmender Priorität, Wichtigkeit oder Relevanz der Prüfung bestimmt sein. So kann beispielsweise ein Defekt, der zu unmittelbaren und schwerwiegenden physikalischen Konsequenzen führen kann, früh geprüft werden, während ein Defekt, der nur eine mindere Einschränkung einer Funktionalität bewirken kann, später geprüft werden kann. Die Bedingungen können zyklisch geprüft werden. In einer Ausführungsform kann eine Bedingung mit einer hohen Priorität öfter als eine Bedingung mit einer niedrigen Priorität geprüft werden. Die Reihenfolge der Prüfung kann Schritte einer logischen Analyse reflektieren, bei der von einem generellen Defekt schrittweise auf einen spezifischen Defekt geschlossen werden kann. Durch die präzise Identifikation eines spezifischen Defekts kann dieser verbessert angemessen behandelt werden. Die Gefahr einer ungünstigen Ansteuerung, die den Defekt verstärkt oder einen neuen Defekt hervorruft, kann verringert sein. Das Verfahren kann schnell auf einen Defekt reagieren und ähnliche Defekte verbessert voneinander unterscheiden.
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Die Ansteuerung ist bevorzugt dazu eingerichtet, die elektrische Maschine von einer Energieversorgung des Stromrichters zu trennen. Der Stromrichter kann mehrere Halbbrücken umfassen, die jeweils ein erstes und ein zweites Stromventil umfassen. Eine Ansteuerung kann sicherstellen, dass die Stromventile der Halbbrücken derart geöffnet oder geschlossen sind, dass die gewünschte Separierung der Maschine stattfindet. Dabei kann die Zuordnung einer Ansteuerung zu einem Zustand dafür sorgen, dass die Ansteuerung keinen Sekundärschaden verursacht.
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In einer weiteren Ausführungsform bestimmt eine der Prüfungen, dass die Trennung der Maschine von der Energieversorgung mittels Ansteuerung der Stromventile nicht erfolgen kann. In diesem Fall kann ein Signal ausgegeben werden, um die Trennung auf andere Weise herbeizuführen. Das Verfahren kann auf diese Weise in einen Mehrstufenansatz eingebettet sein, wobei eine folgende Stufe eingenommen wird, wenn die praktischen Möglichkeiten des Verfahrens ausgeschöpft sind. Die folgende Stufe kann insbesondere eine auf Hardware basierende Abschaltung oder Trennung der elektrischen Maschine vom Zwischenkreis beziehungsweise dem Stromrichter umfassen.
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Die Prüfung kann bestimmen, dass die Trennung nicht ohne einen Kurzschluss der Energieversorgung durch den Stromrichter erfolgen kann. Anders ausgedrückt kann auch dann in die nächste Schicht übergegangen werden, wenn bekannt ist, dass ein vorliegender Defekt nicht ohne Nachteile bzw. einen Folgedefekt durch Ansteuern der Stromventile des Stromrichters behandelt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform bestimmt eine der Prüfungen, dass eine Trennung der elektrischen Maschine von der Spannung beziehungsweise dem Stromrichter nicht erforderlich ist. Dabei kann ein Signal ausgegeben werden, um die Stromventile auf andere Weise anzusteuern. Anders ausgedrückt kann eine weitere Stufe vorgesehen sein, die den Stromrichter steuert, wenn kein Defekt vorliegt. Die beschriebene Prüfung oder die Serie von Prüfungen kann unabhängig davon durchgeführt werden, in welcher Schicht die Maschine gesteuert wird. Übergänge zwischen Zuständen verschiedener Schichten können in der beschriebenen Weise vorbestimmt sein.
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In noch einer weiteren Ausführungsform ist einer der Zustände ein Übergangszustand, dem in Abhängigkeit eines vorbestimmten Signals eine erste oder eine zweite Ansteuerung zugeordnet ist. Dadurch kann reflektiert werden, dass unter Umständen zwischen zwei verschiedenen Ansteuerungen übergegangen werden muss, die beide die elektrische Maschine von der Stromversorgung trennen sollen. Das Signal kann beispielsweise eine Drehzahl der elektrischen Maschine betreffen. Liegt die Drehzahl über einem vorbestimmten Schwellenwert, so kann eine erste Ansteuerung verfolgt werden, liegt sie unter dem Schwellenwert, so kann eine zweite Ansteuerung verfolgt werden. Zur Bildung einer Hysterese können auch zwei voneinander verschiedene Schwellenwerte verwendet werden.
