DE102022201539A1 - Determination of a safe state of a power converter - Google Patents
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Abstract
Ein Stromrichter (105) für eine elektrische Maschine (110) umfasst mehrere Halbbrücken (140), die jeweils ein erstes und ein zweites Stromventil (145, 150) umfassen; wobei jeder Halbbrücke (140) eine Einrichtung zur Stromermittlung (155) zur Bestimmung eines durch den Anschluss (135) fließenden Stroms zugeordnet ist; sowie eine Steuervorrichtung (170) zur Ansteuerung der Stromventile (145, 150). Dabei steuert das erste Stromventil (145) einer Halbbrücke (140) einen Strom zwischen einem hohen Potential (120) und einem Anschluss (135) der Maschine (110) und das zweite Stromventil (150) einen Strom zwischen dem Anschluss (135) und einem niedrigen Potential (125). Die Steuervorrichtung (170) ist dazu eingerichtet, einen Defekt an einem der Stromventile (145, 150) auf der Basis von Strömen durch alle Anschlüsse (135) zu erkennen; und einen Zustand zu verhindern, in dem beide Stromventile (145, 150) einer Halbbrücke (140) geschlossen sind. A power converter (105) for an electrical machine (110) comprises a plurality of half-bridges (140), each comprising a first and a second current valve (145, 150); each half-bridge (140) being assigned a device for current determination (155) for determining a current flowing through the terminal (135); and a control device (170) for controlling the flow control valves (145, 150). The first current valve (145) of a half-bridge (140) controls a current between a high potential (120) and a connection (135) of the machine (110) and the second current valve (150) controls a current between the connection (135) and a low potential (125). The control device (170) is set up to detect a defect in one of the flow control valves (145, 150) on the basis of flows through all connections (135); and preventing a condition in which both flow control valves (145, 150) of a half-bridge (140) are closed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Absicherung eines Stromrichters. Insbesondere betrifft die Erfindung die Erkennung eines Fehlerfalls im Stromrichter und die Auswahl des zugehörigen sicheren Zustands.The present invention relates to the protection of a power converter. In particular, the invention relates to the detection of a fault in the power converter and the selection of the associated safe state.
Ein Stromrichter formt elektrische Energie von Gleichgrößen in Wechselgrößen oder umgekehrt und kann so für die Ansteuerung einer elektrischen Maschine genutzt werden. Zur Bereitstellung eines Wechselstroms umfasst der Stromrichter eine Halbbrücke, die ein oberes und ein unteres Stromventil umfasst. Das obere Stromventil ist dazu eingerichtet, einen Anschluss der elektrischen Maschine mit einem hohen Potential zu verbinden, und das untere Stromventil dazu, den Anschluss mit einem niedrigen Potential zu verbinden. Das hohe Potential kann auch Plus-Potential und das niedrige Potential Minus-Potential genannt werden. Zwischen den Potentialen liegt eine Spannung an, die häufig eine Zwischenkreisspannung repräsentiert. Die Stromventile einer Halbbrücke werden alternierend angesteuert, um der elektrischen Maschine eine vorbestimmte Spannung bereitzustellen.A power converter converts electrical energy from constant to alternating quantities or vice versa and can thus be used to control an electrical machine. In order to provide an alternating current, the power converter includes a half-bridge that includes an upper and a lower power valve. The upper flow valve is configured to connect a terminal of the electric machine to a high potential and the lower flow valve to connect the terminal to a low potential. The high potential can also be called plus potential and the low potential minus potential. A voltage is present between the potentials, which frequently represents an intermediate circuit voltage. The current valves of a half-bridge are activated alternately in order to provide the electrical machine with a predetermined voltage.
Die elektrische Maschine kann für eine sicherheitskritische Anwendung eingesetzt werden, beispielsweise in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Der Stromrichter kann dabei auf eine elektrische Leistung ausgelegt sein, die im Fehlerfall zu einer Gefahr für Material oder Personen führen kann.The electric machine can be used for a safety-critical application, for example in a drive train of a motor vehicle. In this case, the power converter can be designed for an electrical output which, in the event of a fault, can lead to a hazard to material or persons.
