EP4627693A1 - Elektrischer stromrichter, elektrisches antriebs- und ladesystem sowie verfahren zum überprüfen von schaltelementen in einem elektrischen stromrichter - Google Patents

Elektrischer stromrichter, elektrisches antriebs- und ladesystem sowie verfahren zum überprüfen von schaltelementen in einem elektrischen stromrichter

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EP4627693A1
EP4627693A1 EP23786512.6A EP23786512A EP4627693A1 EP 4627693 A1 EP4627693 A1 EP 4627693A1 EP 23786512 A EP23786512 A EP 23786512A EP 4627693 A1 EP4627693 A1 EP 4627693A1
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EP
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switching element
connection
voltage
electrical
connection point
Prior art date
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Application number
EP23786512.6A
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English (en)
French (fr)
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Seifeldin Tarek Mohamed SHAABAN
Yashomani Yashodhan KOLHATKAR
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter

Definitions

  • the DC voltage connection comprises a positive connection point and a negative connection point.
  • the DC voltage connection is designed to be coupled to an electrical energy storage device.
  • the motor connection is designed to be coupled to an electrical machine.
  • the phase connections of the electrical machine are preferably connected to corresponding connection points of the motor connection of the electrical power converter.
  • the charging connection is designed to be coupled to a DC voltage charging station for an electric vehicle.
  • a first connection point of the charging connection is electrically coupled to the negative connection point of the DC voltage connection.
  • the further connection point is designed to be coupled to a motor connection point of the electrical machine.
  • the motor connection point is preferably the star point of the electrical machine. More preferably, the motor connection point is a phase connection point on one of the phases of the electrical machine. More preferably, such a phase connection point of the power converter corresponds to one of the connection points of the motor connection.
  • the inverter circuit comprises several half bridges.
  • An electric drive and charging system with an electric machine and a power converter according to the invention.
  • the phase connections of the electric machine are connected to corresponding connection points of the motor connection of the electric power converter.
  • a motor connection point of the electric machine is connected to the other connection of the electric power converter.
  • a method for checking switching elements in an electrical power converter, in particular an electrical power converter according to the invention is carried out using an electrical machine connected to the motor connection and the further connection point of the power converter.
  • the method comprises a step for setting a freewheeling state in the inverter circuit of the electrical power converter and a step for opening the first switching element and the second switching element.
  • the method further comprises a step for detecting a malfunction of the second switching element if an electrical voltage at the node between the first switching element and the second switching element exceeds a predetermined threshold value. If, on the other hand, the electrical voltage at the node falls below a predetermined threshold value, it can be determined that the second switching element is correctly opened.
  • the switching elements to be tested can be mechanical switching elements such as relays, contactors or similar.
  • the switching elements to be tested can also be semiconductor switching elements such as MOSFETs or bipolar transistors with an insulated gate connection (IGBT).
  • IGBT insulated gate connection
  • the switching elements to be checked can be a series connection of two switching elements, which can be provided in a so-called inverter converter between a connection point of a charging connection and a motor connection point of an electrical machine.
  • the charging connection can be a connection that can be coupled to an external direct current charging station for an electric vehicle.
  • the electrical power converter can have an operating mode in which an electrical direct current voltage provided at the charging connection can be converted into another direct current voltage that can be provided at the direct current connection of the power converter for charging a battery.
  • the power converter is designed to provide a predetermined electrical voltage at the further connection point using an electrical machine connected to the motor connection and the further connection point.
  • This provided voltage can in particular be a low electrical voltage with a voltage level of a maximum of 60 volts, a maximum of 48 volts or similar.
  • this electrical voltage can be generated, for example, by operating the inverter circuit in combination with the connected electrical machine in a step-down converter mode.
  • the control device can be designed to control the provision of the predetermined electrical voltage by the inverter circuit.
  • the control device can be designed to check the functionality of the switching elements to be checked using the provided electrical voltage.
  • control device is designed to check the first switching element and the second switching element on the first switching element and the second switching element one after the other to set predetermined switching states and thereby control the electrical voltage provided at the further connection point.
  • the electrical voltages occurring at the switching elements can be compared with predetermined limit values or threshold values in order to determine whether the switching elements are functioning correctly.