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Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines sicheren Zustands eines Stromrichters zur Steuerung einer elektrischen Maschine dazu eingerichtet, einen aktuellen Zustand aus einer Anzahl vorbestimmter Zustände zu bestimmen; wobei einem Zustand eine Ansteuerung von Stromventilen des Stromrichters zugeordnet ist; zu prüfen, ob eine vorbestimmte Bedingung bezüglich der Steuerung der elektrischen Maschine erfüllt ist; wobei der Bedingung eine Veränderung des aktuellen Zustands in einen anderen Zustand zugeordnet ist; und den aktuellen Zustand in Abhängigkeit eines Ergebnisses der Prüfung in den anderen Zustand zu verändern.
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Optional ist die Steuervorrichtung zusätzlich dazu eingerichtet, die Stromventile mittels der bestimmten Ansteuerung zu öffnen oder zu schließen.
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Nach noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Fahrzeug eine elektrische Maschine, einen Stromrichter und eine hierin beschriebene Steuervorrichtung. Das Fahrzeug kann insbesondere ein Kraftfahrzeug umfassen, beispielsweise ein Kraftrad, einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen. Die elektrische Maschine kann allein oder in Kombination mit einer weiteren Antriebsmaschine dazu eingerichtet sein, eine Längsbewegung des Fahrzeugs zu steuern. Dazu kann die elektrische Maschine Teil eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs sein.
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Die Verarbeitungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein hierin beschriebenes Verfahren ganz oder teilweise auszuführen. Dazu kann die Verarbeitungseinrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen und das Verfahren kann in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln vorliegen. Das Computerprogrammprodukt kann auch auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert sein. Merkmale oder Vorteile des Verfahrens können auf die Vorrichtung übertragen werden oder umgekehrt.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 einen Stromrichter mit einer elektrischen Maschine;
- 2 verschiedene Ebenen einer Steuerung einer elektrischen Maschine;
- 3 Zustände und Übergänge zur Einnahme eines sicheren Zustands; und
- 4 beispielhafte Prüfungen und zugeordnete Übergänge
darstellt.
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1 zeigt ein System 100, das einen Stromrichter 105 und eine elektrische Maschine 110 umfasst. Die elektrische Maschine 110 umfasst bevorzugt eine Synchronmaschine, die insbesondere permanent erregt sein kann. Alternativ kann die elektrische Maschine 110 als fremderregte Synchronmaschine oder Asynchronmaschine ausgebildet sein. Die elektrische Maschine 110 ist bevorzugt zum Einsatz in einem Antriebsstrang, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, eingerichtet.
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Der Stromrichter 105 wird an einer Spannung 115 betrieben, die zwischen einem hohen Potential 120 und einem niedrigen Potential 125 anliegt. Die Spannung 115 kann auch Zwischenkreisspannung genannt werden, in einem Zwischenkreis anliegen und auf der Basis eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Hochvolt-Batterie, bereitgestellt werden. Zwischen den Potentialen 120 und 125 kann ein Zwischenkreiskondensator 130 vorgesehen sein.
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Die elektrische Maschine 110 umfasst beispielhaft drei elektrische Phasen, die in 1 dreiecksförmig zusammengeschaltet sind; eine andere Verschaltung, insbesondere sternförmig, ist ebenfalls möglich. Jede Phase ist mit einem Anschluss 135 verbunden.
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Der Stromrichter 105 umfasst für jeden der Anschlüsse 135 eine Halbbrücke 140, die ein erstes Stromventil 145 und ein zweites Stromventil 150 umfasst. Das erste Stromventil 145 ist dazu eingerichtet, einen Strom zwischen dem hohen Potential 120 und dem zugeordneten Anschluss 135 zu steuern, und das zweite Stromventil 150 dazu, einen Stromfluss zwischen dem zugeordneten Anschluss 135 und dem niedrigen Potential 125 zu steuern. Außerdem ist jeder Halbbrücke 140 bzw. jedem Anschluss 135 bevorzugt ein Stromsensor 155 zugeordnet, um den durch den Anschluss 135 fließenden Strom zu bestimmen. Der Stromsensor 155 kann beispielsweise auf der Basis eines Spannungsabfalls an einem Widerstand, einer Induktion in einer stromdurchflossenen Leitung oder eines durch den Strom bewirkten magnetischen Felds arbeiten.