Bei Auftreten eines signifikanten Fehlers muss das Antriebssystem, bestehend aus mindestens der elektrischen Maschine und des Stromrichters einen sicheren Zustand einnehmen. Übliche sichere Zustände eines Inverters sind die Wechselrichtersperre, bei dem alle Ansteuersignale der Stromventile abgeschaltet sind, und der aktive Kurzschluss, bei dem die Anschlüsse der elektrischen Maschine entweder alle mit dem hohen Potential oder alle mit dem niedrigen Potential verbunden sind. Betrifft nun der Fehler einen Defekt an einem der Stromventile, sodass dieses nicht öffnen oder nicht schließen kann, so kann das Einnehmen eines der genannten Zustände zu einem Folgefehler mit einem noch größeren möglichen Schaden führen. Insbesondere kann dabei ein Strom durch beide Stromventile einer Halbbrücke freigegeben sein, was auch Brückenkurzschluss genannt wird. Eine weitere Komponente, die mit dem Antriebssystem verbunden ist, beispielsweise ein Energiespeicher zur Bereitstellung der Spannung, kann dadurch ebenfalls beschädigt werden.If a significant error occurs, the drive system, consisting of at least the electrical machine and the power converter, must assume a safe state. The usual safe states of an inverter are the inverter lock, in which all control signals of the current valves are switched off, and the active short circuit, in which the connections of the electrical machine are either all connected to the high potential or all to the low potential. If the error relates to a defect in one of the flow control valves, so that it cannot open or close, assuming one of the states mentioned can lead to a subsequent error with even greater potential damage. In particular, a current can be released through both flow control valves of a half bridge, which is also referred to as a bridge short circuit. Another component that is connected to the drive system, for example an energy store for providing the voltage, can also be damaged as a result.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher in der intelligenten Auswahl des sichern Zustands eines Stromrichters im Fehlerfall. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.An object on which the present invention is based is therefore the intelligent selection of the safe state of a power converter in the event of a fault. The invention solves this problem by means of the subject matter of the independent claims. Subclaims reflect preferred embodiments.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Stromrichter für eine elektrische Maschine mehrere Halbbrücken, die jeweils ein oberes und ein unteres Stromventil umfassen; wobei jeder Halbbrücke eine Einrichtung zur Stromermittlung zur Bestimmung eines durch den Anschluss der elektrischen Maschine fließenden Stroms zugeordnet ist; sowie eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung der Stromventile. Dabei ist der Anschluss der elektrischen Maschine mit dem hohen Potential über das obere Stromventil einer Halbbrücke verschaltet und das niedrige Potential mit dem gleichen Anschluss der elektrischen Maschine über das untere Stromventil der gleichen Halbbrücke. Die Steuervorrichtung ist dazu eingerichtet, geforderte Regelgrößen im Stromrichter umzusetzen. Diese Regelgrößen umfassen üblicherweise Phasenströme der elektrischen Maschine.According to a first aspect of the present invention, a power converter for an electrical machine comprises a plurality of half bridges, each comprising an upper and a lower flow control valve; each half-bridge being assigned a device for current determination for determining a current flowing through the connection of the electrical machine; and a control device for controlling the flow control valves. In this case, the connection of the electrical machine is connected to the high potential via the upper current valve of a half-bridge and the low potential is connected to the same connection of the electrical machine via the lower current valve of the same half-bridge. The control device is set up to implement required controlled variables in the power converter. These controlled variables usually include phase currents of the electrical machine.
Erfindungsgemäß kann verhindert werden, dass durch Auswahl eines ungeeigneten Zustands ein unsymmetrischer Strom im Stromrichter bzw. in der elektrischen Maschine fließt. Insbesondere kann verhindert werden, dass die Stromventile einen Kurzschluss zwischen den Potentialen bewirken. Die optimierte Auswahl des sicheren Zustands nach vorliegender Erfindung betrifft die Erkennung von Ventildefekten auf Basis der Stromprofile jeder einzelnen Phase. Außerdem kann der Stromrichter einen angesteuerten sicheren Zustand überwachen, also sicherstellen, dass ein angesteuerter sicherer Zustand auch wirklich eingenommen ist.According to the invention, an asymmetrical current can be prevented from flowing in the power converter or in the electrical machine by selecting an unsuitable state. In particular, the current valves can be prevented from causing a short circuit between the potentials. The optimized safe state selection of the present invention relates to the detection of valve failures based on the current profiles of each individual phase. In addition, the power converter can monitor a controlled safe state, ie ensure that a controlled safe state is actually assumed.
In einer Ausführungsform kann ein Betrieb der elektrischen Maschine am Stromrichter trotz des defekten Stromventils nicht unterbrochen werden. Die Verhinderung kann lediglich das Abschalten der elektrischen Maschine betreffen.In one embodiment, operation of the electrical machine on the power converter cannot be interrupted despite the defective power valve. The prevention can only relate to switching off the electrical machine.
In einer Ausführungsform wird die elektrische Maschine aufgrund des erkannten Defekts an einem der Stromventile von der Zwischenkreisspannung getrennt. Dabei können die Stromventile aller Halbbrücken derart angesteuert werden, dass ein Strom vom hohen Potential zum niedrigen Potential versiegt. Der Stromrichter kann in einen sicheren Zustand gebracht werden und die elektrische Maschine kann sicher abgeschaltet werden.In one embodiment, the electrical machine is disconnected from the intermediate circuit voltage due to the detected defect in one of the flow control valves. In this case, the current valves of all half-bridges can be controlled in such a way that a current from the high potential to the low potential dries up. The power converter can be brought into a safe state and the electrical machine can be switched off safely.