  • the method according to the invention further comprises a step for closing the second switching element and for providing a predetermined electrical voltage at the further connection point of the power converter.
  • the predetermined electrical voltage can be provided in particular by means of the electrical power converter, for example in a buck converter mode.
  • the method can then detect a malfunction of the second switching element if an electrical voltage at the node between the first switching element and the second switching element deviates from the value of the electrical voltage provided at the further connection point. In this way, it can be checked whether the second switching element can be closed correctly.
  • the method subsequently comprises a step for detecting a malfunction of the first switching element if an electrical voltage at the second connection point of the charging connection exceeds a predetermined threshold value when the first switching element is still open and when the second switching element is closed at the further connection point, the predetermined electrical voltage is provided by the electrical power converter. In this way, it can be checked whether the first switching element can be opened correctly.
  • the method subsequently comprises a step for opening the first switching element.
  • a malfunction of the first switching element can then be detected if a difference between an electrical voltage at the second connection point of the charging connection and an electrical voltage at the node between the two switching elements falls below a predetermined threshold value.
  • a malfunction of the first switching element can be detected if the value of an electrical voltage at the second connection point of the charging connection exceeds a predetermined threshold value. This makes it possible to check whether the first switching element can be opened correctly.
  • the method then comprises a step for opening the second switching element.
  • a malfunction of the second switching element can then be detected if the electrical voltage at the node between the first switching element and the second switching element does not drop with a predetermined time constant.
  • the predetermined time constant can in particular be the time constant for discharging the capacitor between the first connection point of the charging connection and the node between the first and second switching elements.
  • an additional discrete resistor can be provided parallel to the capacitor in order to discharge the capacitor to a safe voltage value within a predetermined period of time when it is switched off. In this case, it can be checked whether, when the first and second switching elements are open, a capacitor charged by means of the electrical voltage provided at the further connection point discharges with the predetermined time constant. In this way, it can be checked whether the second switching element has opened correctly.
  • Fig. 1 a schematic representation of a basic circuit diagram of an electric drive and charging system with an electric power converter according to an embodiment
  • Fig. 2 a flow chart underlying a method for checking switching elements in an electrical power converter according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of an electric drive and charging system with an electric power converter 1 according to an embodiment.
  • the electric power converter 1 comprises a direct voltage connection 10.
  • An electrical energy storage device such as a traction battery of an electric vehicle can be connected to this direct voltage connection 10 between a negative connection point 11 and a positive connection point 12.
  • the electric power converter 1 also comprises a motor connection 20.
  • the connection points 21, 22 and 23 of the motor connection 20 can be connected to corresponding phase connections of an electric machine 2.
  • An inverter circuit 50 with several half bridges is arranged between the input connection 10 and the motor connection 20. Since such inverter circuits 50 with Since half bridges are considered to be well known, a more detailed explanation will be omitted here.
  • the electrical power converter 1 also comprises a charging connection 30.
  • a first connection point 31 of the charging connection 30 is connected to the negative connection point of the direct voltage connection 10.
  • a series circuit comprising a first switching element K1 and a second switching element K2 is provided between a second connection point 32 of the charging connection 30 and a further connection point 40 of the power converter 1.
  • the first switching element K1 and the second switching element K2 are connected to one another at a node K.
  • a capacitor C is provided between the first connection point 31 of the charging connection 30 and the node K.
  • a first voltage sensor V1 can be provided, which detects an electrical voltage at the node K.
  • a second voltage sensor V2 can detect an electrical voltage at the second connection point 32 of the charging connection.
  • the voltage values detected by the first and second voltage sensors V1, V2 can be provided to a control device 90.
  • the control device 90 can also control the two switching elements K1 and K2 as well as the semiconductor switching elements in the inverter circuit 50.
  • a motor connection point 2a of the electric machine 2 is connected to the further connection point 40 of the power converter 1.
  • the motor connection point can be designed as a star point, as shown, or as a phase connection point.
  • the first switching element K1 and the second switching element K2 are open

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Abstract

Die Erfindung betrifft das Überprüfen von Schaltelementen in einem elektrischen Stromrichter, insbesondere einem elektrischen Stromrichter, der als Inverter- Konverter genutzt werden kann. Hierzu wird vorgeschlagen, mittels des elektrischen Stromrichters in einem Tiefsetzsteller-Betrieb eine für einen Menschen ungefährliche elektrische Spannung zu generieren und daraufhin an den zu überprüfenden Schaltelementen nacheinander verschiedene Schaltzustände einzustellen und die elektrischen Spannungen an den Schaltelementen zu analysieren.