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Eine Steuervorrichtung 170 ist dazu eingerichtet, die Stromventile 145, 150 einer oder mehrerer Halbbrücken 140 anzusteuern, um die elektrische Maschine 110 zu steuern. Die Ansteuerung kann in Abhängigkeit einer Anforderung für eine Drehzahl, eines Drehmoments oder einer umgesetzten Leistung der elektrischen Maschine 110 erfolgen. Optional kann eine Rückführung (Rekuperation) elektrischer Energie aus der elektrischen Maschine 110 in einen die Spannung 115 bereitstellenden Energiespeicher unterstützt werden.
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Zur Steuerung der elektrischen Maschine 110 stellt der Stromrichter 105 an den Anschlüssen 135 zueinander phasenverschobene elektrische Spannungen bzw. Ströme bereit. Zur Einstellung einer vorbestimmten Spannung bzw. eines vorbestimmten Stroms durch einen Anschluss 135 steuert die Steuervorrichtung 170 die Stromventile 145, 150 der zugeordneten Halbbrücke 140 bevorzugt alternierend an. Eine Frequenz, mit der die Stromventile 145, 150 angesteuert werden, liegt bevorzugt um einen Faktor von wenigstens 3, weiter bevorzugt um wenigstens eine Größenordnung höher als eine Grundfrequenz, die ein Strom- bzw. Spannungsverlauf an dem Anschluss 135 aufweist. Die Grundfrequenz kann von einer Drehzahl der elektrischen Maschine 110 abhängig sein.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Steuervorrichtung 170 dazu eingerichtet ist, auf der Basis der mittels der Stromsensoren 155 bestimmten Ströme durch die Anschlüsse 135 der elektrischen Maschine 110 zu bestimmen, ob eines der Stromventile 145, 150 einer der Halbbrücken 140 defekt ist. Ein Defekt kann dann vorliegen, wenn ein Stromventil 145, 150 nicht mehr voll gesteuert werden kann. In einem ersten Defekt kann das Stromventil 145, 150 nicht mehr geöffnet und in einem zweiten Defekt nicht mehr geschlossen werden.
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Die Steuervorrichtung 170 ist bevorzugt dazu eingerichtet, zu bestimmen, welcher Art der Defekt ist, welche Halbbrücke 140 von dem Defekt betroffen ist und/oder ob der Defekt ein erstes Stromventil 145 oder ein zweites Stromventil 150 betrifft. Weiter ist die Steuervorrichtung 170 bevorzugt dazu eingerichtet, einen Zustand zu verhindern, in dem beide Stromventile 145, 150 einer Halbbrücke 140 gleichzeitig geschlossen sind. Insbesondere kann ein Zustand, in dem ein Energieaustausch zwischen der elektrischen Maschine 110 und der Spannung 115 erfolgt, aus mehreren vorbestimmten sicheren Zuständen so ausgewählt werden, dass er eingenommen werden kann, ohne einen Kurzschluss durch eine der Halbbrücken 140 zu umfassen. Die vorbestimmten sicheren Zustände können insbesondere einen aktiven Kurzschluss zum hohen Potential 120, einen aktiven Kurzschluss zum niedrigen Potential 125 oder eine Wechselrichtersperre umfassen. Ein vermeintlich sicherer Zustand, der aufgrund eines Defekts an einem der Stromventile 145, 150 tatsächlich nicht eingenommen werden kann, ohne einen Kurzschluss zu erzeugen, kann verhindert werden.
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3 zeigt verschiedene logische Ebenen einer Steuerung einer elektrischen Maschine 110. Eine Ebene kann auch Stufe oder Level genannt werden, sodass die drei vorgesehenen Ebenen mit L1, L2 und L3 bezeichnet sind. Die erste Ebene L1 betrifft einen üblichen Betrieb des Systems 100, in welchem ein Austausch von Energie zwischen der elektrischen Maschine 110 und der vorbestimmten Spannung 115 durch eine passende Ansteuerung von Stromventilen 145, 150 des Stromrichters 105 gesteuert wird. Dieser Betrieb kann insbesondere einem Antreiben oder einem Rekuperieren von Energie mittels der elektrischen Maschine 110 entsprechen.
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Eine zweite Stufe L2 betrifft die Behandlung eines Defekts an einer Komponente oder eines anderweitig problematischen Zustands des Systems 100. Auf dieser Stufe wird versucht, die Stromventile 145, 150 des Stromrichters 105 derart anzusteuern, dass ein Austausch von Energie zwischen der elektrischen Maschine 110 und der vorbestimmten Spannung 115 unterbrochen ist. Gleichzeitig soll die Spannung 115 möglichst nicht durch den Stromrichter 105 belastet werden. Insbesondere ist ein Kurzschluss im Stromrichter 105 zwischen den Potentialen 120 und 125 möglichst auszuschließen.