Für die Analyse des Stromprofils werden die Ströme an den Anschlüssen über wenigstens eine Periode der Grundfrequenz betrachtet. In einem üblichen Betrieb regelt der Stromrichter phasenverschobene Wechselströme der elektrischen Maschine mit der gleichen Grundfrequenz. Durch die Betrachtung der Ströme über eine komplette Periode hinweg können insbesondere transiente Effekte berücksichtigt werden, die sich insbesondere durch eine Induktivität der elektrischen Maschine oder einer beispielsweise parasitären Kapazität ergeben können. Auch Effekte einer Rückeinspeisung, bei der die elektrische Maschine Energie an die Gleichspannungsseite des Stromrichters abgibt, können berücksichtigt werden.For the analysis of the current profile, the currents at the connections are considered over at least one period of the fundamental frequency. In normal operation, the power converter also regulates phase-shifted alternating currents in the electrical machine the same fundamental frequency. By considering the currents over a complete period, transient effects in particular can be taken into account, which can result in particular from an inductance of the electrical machine or a parasitic capacitance, for example. The effects of a reverse feed, in which the electrical machine delivers energy to the DC voltage side of the power converter, can also be taken into account.
Der Ventildefekt im Stromrichter bzw. ein Defekt in der elektrischen Maschine kann auf der Basis der Verhältnisse von positiven Anteilen, negativen Anteilen und Null-Anteilen der Ströme der Maschine bestimmt werden. Insbesondere kann für jeden Phasenstrom ein derartiges Verhältnis gebildet werden, an dem abgelesen werden kann, ob eines der Stromventile einen Defekt aufweist oder nicht.The valve defect in the power converter or a defect in the electrical machine can be determined on the basis of the ratios of positive components, negative components and zero components of the currents of the machine. In particular, such a ratio can be formed for each phase current, from which it can be read whether one of the flow control valves has a defect or not.
Ein Defekt kann ein nicht zu öffnendes oder nicht zu schließendes Stromventil umfassen. Ein nicht zu öffnendes Stromventil kann auch niederohmig und ein nicht zu schließendes Stromventil auch hochohmig genannt werden. Das Verhalten des Stromventils kann mit Bezug auf seine Spezifikation im geöffneten oder im geschlossenen Zustand beurteilt werden. So kann ein nicht zu öffnendes Stromventil bestimmt werden, wenn sein Widerstand unabhängig von seiner Ansteuerung nicht über einen vorbestimmten Wert ansteigt. Umgekehrt kann ein nicht zu schließendes Stromventil bestimmt werden, wenn sein Widerstand unabhängig von seiner Ansteuerung nicht einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Die vorbestimmten Werte können von einer Ausführungsform oder einer Technologie des Stromventils abhängig sein. Beispielhafte Technologien umfassen FET-, Bipolar- oder IGBT-Transistoren. Die Spezifikation kann von einer Halbleitertechnologie des Stromventils abhängig sein, beispielsweise ob das Stromventil auf der Basis von Silizium, Germanium, Galliumnitrid oder Siliziumkarbid hergestellt ist.A failure may include a flow control valve that will not open or close. A flow valve that cannot be opened can also be called low-impedance and a flow valve that cannot be closed can also be called high-impedance. The behavior of the flow control valve can be assessed with reference to its specification when open or when closed. In this way, a flow control valve that cannot be opened can be determined if its resistance does not rise above a predetermined value, regardless of its activation. Conversely, a flow control valve that cannot be closed can be determined if its resistance does not fall below a predetermined value, regardless of its activation. The predetermined values may depend on an embodiment or technology of the flow control valve. Exemplary technologies include FET, bipolar, or IGBT transistors. The specification can depend on a semiconductor technology of the flow control valve, for example whether the flow control valve is made on the basis of silicon, germanium, gallium nitride or silicon carbide.
Bevorzugt sind mehrere sichere Zustände vorbestimmt, in denen die elektrische Maschine jeweils von wenigstens einem der Potentiale getrennt ist, sodass keine Spannung anliegt. Dabei wird in Abhängigkeit des bestimmten Defekts einer der sicheren Zustände angesteuert. Erfindungsgemäß wird ein sicherer Zustand ausgewählt, der trotz des Defekts an dem Stromventil angesteuert werden kann beziehungsweise bei dem kein Folgeschaden zu befürchten ist.A plurality of safe states are preferably predetermined, in which the electrical machine is separated from at least one of the potentials, so that no voltage is present. Depending on the specific defect, one of the safe states is activated. According to the invention, a safe state is selected that can be controlled despite the defect in the flow control valve or in which no consequential damage is to be feared.