Description

Beschreibung
Titel
Elektrischer Stromrichter, elektrisches Antriebs- und Ladesystem sowie Verfahren zum Überprüfen von Schaltelementen in einem elektrischen Stromrichter
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Stromrichter sowie ein elektrisches Antriebs- und Ladesystem mit einem solchen Stromrichter. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Überprüfen von Schaltelementen in einem elektrischen Stromrichter.
Stand der Technik
Ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge verfügen in der Regel über ein elektrisches Antriebssystem, bei welchem elektrische Energie von einem Energiespeicher, wie beispielsweise einer Traktionsbatterie, mittels eines Stromrichters an einer elektrischen Maschine bereitgestellt wird. Der dabei genutzte elektrische Energiespeicher kann mittels einer externen Energiequelle aufgeladen werden. Hierzu ist in der Regel eine separate Ladeschaltung erforderlich.
Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, Komponenten des elektrischen Antriebssystems für das Aufladen des elektrischen Energiespeichers zu nutzen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2018 207 188 A1 beschrieben.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft einen elektrischen Stromrichter, ein elektrisches Antriebs- und Ladesystem sowie ein Verfahren zum Überprüfen von Schaltelementen in einem elektrischen Stromrichter mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein elektrischer Stromrichter mit einem Gleichspannungsanschluss, einem Motoranschluss, einem Ladeanschluss und einem weiteren Anschlusselement sowie einer Wechselrichterschaltung, einem ersten Schaltelement, einem zweiten Schaltelement, einem Kondensator, einem ersten Spannungssensor, einem zweiten Spannungssensor und einer Steuereinrichtung. Der Gleichspannungsanschluss umfasst einen positiven Anschlusspunkt und einen negativen Anschlusspunkt. Hierbei ist der Gleichspannungsanschluss dazu ausgelegt, mit einem elektrischen Energiespeicher gekoppelt zu werden. Der Motoranschluss ist dazu ausgelegt, mit einer elektrischen Maschine gekoppelt zu werden. Dabei werden bevorzugt die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine mit korrespondierenden Anschlusspunkten des Motoranschlusses des elektrischen Stromrichters verbunden. Der Ladeanschluss ist dazu ausgelegt, mit einer Gleichspannungs-Ladestation für ein Elektrofahrzeug gekoppelt zu werden. Hierbei ist ein erster Anschlusspunkt des Ladeanschlusses elektrisch mit dem negativen Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses gekoppelt. Der weitere Anschlusspunkt ist dazu ausgelegt, mit einem Motoranschlusspunkt der elektrischen Maschine gekoppelt zu werden. Der Motoranschlusspunkt ist bevorzugt der Sternpunkt der elektrischen Maschine. Weiter bevorzugt ist der Motoranschlusspunkt ein Phasenanschlusspunkt an einer der Phasen der elektrischen Maschine. Weiter bevorzugt entspricht ein derartiger Phasenanschlusspunkt des Stromrichters einem der Anschlusspunkte des Motoranschluss. Die Wechselrichterschaltung umfasst mehrere Halbbrücken.
Hierbei ist die Wechselrichterschaltung an einer Gleichspannungsschnittstelle mit dem Gleichspannungsanschluss verbunden und an einer Wechselspannungsschnittstelle mit dem Motoranschluss verbunden. Das erste Schaltelement ist zwischen einem zweiten Anschlusspunkt des Ladeanschlusses und einem Knotenpunkt angeordnet. Das zweite Schaltelement ist zwischen dem Knotenpunkt und dem weiteren Anschlusspunkt des elektrischen Stromrichters angeordnet. Der Kondensator ist zwischen dem ersten Anschlusspunkt des Ladeanschlusses und dem Knotenpunkt angeordnet. Der erste Spannungssensor ist dazu ausgelegt, eine elektrische Spannung an dem Knotenpunkt zu erfassen. Der zweite Spannungssensor ist dazu ausgelegt, eine elektrische Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt des Ladeanschlusses zu erfassen. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Funktionsfähigkeit des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements zu überprüfen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die Funktionsfähigkeit der Schaltelemente unter Verwendung der Messwerte von dem ersten Spannungssensor und dem zweiten Spannungssensor zu überprüfen.