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Eine dritte Stufe L3 betrifft eine weitere, von L2 unabhänginge Abschaltung bzw. Trennung der elektrischen Maschine 110 von der vorbestimmten Spannung 115.
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Mögliche Übergänge zwischen den Stufen L1 bis L3 sind durch Pfeile angedeutet. Jedem Pfeil kann eine vorbestimmte Bedingung zugeordnet sein. Insbesondere kann ein vorbestimmter Übergang erfolgen, wenn eine durchgeführte Prüfung ein vorbestimmtes Ergebnis erbringt. Es ist zu beachten, dass zwar ein direkter Übergang von der ersten Stufe L1 in die dritte Stufe L3 möglich ist, in der umgekehrten Richtung jedoch nur unter Zwischenschaltung eines Zustands der zweiten Ebene L2 erfolgen kann. Vorliegend wird hauptsächlich eine Funktionalität in der zweiten Ebene L2 betrachtet.
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4 zeigt verschiedene Zustände der zweiten Schicht L2 und Übergänge zwischen den Zuständen im Sinne der vorliegenden Erfindung. Es ist zu beachten, dass ein Übergang zwischen Zuständen der zweiten Ebene L2 im Wesentlichen auf die gleiche Weise bestimmt bzw. gesteuert werden kann wie ein Übergang zwischen verschiedenen Ebenen L1 bis L3. In einer Ausführungsform kann auch in der ersten Stufe L2 und/oder der zweiten Stufe L2 mehr als ein Zustand vorgesehen sein, wobei ein Übergang zwischen unterschiedlichen Ebenen L1 bis L3 durch einen Übergang eines konkreten ersten Zustands in einer der Ebenen L1 bis L3 in einen konkreten zweiten Zustand in einer der Ebenen L1 bis L3 definiert ist.
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Im vorliegenden Beispiel sind in der zweiten Ebene L2 ein erster Zustand 305, ein zweiter Zustand 310 und ein dritter Zustand 315 vorgesehen. Optional können noch ein vierter Zustand 320 und/oder ein fünfter Zustand 325 vorgesehen sein. Der erste Zustand 305 entspricht einem aktiven Kurzschluss am hohen Potential 120. Dazu können die ersten Stromventile 145 geschlossen und die zweiten Stromventile 150 geöffnet sein. Der zweite Zustand 310 entspricht einem aktiven Kurzschluss zum niedrigen Potential 125. Dabei können die ersten Stromventile 145 geöffnet und die zweiten Stromventile 150 geschlossen sein. Der dritte Zustand 315 kann einer Wechselrichtersperre entsprechen, bei der sowohl die ersten Stromventile 145 als auch die zweiten Stromventile 150 geöffnet sind.
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Der vierte Zustand 320 betrifft einen Übergangszustand, bei dem beispielsweise zwischen dem ersten Zustand 305 und dem dritten Zustand 315 übergegangen werden kann. Ein Übergang kann in beide Richtungen möglich sein. Der Übergang kann erfolgen, wenn ein vorbestimmter Parameter einen vorbestimmten Schwellenwert über- oder unterschreitet. Vorliegend kann ein Übergang in den Zustand 305 erfolgen, falls eine EMF-Spannung an der elektrischen Maschine 110 eine vorbestimmte Spannung übersteigt. Der fünfte Zustand 325 kann in ähnlicher Weise dynamisch zwischen dem zweiten Zustand 310 und dem dritten Zustand 315 steuern. Auch hier kann der Übergang in beide Richtungen erfolgen und in Abhängigkeit eines vorbestimmten Signals oder Ereignisses durchgeführt werden.
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Übergänge zwischen den Zuständen 305 bis 325 sind mit beispielhaften Kennziffern versehen, die mit dem Buchstaben T beginnen. Übergänge zu anderen Ebenen L1, L3 bzw. von ihnen umfassten Zuständen tragen keine genauere Kennzeichnung.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Steuervorrichtung 170 sich ständig in einem der dargestellten Zustände 305 bis 325 befindet, solange die zweite Schicht L2 aktiv ist. Ein eingenommener Zustand 305 bis 325 wird aktiver Zustand genannt. Es wird weiter vorgeschlagen, dass periodisch eine Anzahl von Prüfungen durchgeführt wird, deren Ergebnisse jeweils eine Änderung bzw. einen Übergang des aktiven Zustands zu einem anderen Zustand 305 bis 325, L1, L3 auslösen kann.