Im sicheren Zustand „aktiver Kurzschluss in der high side“ sind alle oberen Stromventile geschlossen und alle unteren Stromventile geöffnet. Alle Anschlüsse der elektrischen Maschine sind dabei mit dem hohen Potential des Zwischenkreises verbunden. Dieser sichere Zustand kann eingenommen werden, wenn ein oberes Stromventil einer der Halbbrücken nicht zu öffnen und/oder ein unteres Stromventil einer der Halbbrücken nicht zu schließen ist. Ein nicht zu öffnendes und ein nicht zu schließendes Stromventil können unterschiedlichen Halbbrücken zugeordnet sein.In the safe state "active short circuit in the high side" all upper flow valves are closed and all lower flow valves are open. All connections of the electrical machine are connected to the high potential of the intermediate circuit. This safe state can be assumed when an upper flow valve of one of the half-bridges cannot be opened and/or a lower flow valve of one of the half-bridges cannot be closed. A flow control valve that cannot be opened and a flow control valve that cannot be closed can be assigned to different half bridges.
Ein Zustand, bei dem die Stromventile so angesteuert sind, dass die Anschlüsse der elektrischen Maschine mit demselben Potential verbunden sind, wird hierin auch als „vermeintlich sicherer Zustand“ bezeichnet, wenn nicht sichergestellt ist, dass dadurch kein Brückenkurzschluss angesteuert wird.A state in which the current valves are controlled in such a way that the connections of the electrical machine are connected to the same potential is also referred to herein as a “supposedly safe state” if it is not ensured that no bridge short circuit is controlled as a result.
Für einen weiteren sicheren Zustand sind alle oberen Stromventile geöffnet und alle unteren Stromventile geschlossen. Dieser Zustand kann auch als „aktiver Kurzschluss in der low side“ bezeichnet werden. Dieser sichere Zustand kann eingenommen werden, wenn ein oberes Stromventil einer der Halbbrücken nicht zu schließen und/oder ein unteres Stromventil einer der Halbbrücken nicht zu öffnen ist. Auch hier können die Stromventile unterschiedlichen Halbbrücken zugeordnet sein.For another safe condition, all upper flow valves are open and all lower flow valves are closed. This condition can also be referred to as "active short circuit in the low side". This safe state can be assumed when an upper flow valve of one of the half-bridges cannot be closed and/or a lower flow valve of one of the half-bridges cannot be opened. Here, too, the flow control valves can be assigned to different half bridges.
Die elektrische Maschine kann bei Ansteuern eines aktiven Kurzschlusses aufgrund eines nicht zu schließenden Stromventils nicht vollständig kurzgeschlossen sein.When an active short circuit is activated, the electrical machine cannot be completely short-circuited due to a current valve that cannot be closed.
Im dritten Fall der sicheren Zustände können alle oberen und unteren Stromventile geöffnet sein. Dieser Zustand kann auch Wechselrichtersperre genannt werden. Der dritte sichere Zustand kann insbesondere eingenommen werden, wenn beliebig viele Stromventile nicht zu schließen sind.In the third case of safe conditions, all of the upper and lower flow valves may be open. This condition can also be called inverter lock. The third safe state can be adopted in particular when any number of flow control valves cannot be closed.
Sollte in einer der Halbbrücken eines der Stromventile nicht zu öffnen sein, kann die Wechselrichtersperre trotzdem eingenommen werden. Die elektrische Maschine kann dabei trotzdem keine Energie aus dem Zwischenkreis beziehen und ein Kurzschluss durch den Stromrichter kann verhindert sein.If one of the current valves in one of the half-bridges cannot be opened, the inverter lock can still be activated. The electrical machine can still not draw any energy from the intermediate circuit and a short circuit through the power converter can be prevented.
Es ist zu beachten, dass bei bestimmten Defekten an mehr als einem Stromventil trotzdem noch einer der sicheren Zustände eingenommen werden kann. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Betrieb des Stromrichters trotz eines Defekts an einem seiner Stromventile so lange erlaubt werden, wie ein sicherer Zustand noch eingenommen werden kann. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann der Betrieb so lange erlaubt werden, wie ein einziger zusätzlicher Defekt an einem noch nicht als fehlerhaft bestimmten Stromventil immer noch das Einnehmen wenigstens eines der sicheren Zustände erlaubt. In dieser Ausführungsform wird der sichere Zustand bevorzugt bereits eingeleitet, wenn ein Stromventil derart ausfallen könnte, dass die Ansteuerung eines sicheren Zustands nicht mehr möglich wäre.It should be noted that in the event of certain defects in more than one flow control valve, one of the safe states can still be assumed. In one embodiment of the present invention, the power converter can be operated despite a defect in one of its flow control valves as long as a safe state can still be assumed. In a further preferred embodiment, operation can be permitted as long as a single additional defect in a flow control valve that has not yet been determined to be defective still allows at least one of the safe states to be assumed. In this embodiment, the safe state is preferred already initiated if a flow control valve could fail in such a way that it would no longer be possible to control a safe state.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Antriebseinrichtung eine elektrische Maschine und einen hierin beschriebenen Stromrichter. Die elektrische Maschine kann insbesondere in einem Antriebsstrang, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, eingesetzt werden. Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kraftfahrzeug einen Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine, die mittels eines hierin beschriebenen Stromrichters gesteuert wird. Der Stromrichter kann mit oder ohne eine elektrische Maschine in einem beliebigen Kontext eingesetzt werden, beispielsweise an einer Anlage zur Energieversorgung, in einem Batterieladesystem, einem Batterie-Speichersystem oder einem Umrichter. Der Stromrichter kann stationär oder an Bord eines Schiffs, eines Flugzeugs, eines Schienenfahrzeugs oder eines Landfahrzeugs eingesetzt werden.According to a second aspect of the present invention, a drive device includes an electrical machine and a power converter described herein. The electric machine can be used in particular in a drive train, for example a motor vehicle. According to a further aspect of the present invention, a motor vehicle includes a drive train with an electric machine which is controlled by means of a power converter described herein. The power converter can be used with or without an electric machine in any context, for example in a power supply system, in a battery charging system, in a battery storage system or in a converter. The power converter can be used stationary or on board a ship, an airplane, a rail vehicle or a land vehicle.