Weiterhin ist vorgesehen:
Ein elektrisches Antriebs- und Ladesystem mit einer elektrischen Maschine und einem erfindungsgemäßen Stromrichter. Hierbei sind die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine mit korrespondierenden Anschlusspunkten des Motoranschlusses des elektrischen Stromrichters verbunden. Ferner ist ein Motoranschlusspunkt der elektrischen Maschine mit dem weiteren Anschluss des elektrischen Stromrichters verbunden.
Schließlich ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum Überprüfen von Schaltelementen in einem elektrischen Stromrichter, insbesondere einem erfindungsgemäßen elektrischen Stromrichter. Das Verfahren erfolgt unter Verwendung einer an dem Motoranschluss und dem weiteren Anschlusspunkt des Stromrichters angeschlossenen elektrischen Maschine. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Einstellen eines Freilaufzustandes in der Wechselrichterschaltung des elektrischen Stromrichters und einen Schritt zum Öffnen des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt zum Detektieren einer Fehlfunktion des zweiten Schaltelements, falls eine elektrische Spannung an dem Knotenpunkt zwischen dem ersten Schaltelement und dem zweiten Schaltelement einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Unterschreitet die elektrische Spannung an dem Knotenpunkt dagegen einen vorgegebenen Schwellwert, so kann festgestellt werden, dass das zweite Schaltelement korrekt geöffnet ist. Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es für die Sicherheit und einen zuverlässigen Betrieb von elektrischen Stromrichtern von entscheidender Bedeutung sein kann, die korrekte Funktionsfähigkeit von Schaltelementen, insbesondere von Schaltelementen zum Koppeln bzw. Trennen von hohen elektrischen Spannungen an den Anschlüssen des Stromrichters, zu gewährleisten. Ist beispielsweise durch ein solches Schaltelement ein sicheres Trennen einer elektrischen Verbindung nicht mehr möglich, so kann über ein solches Schaltelement an für einen Menschen zugänglichen Stellen eine gefährliche elektrische Spannung anliegen.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und ein Konzept für eine einfache, sichere und zuverlässige Überprüfung von Schaltelementen in einem elektrischen Stromrichter bereitzustellen. Insbesondere ist es dabei eine Idee der vorliegenden Erfindung, die Überprüfung der Schaltelemente mit möglichst geringem Aufwand, vorzugsweise mit bereits vorhandenen Komponenten durchführen zu können.
Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, an den zu überprüfenden Schaltelementen nacheinander verschiedene Schaltzustände einzustellen und dabei die resultierenden elektrischen Spannungen an den Schaltelementen auszuwerten. Zusätzlich kann durch den elektrischen Stromrichter eine niedrige, für einen Menschen ungefährliche elektrische Spannung bereitgestellt werden, welche ebenfalls dazu genutzt werden kann, die sich während den Schaltvorgängen an den zu überprüfenden Schaltelementen einstellenden Spannungen zu analysieren. Auf diese Weise kann sowohl ein korrektes Öffnen als auch ein korrektes Schließen der zu überprüfenden Schaltelemente auf einfache, kostengünstige Weise sicher und zuverlässig ausgeführt werden.