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2 zeigt beispielhafte Prüfungen und zugeordnete Übergänge zwischen Zuständen 305 bis 325 der Ebene L2. Die Prüfungen können zyklisch durchgeführt werden und sind im gegebenen Beispiel nach Priorität geordnet, beginnend mit der höchsten Priorität. Die Priorität bestimmt sich im gegebenen Beispiel danach, wie viel Funktionalität in L2 zur Behandlung eines aufgetretenen Defekts verbleibt. Ist die verbleibende Funktionalität gering, so ist die Priorität hoch, verbleibt hingegen viel Funktionalität, so ist die Priorität geringer. Andere Definitionen einer Priorität bzw. andere Prüfreihenfolgen können ebenfalls verwendet werden. Die Priorität wird üblicherweise nicht dynamisch bestimmt, sondern ist einer Prüfung fest zugeordnet, beispielsweise im Rahmen eines Designprozesses.
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In einem Schritt 405 wird geprüft, ob eine Betriebsspannung, die für den Betrieb des Stromrichters 105 oder der Steuervorrichtung 170 erforderlich ist, innerhalb vorbestimmter Grenzen liegt. In einem Kraftfahrzeug kann dies eine Bordnetzspannung betreffen, die üblicherweise an einer Klemme 30 anliegt und nominell +12 V beträgt.
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In einem Schritt 410 wird geprüft, ob an der elektrischen Maschine 110 ein Kurzschluss vorliegt. Dazu können durch die Anschlüsse 135 fließende Strome miteinander oder mit vorbestimmten Schwellenwerten verglichen werden.
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In einem Schritt 415 wird geprüft, ob eine Versorgungsspannung für Gate-Treiber der Stromventile 145, 150 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt. Ein Gate-Treiber ist üblicherweise von der Steuervorrichtung 170 umfasst und dazu eingerichtet, an einem Steueranschluss (Gate) eines Stromventils 145, 150 ein vorbestimmtes elektrisches Potential zu erzeugen, um das Stromventil 145, 150 zu öffnen beziehungsweise zu schließen. Der Gate-Treiber kann auch prüfen, ob das jeweils angesteuerte Stromventil 145, 150 mit dem entsprechenden Steuersignal korrespondiert. Ist dies nicht der Fall, so kann ein Fehler bestimmt werden.
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In einem Schritt 420 kann bestimmt werden, ob eine Spannung- bzw. Stromversorgung für die Gate-Treiber korrekt arbeitet. Eine von der Spannung- bzw. Stromversorgung bereitgestelltes Signal kann dazu auf korrekte Lage innerhalb eines vorbestimmten Fensters überprüft werden.
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Die elektrische Maschine 110 wird üblicherweise mittels elektrischer Energie aus einem Energiespeicher betrieben. In einem Schritt 425 kann geprüft werden, ob eine aus dem Energiespeicher abgeleitete Spannung, die zum Betrieb eines Steuerelements für die elektrischen Maschine 110 verwendet wird, innerhalb vorbestimmter Grenzen liegt. Diese Spannung kann als alternativer Versorgungspfad vorliegen, um die Steuerung der Maschine 110 auch im Fall eines Versagens einer üblichen Versorgung (vgl. Schritt 405) aufrecht zu erhalten.
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In einem Schritt 430 wird geprüft, ob ein PWM-Signal, das eine an einem Anschluss 135 bereitzustellende Spannung steuert, plausibel ist. Insbesondere kann bestimmt werden, ob eine beabsichtigte Steuerung eines Stromventils 145, 150 auch tatsächlich stattfindet. Dazu kann ein Ansteuersignal am Stromventil 145, 150 zurückgelesen werden. Das PWM-Signal kann von der Steuervorrichtung 170 oder einer anderen Steuervorrichtung bereitgestellt sein. Außerdem kann bestimmt werden, ob eine Temperatur eines Stromventils 145, 150 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt oder eine Fehlersituation aufgrund von Über- oder Untertemperatur besteht.