Nach noch einem weiteren Aspekt umfasst ein Fahrzeug eine hierin beschriebene Antriebseinrichtung. Das Fahrzeug kann insbesondere ein Kraftrad, einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder einen Omnibus umfassen.According to yet another aspect, a vehicle includes a drive device as described herein. The vehicle can in particular include a motorcycle, a passenger car, a truck or a bus.
Nach wieder einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Stromrichters für eine elektrische Maschine, wobei der Stromrichter mehrere Halbbrücken umfasst, die jeweils ein oberes und ein unteres Stromventil umfassen; wobei das obere Stromventil einer Halbbrücke einen Strom zwischen einem hohen Potential und einem Anschluss der Maschine und das zweite Stromventil einen Strom zwischen dem Anschluss und einem niedrigen Potential steuert; wobei jeder Halbbrücke eine Einrichtung zur Stromermittlung zur Bestimmung eines durch den Anschluss fließenden Stroms zugeordnet ist; Schritte des Bestimmens von Strömen durch alle Anschlüsse; des Erkennens eines Defekts an einem der Stromventile auf der Basis der Ströme; und des Verhinderns eines Zustands, in dem beide Stromventile einer Halbbrücke geschlossen sind.According to yet another aspect of the present invention comprises a method for controlling a power converter for an electrical machine, wherein the power converter comprises a plurality of half-bridges, each comprising an upper and a lower flow valve; wherein the upper current valve of a half-bridge controls a current between a high potential and a terminal of the machine and the second current valve controls a current between the terminal and a low potential; each half-bridge being assigned a device for current determination for determining a current flowing through the connection; steps of determining currents through all ports; detecting a failure of one of the flow valves based on the currents; and preventing a condition where both flow valves of a half-bridge are closed.
Das Verfahren kann insbesondere mittels einer Steuervorrichtung eines hierin beschriebenen Stromrichters ausgeführt werden. Dazu kann die Steuervorrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen und das Verfahren kann in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln vorliegen. Das Computerprogrammprodukt kann auch auf andere Weise zur Umsetzung des Verfahrens verwendet werden, beispielsweise zur Konfiguration eines Logikbausteins (ASIC). Das Computerprogrammprodukt kann auch auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert sein. Merkmale oder Vorteile des Verfahrens können auf die Steuervorrichtung bzw. den Stromrichter übertragen werden oder umgekehrt.The method can be carried out in particular by means of a control device of a power converter described herein. For this purpose, the control device can include a programmable microcomputer or microcontroller, and the method can be in the form of a computer program product with program code means. The computer program product can also be used in other ways to implement the method, for example to configure a logic module (ASIC). The computer program product can also be stored on a computer-readable data carrier. Features or advantages of the method can be transferred to the control device or the power converter or vice versa.