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Folgende Schritte 435 bis 445 können eine grundlegende Funktionsfähigkeit verschiedener Elemente des Stromrichters 105 sicherstellen. Die Schritte 435 bis 445 können insbesondere dann relevante Resultate liefern, wenn die elektrische Maschine 110 stillsteht, beispielsweise wenn der Stromrichter 105 bereit gemacht wird, die Maschine 110 anzutreiben. Innerhalb eines Fahrzeugs ist dies üblicherweise vor einem Losfahren der Fall. Befindet sich die Maschine 110 in Bewegung, so können diese Schritte auch ausgelassen werden. In der Praxis hat es sich bewährt, die Schritte 430 bis 440 auch in diesem Fall durchzuführen, Testergebnisse der Schritte aber optional einer Reaktion und insbesondere einer Abschaltung der Maschine 110 nicht zu Grunde zu legen.
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In einem Schritt 435 kann jedes der Stromventile 145, 150 einzeln getestet werden. Dazu kann jeweils eines der Stromventile 145, 150 geöffnet und alle anderen geschlossen werden. Entspricht eine Spannung, die sich an einem Anschluss 135 eingestellt, mit dem das geschlossene Stromventil 145, 150 verbunden ist, nicht einer erwarteten Spannung, so kann auf einen Defekt an diesem Stromventil 145, 150 oder einem anderen Stromventil 145, 150 derselben Halbbrücke 140 geschlossen werden. Die erwartete Spannung kann dem Potential 120, 125 entsprechen, mit dem das geschlossene Stromventil 145, 150 den Anschluss 135 verbindet. Dieser Test kann nacheinander für alle Stromventile 145, 150 erfolgen.
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In einem Schritt 440 kann bestimmt werden, ob eine Spannungsversorgung für die Ansteuerung der Stromventile 145, 150 korrekt arbeitet. In einem Schritt 445 kann geprüft werden, ob vorbestimmte Sicherheitsbedingungen an den Stromventilen 145, 150 erfüllt sind. Insbesondere kann bestimmt werden, ob ein Abschalten auf Hardware-Ebene möglich ist (vgl. Stufe L3).
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Die hierin aufgezeigten Prüfungen sind rein beispielhaft. Es ist zu beachten, dass in anderen Ausführungsformen auch andere Prüfungen durchgeführt werden können und dass Prioritäten der Prüfungen auch anders als dargestellt verteilt sein können.
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Jedem Test des Verfahrens 400 kann eine unmittelbare Reaktion zugeordnet sein, die ausgeführt wird, falls der Test positiv ist. In einer Ausführungsform kann dadurch eine Prüfung niedrigerer Priorität nicht mehr erfolgen, wenn in die Steuerung des Stromrichters 105 bereits aufgrund einer Prüfung mit höherer Priorität eingegriffen wurde. Die Tests des Verfahrens 400 werden üblicherweise zyklisch durchgeführt, beispielsweise alle 1 ms. Aufgrund der Tests kann auch bestimmt werden, welche Zustände 305 bis 325 unter den geltenden Bedingungen im Rahmen von L2 eingenommen werden können.
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Sollte bestimmt werden, dass einer der Zustände 305 bis 325 der Stufe L2 nicht erreicht werden kann, so kann die Steuerung des Stromrichters 105 in einer anderen Stufe L1, L3 weitergeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- System
- 105
- Stromrichter
- 110
- elektrische Maschine
- 115
- Spannung
- 120
- hohes Potential
- 125
- niedriges Potential
- 130
- Zwischenkreiskondensator
- 135
- Anschluss
- 140
- Halbbrücke
- 145
- erstes Stromventil (zum hohen Potential / high side)
- 150
- zweites Stromventil (zum niedrigen Potential / low side)
- 155
- Stromsensor
- 170
- Steuervorrichtung
- L1
- erste Stufe
- L2
- zweite Stufe
- L3
- dritte Stufe
- 305
- erster Zustand (aktiver Kurzschluss zum hohen Potential)
- 310
- zweiter Zustand (aktiver Kurzschluss zum niedrigen Potential)
- 315
- dritter Zustand (Wechselrichtersperre)
- 320
- vierter Zustand (Wechsel zwischen Wechselrichtersperre und aktiver Kurzschluss zum niedrigen Potential)
- 325
- fünfter Zustand (Wechsel zwischen Wechselrichtersperre und aktiver Kurzschluss zum hohen Potential)
- 400
- Verfahren
- 405
- Betriebsspannung korrekt?
- 410
- Kurzschluss an elektrischer Maschine?
- 415
- Versorgungsspannung Gate-Treiber korrekt bzw. Verhalten Stromventil = Steuersignal korrekt?
- 420
- HV-Spannung korrekt?
- 425
- PWM-Signal korrekt?
- 430
- SOPT1
- 435
- SOPT2
- 440
- SOPT3
- 445
- Abschalten auf Hardware-Ebene möglich?