Das Verfahren kann eine Lokalität eines Defekts bestimmen, also eine Fehlfunktion zu einer der Halbbrücken und gegebenenfalls auch zu einem oberen oder unteren Stromventil zuordnen. Das Verfahren kann auch die Art eines vorliegenden Defekts, also ob das Stromventil niederohmig oder hochohmig ist, bestimmen. Ein hochohmiges Stromventil ist nicht zu schließen und ein niederohmiges nicht zu öffnen. Dabei können jeweils Schwellenwerte für einen durch das Stromventil fließenden Strom vorbestimmt sein. So kann ein hochohmiges Ventil bestimmt werden, wenn ein Strom einer vorbestimmten Stärke nicht erreicht werden kann, oder niederohmiges Ventil, wenn der fließende Strom nicht unter eine weitere vorbestimmte Stärke abgesenkt werden kann.The method can determine the location of a defect, ie assign a malfunction to one of the half-bridges and possibly also to an upper or lower flow control valve. The method can also determine the type of defect that is present, that is to say whether the flow control valve has a low resistance or a high resistance. A high-impedance flow valve cannot be closed and a low-impedance valve cannot be opened. In this case, threshold values for a current flowing through the flow control valve can be predetermined in each case. A high-impedance valve can thus be determined if a current of a predetermined magnitude cannot be reached, or a low-impedance valve if the flowing current cannot be reduced below a further predetermined magnitude.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
-
1 einen Stromrichter mit einer elektrischen Maschine; und -
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens
-
1 a power converter with an electrical machine; and -
2 a flowchart of a method
Der Stromrichter 105 wird an einer Gleichspannung 115 betrieben, die zwischen einem hohen Potential 120 und einem niedrigen Potential 125 anliegt. Die Spannung 115 kann auch Zwischenkreisspannung genannt werden und auf der Basis eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Hochvolt-Batterie, bereitgestellt werden. Zwischen den Potentialen 120 und 125 kann ein Zwischenkreiskondensator 130 angeschlossen sein.The
Die elektrische Maschine 110 umfasst allgemein N Phasen, beispielhaft sind in
Der Stromrichter 105 umfasst für jeden der Anschlüsse 135 eine Halbbrücke 140, die ein oberes Stromventil 145 und ein unteres Stromventil 150 umfasst. Das obere Stromventil 145 verbindet das hohe Potential 120 des Stromrichters 105 mit dem zugeordneten Anschluss 135 der elektrischen Maschine 110. Über das untere Stromventil 150 des Stromrichters 105 ist der zugeordnete Anschluss 135 der elektrischen Maschine 110 mit dem niedrigen Potential 125 des Stromrichters 105 verbunden. Außerdem ist jeder Halbbrücke 140 bzw. jedem Anschluss 135 bevorzugt eine Einrichtung zur Stromermittlung 155 zugeordnet, um den durch den Anschluss 135 fließenden Strom zu bestimmen. Die Einrichtung zur Stromermittlung 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. In einer weiteren Ausführungsform kann die Einrichtung einen fließenden Strom auch mittels eines mathematischen Modells bestimmen, etwa auf der Basis von Spannungen an den Phasen der elektrischen Maschine 110.For each of the
Eine Steuervorrichtung 170 ist dazu eingerichtet, die Stromventile 145, 150 einer oder mehrerer Halbbrücken 140 anzusteuern, um die elektrische Maschine 110 zu regeln. 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 den bereitstellenden Energiespeicher unterstützt werden.A
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 wenigstens eine Größenordnung höher als eine Grundfrequenz, die ein Strom- bzw. Spannungsverlauf an dem Anschluss 135 aufweist. Die Grundfrequenz ist von einer Drehzahl der elektrischen Maschine 110 abhängig.To control the
Es wird vorgeschlagen, dass die Steuervorrichtung 170 dazu eingerichtet ist, auf der Basis der mittels der Einrichtungen zur Stromermittlung 155 bestimmten Ströme durch die Anschlüsse 135 der elektrischen Maschine 110 zu bestimmen, ob eines der Stromventile 145, 150 der Halbbrücken 140 defekt ist. Ein Defekt kann dann vorliegen, wenn ein Stromventil 145, 150 nicht mehr voll gesteuert werden kann. In einem Defekt kann das Stromventil 145, 150 nicht mehr geöffnet bzw. nicht mehr geschlossen werden.It is proposed that
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 oberes Stromventil 145 oder ein unteres 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 dem Energiespeicher, welche die Spannung 115 bereitstellt, 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.The
In einem Schritt 205 kann ein Strom durch einen Anschluss 135 der elektrischen Maschine 110 erfasst werden. Dieser Schritt wird bevorzugt für jeden vorgesehenen Anschluss 135 durchgeführt, wobei Erfassungszeitpunkte für die Ströme zeitlich möglichst nahe zusammenliegen sollten.In a step 205 a current through a
Für jeden Strom kann bestimmt werden, ob er einen positiven Schwellenwert übersteigt, sodass er als positiver Anteil gewertet werden kann, oder einen negativen Schwellenwert unterschreitet, sodass er als negativer Anteil gewertet werden kann. Ferner kann bestimmt werden, ob der Strom zwischen zwei weiteren Schwellenwerten liegt, die unterschiedliches Vorzeichen haben und näher an null liegen, sodass er als Nullanteil gewertet werden kann. Die Schwellenwerte sind bevorzugt für alle Ströme der elektrischen Maschine gleich gewählt.Each stream can be determined whether it exceeds a positive threshold so that it can be counted as a positive component, or falls below a negative threshold so that it can be counted as a negative component. Furthermore, it can be determined whether the current lies between two other threshold values which have different signs and are closer to zero, so that it can be evaluated as a zero component. The threshold values are preferably selected to be the same for all currents in the electrical machine.
Dann können Verhältnisse zwischen den für die einzelnen Phasen bestimmten Stromanteilen errechnet werden. Sollte dabei eine Asymmetrie bestimmt werden, die größer als ein vorbestimmter Wert ist, so kann darauf geschlossen werden, dass eines der Stromventile 145, 150 defekt ist. Diese Bestimmung kann für einen beliebigen Zeitpunkt erfolgen und benötigt keine Betrachtung von Strömen über einen vorbestimmten Zeitraum. Diese Bestimmung kann daher auch „Fast Path“ genannt werden.Then ratios between the current components determined for the individual phases can be calculated. Should an asymmetry be determined that is greater than a predetermined Value is, it can be concluded that one of the
Weiter kann bestimmt werden, ob einer der bestimmten Ströme unter einem unteren Schwellenwert liegt, während gleichzeitig die beiden anderen Ströme über einem oberen Schwellenwert liegen. In entsprechender Weise kann bestimmt werden. ob einer der bestimmten Ströme über einem oberen Schwellenwert liegt, während die anderen beiden Ströme unter einem unteren Schwellenwert liegen. Beträge der Schwellenwerte sind bei beiden Tests üblicherweise jeweils voneinander verschieden. Für jeden der Tests sind drei Permutationen möglich, wobei jeweils einer der bestimmten Ströme mit einem anderen Schwellenwert als die beiden anderen Ströme verglichen wird. Insgesamt können so sechs Tests durchgeführt werden. Wird einer der Tests positiv beantwortet, so kann ein Fehler an einem der Stromventile 145, 150 bestimmt werden. Der Fehler kann in derjenigen Halbbrücke 140 bestimmt werden, die den Strom steuert, der mit einem anderen Schwellenwert als die beiden anderen Ströme verglichen wird. Der Fehler kann genau lokalisiert werden, insbesondere bezüglich der Halbbrücke 140, in der er aufgetreten ist, und bezüglich des Stromventils 145, 150.Furthermore, it can be determined whether one of the determined currents is below a lower threshold value, while at the same time the other two currents are above an upper threshold value. It can be determined in a corresponding manner. whether one of the determined currents is above an upper threshold while the other two currents are below a lower threshold. The magnitudes of the threshold values are usually different from one another in both tests. Three permutations are possible for each of the tests, each comparing one of the specified streams to a different threshold than the other two streams. A total of six tests can be carried out in this way. If one of the tests is answered positively, then a fault in one of the
Als Reaktion auf einen solchen Fehler kann ein aktiver Kurzschluss herbeigeführt werden, indem die betroffene Halbbrücke 140 derart gesteuert wird, dass der bereitgestellte Strom sein Vorzeichen umkehrt. Die Erkennung eines solchen Defekts ist sofort, unabhängig einer Periode der Grundfrequenz der Ströme, möglich.As a reaction to such a fault, an active short circuit can be brought about by the affected half-
Die Ströme können in einem Schritt 210 über eine Periode einer Grundfrequenz hinweg betrachtet werden. Die Ströme durch die Anschlüsse 135 sind üblicherweise phasenverschobene Wechselströme mit der gleichen Grundfrequenz. Die Schritte 205 können, je nach gesteuerter Grundfrequenz, über eine vorbestimmte Dauer hinweg wiederholt werden.The currents can be viewed in a
In einem Schritt 215 kann bestimmt werden, ob die Wechselströme vorbestimmte Anteile von Strömen aufweisen, die positiv, negativ oder null sind. In einem üblichen Ablauf wechseln sich an einem Anschluss 135 positive und negative Ströme ab, wobei dazwischen für einen vorbestimmten Zeitraum kein Strom fließt.In a
Fließt durch einen Anschluss 135 während einer Periode der Grundfrequenz nur ein positiver Strom, so kann auf einen Defekt an einem der Stromventile 145, 150 geschlossen werden. Ähnlich verhält es sich, falls während der Periode nur ein negativer Strom fließt. Der Verlauf kann auch eine nicht beabsichtigte Form annehmen, beispielsweise wenn der durch den Anschluss 135 fließende Strom positiv oder negativ begrenzt ist. In diesem Fall ist die Sinusform des Stromverlaufs gestört und enthält einen vergrößerten Anteil an Gleichstrom.If only a positive current flows through a
In einem Schritt 220 kann auf der Basis der bestimmten Verhältnisse der Ströme ein Defekt an einem der Stromventile 145 bestimmt werden. Dabei kann die Art des Defekts bestimmt werden, also ob ein Stromventil 145 aufgrund seiner Ansteuerung nicht zu öffnen oder nicht zu schließen ist, ob der Defekt ein oberes Stromventil 145 oder ein unteres Stromventil 150 betrifft und/oder in welcher der Halbbrücken 140 das defekte Stromventil 145, 150 liegt.In a
In einem ersten Beispiel für einen Defekt ist eines der oberen Stromventile 145 niederohmig, kann also nicht geöffnet werden. Dies kann bestimmt werden, wenn Ströme an einem dem defekten oberen Stromventil 145 zugeordneten Anschluss 135 über eine Periode der Grundfrequenz nur positiv und an den anderen beiden nur negativ sind. Dabei ist ein Betrag des positiven Stroms üblicherweise größer als ein Betrag eines der negativen Ströme. In einem zweiten Beispiel für einen Defekt friert das Pulsmuster an den Stromventilen 145, 150 ein, sodass bestimmte Phasenströme unveränderlich fließen. Dies kann bestimmt werden, indem die Phasenströme über eine Phase - oder die Zeit, die einer Phase entspricht - beobachtet werden. Beispielsweise können die Ströme jeweils nach der Zeit integriert werden. Beträgt das Integral eines Phasenstroms über die Zeit nicht genau genug null, so kann der Defekt bestimmt werden. Auch wenn die integrierten Ströme einander nicht genau genug entsprechen, kann auf einen Defekt geschlossen werden.In a first example of a defect, one of the upper
In einem Schritt 225 kann bestimmt werden, welcher von mehreren vorbestimmten sicheren Zuständen trotz des defekten Stromventils 145, 150 noch eingenommen werden kann. In einem ersten sicheren Zustand sind alle oberen Stromventile 145 geschlossen und alle unteren Stromventile 150 geöffnet. In einem zweiten sicheren Zustand sind umgekehrt alle oberen Stromventile 145 geöffnet und alle unteren Stromventile 150 geschlossen. In einem dritten sicheren Zustand sind alle oberen Stromventile 145 und alle unteren Stromventile 150 geöffnet. Ein nur vermeintlich sicherer Zustand, der aufgrund eines defekten Stromventils 145, 150 nicht eingenommen werden kann, bzw. bei dem das Einnehmen einen Kurzschluss durch eine der Halbbrücken 140 bedingen würde, kann verhindert werden.In a
In einem Schritt 230 kann bestimmt werden, ob ein sicherer Zustand eingenommen werden soll. Die Einnahme des sicheren Zustands kann von einem externen Signal abhängig sein oder auf der Basis interner Bestimmungen ausgelöst werden.In a
Soll der sichere Zustand eingenommen werden, so kann in einem Schritt 235 ein sicherer Zustand, der nicht als vermeintlich sicherer Zustand bestimmt wurde, eingenommen werden. Stromventile 145, 150 der Halbbrücken 140 können entsprechend des bestimmten sicheren Zustands angesteuert werden. Beim Ansteuern kann ein Öffnen eines nicht schließbaren Stromventils 145, 150 oder ein Schließen eines nicht zu öffnenden Stromventils 145, 150 unterbleiben.If the safe state is to be assumed, then in a step 235 a safe state that was not determined as an allegedly safe state can be assumed.
BezugszeichenlisteReference List
- 100100
- Systemsystem
- 105105
- Stromrichterpower converter
- 110110
- elektrische Maschineelectric machine
- 115115
- Zwischenkreisspannungintermediate circuit voltage
- 120120
- hohes Potentialhigh potential
- 125125
- niedriges Potentiallow potential
- 130130
- Zwischenkreiskondensatorintermediate circuit capacitor
- 135135
- Anschluss der elektrischen Maschine, PhasenanschlussElectrical machine connection, phase connection
- 140140
- Halbbrückehalf bridge
- 145145
- oberes Stromventil (zum hohen Potential / high side)upper flow valve (to the high potential / high side)
- 150150
- unteres Stromventil (zum niedrigen Potential / low side)lower flow valve (to the low potential / low side)
- 155155
- Einrichtung zur StromermittlungDevice for current determination
- 170170
- Steuervorrichtung control device
- 200200
- VerfahrenProceedings
- 205205
- Strom durch Anschluss erfassenCapture current through connector
- 210210
- über eine Periode betrachtenview over a period
- 215215
- Strombilanz bildencreate a power balance
- 220220
- Defekt an einem Stromventil und Lokalität bestimmenDetermine the defect in a flow control valve and its location
- 225225
- sicheren Zustand bestimmen, nur vermeintlich sicheren Zustand blockierenDetermine safe state, only block supposedly safe state
- 230230
- Bestimmen, ob ein sicherer Zustand eingenommen werden sollDetermining whether to enter a safe state
- 235235
- sicheren Zustand steuerncontrol safe state
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022201539.8A DE102022201539A1 (en) | 2022-02-15 | 2022-02-15 | Determination of a safe state of a power converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022201539.8A DE102022201539A1 (en) | 2022-02-15 | 2022-02-15 | Determination of a safe state of a power converter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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ID=87430789
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---|---|---|---|
DE102022201539.8A Pending DE102022201539A1 (en) | 2022-02-15 | 2022-02-15 | Determination of a safe state of a power converter |
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---|---|
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100036555A1 (en) | 2007-03-05 | 2010-02-11 | Honda Motor Co., Ltd. | Controller for motor, and vehicle |
US20200220479A1 (en) | 2017-09-29 | 2020-07-09 | Aisin Aw Co., Ltd. | Inverter control device |
WO2020241366A1 (en) | 2019-05-24 | 2020-12-03 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Power conversion device and power conversion device control method |
-
2022
- 2022-02-15 DE DE102022201539.8A patent/DE102022201539A1/en active Pending
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---|---|---|---|
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