Bei den zu überprüfenden Schaltelementen kann es sich um mechanische Schaltelemente wie beispielsweise Relais, Schütze oder Ähnliches handeln. Darüber hinaus kann es sich bei den zu überprüfenden Schaltelementen auch um Halbleiterschaltelemente wie zum Beispiel MOSFET oder bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate-Anschluss (IGBT) handeln. Insbesondere kann es sich bei den zu überprüfenden Schaltelementen um eine Serienschaltung aus zwei Schaltelementen handeln, welche in einem sogenannten Inverter- Konverter zwischen einem Anschlusspunkt eines Ladeanschlusses und einem Motoranschlusspunkt einer elektrischen Maschine vorgesehen sein können. Bei dem Ladeanschluss kann es sich dabei um einen Anschluss handeln, welcher mit einer externen Gleichspannungs-Ladestation für ein Elektrofahrzeug gekoppelt werden kann. Dabei kann der elektrische Stromrichter einen Betriebsmodus aufweisen, bei welchem eine am Ladeanschluss bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine weitere Gleichspannung konvertiert werden kann, die an dem Gleichspannungsanschluss des Stromrichters zum Aufladen einer Batterie bereitgestellt werden kann. Durch die Überprüfung der korrekten Funktion der Schaltelemente kann somit gewährleistet werden, dass bei geöffneten Schaltelementen zuverlässig keine gefährliche elektrische Spannung an dem Ladeanschluss anliegt. Somit kann unter anderem auch eine Gefährdung von Personen bei einer Berührung des Ladeanschlusses vermieden werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Stromrichter dazu ausgelegt, unter Verwendung einer an dem Motoranschluss und dem weiteren Anschlusspunkt angeschlossenen elektrischen Maschine an dem weiteren Anschlusspunkt eine vorbestimmte elektrische Spannung bereitzustellen. Bei dieser bereitgestellten Spannung kann es sich insbesondere um eine geringe elektrische Spannung mit einer Spannungshöhe von maximal 60 Volt, maximal 48 Volt oder Ähnlichem handeln. Insbesondere kann diese elektrische Spannung beispielsweise durch das Betreiben der Wechselrichterschaltung in Kombination mit der angeschlossenen elektrischen Maschine in einem Tiefsetzsteller-Modus generiert werden. Hierbei kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, das Bereitstellen der vorbestimmten elektrischen Spannung durch die Wechselrichterschaltung zu steuern. Ferner kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, die Funktionsfähigkeit der zu überprüfenden Schaltelemente unter Verwendung der bereitgestellten elektrischen Spannung zu überprüfen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, zur Überprüfung des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements an dem ersten Schaltelement und dem zweiten Schaltelement nacheinander vorbestimmte Schaltzustände einzustellen und dabei die an dem weiteren Anschlusspunkt bereitgestellte elektrische Spannung zu steuern. Hierbei können die an den Schaltelementen sich einstellenden elektrischen Spannungen mit vorgegebenen Grenzwerten bzw. Schwellwerten verglichen werden, um auf die korrekte Funktionsfähigkeit der Schaltelemente zu schließen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin einen Schritt zum Schließen des zweiten Schaltelements und zum Bereitstellen einer vorbestimmten elektrischen Spannung an dem weiteren Anschlusspunkt des Stromrichters. Die vorbestimmte elektrische Spannung kann hierbei insbesondere mittels des elektrischen Stromrichters, beispielsweise in einem Tiefsetzsteller-Modus bereitgestellt werden. Daraufhin kann das Verfahren eine Fehlfunktion des zweiten Schaltelements detektieren, falls eine elektrische Spannung an dem Knotenpunkt zwischen dem ersten Schaltelement und dem zweiten Schaltelement von dem Wert der an dem weiteren Anschlusspunkt bereitgestellten elektrischen Spannung abweicht. Auf diese Weise kann überprüft werden, ob das zweite Schaltelement korrekt geschlossen werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren anschließend einen Schritt zum Detektieren einer Fehlfunktion des ersten Schaltelements, falls eine elektrische Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt des Ladeanschlusses einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, wenn das erste Schaltelement noch geöffnet ist und bei geschlossenem zweiten Schaltelement an dem weiteren Anschlusspunkt die vorbestimmte elektrische Spannung von dem elektrischen Stromrichter bereitgestellt wird. Auf diese Weise kann überprüft werden, ob das erste Schaltelement korrekt geöffnet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren anschließend einen Schritt zum Schließen des ersten Schaltelements. Daraufhin kann eine Fehlfunktion detektiert werden, falls die elektrische Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt des Ladeanschlusses von einem Wert der an dem weiteren Anschlusspunkt bereitgestellten elektrischen Spannung abweicht. Bei dieser Konfiguration sind sowohl das erste Schaltelement als auch das zweite Schaltelement geschlossen und an dem weiteren Anschlusspunkt liegt die vorbestimmte Spannung an. Somit kann überprüft werden, ob das erste Schaltelement korrekt geschlossen werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren anschließend einen Schritt zum Öffnen des ersten Schaltelements. Daraufhin kann eine Fehlfunktion des ersten Schaltelements detektiert werden, falls eine Differenz zwischen einer elektrischen Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt des Ladeanschlusses und einer elektrischen Spannung an dem Knotenpunkt zwischen den beiden Schaltelementen einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet. Alternativ kann eine Fehlfunktion des ersten Schaltelements detektiert werden, falls der Wert einer elektrischen Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt des Ladeanschlusses einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Hierdurch kann überprüft werden, ob das erste Schaltelement korrekt geöffnet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren anschließend einen Schritt zum Öffnen des zweiten Schaltelements. Daraufhin kann eine Fehlfunktion des zweiten Schaltelements detektiert werden, falls die elektrische Spannung an Knotenpunkt zwischen dem ersten Schaltelement und dem zweiten Schaltelement nicht mit einer vorbestimmten Zeitkonstante abfällt. Bei der vorbestimmten Zeitkonstante kann es sich insbesondere um die Zeitkonstante für die Entladung des Kondensators zwischen dem ersten Anschlusspunkt des Ladeanschlusses und dem Knotenpunkt zwischen dem ersten und zweiten Schaltelement handeln. Neben der parasitären Selbstentladung des Kondensators kann parallel zu dem Kondensator ein zusätzlicher diskreter Widerstand vorgesehen sein, um im abgeschalteten Zustand den Kondensator innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne auf einen ungefährlichen Spannungswert zu entladen. Hierbei kann überprüft werden, ob bei geöffnetem ersten und zweiten Schaltelement ein mittels der am weiteren Anschlusspunkt bereitgestellten elektrischen Spannung aufgeladener Kondensator sich mit der vorgegebenen Zeitkonstante entlädt. Auf diese Weise kann ein korrektes Öffnen des zweiten Schaltelements überprüft werden.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines elektrischen Antriebs- und Ladesystems mit einem elektrischen Stromrichter gemäß einer Ausführungsform; und
Fig. 2: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Überprüfung von Schaltelementen in einem elektrischen Stromrichter gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines elektrischen Antriebs- und Ladesystems mit einem elektrischen Stromrichter 1 gemäß einer Ausführungsform. Der elektrische Stromrichter 1 umfasst einen Gleichspannungsanschluss 10. An diesem Gleichspannungsanschluss 10 kann zwischen einem negativen Anschlusspunkt 11 und einem positiven Anschlusspunkt 12 ein elektrischer Energiespeicher wie beispielsweise eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs angeschlossen werden. Weiterhin umfasst der elektrische Stromrichter 1 einen Motoranschluss 20. Die Anschlusspunkte 21 , 22 und 23 des Motoranschlusses 20 können mit korrespondierenden Phasenanschlüssen einer elektrischen Maschine 2 verbunden werden. Zwischen dem Eingangsanschluss 10 und dem Motoranschluss 20 ist eine Wechselrichterschaltung 50 mit mehreren Halbbrücken angeordnet. Da derartige Wechselrichterschaltungen 50 mit Halbbrücken als bekannt angesehen werden, wird auf eine nähergehende Erläuterung hierbei verzichtet.
Weiterhin umfasst der elektrische Stromrichter 1 einen Ladeanschluss 30. Ein erster Anschlusspunkt 31 des Ladeanschlusses 30 ist mit dem negativen Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses 10 verbunden. Zwischen einem zweiten Anschlusspunkt 32 des Ladeanschlusses 30 und einem weiteren Anschlusspunkt 40 des Stromrichters 1 ist eine Serienschaltung aus einem ersten Schaltelement K1 und einem zweiten Schaltelement K2 vorgesehen. Das erste Schaltelement K1 und das zweite Schaltelement K2 sind dabei an einem Knotenpunkt K miteinander verbunden. Zwischen dem ersten Anschlusspunkt 31 des Ladeanschlusses 30 und dem Knotenpunkt K ist ein Kondensator C vorgesehen.
Ferner kann ein erster Spannungssensor V1 vorgesehen sein, welcher eine elektrische Spannung an dem Knotenpunkt K erfasst. Ein zweiter Spannungssensor V2 kann eine elektrische Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt 32 des Ladeanschlusses erfassen.
Die von dem ersten und zweiten Spannungssensor V1 , V2 erfassten Spannungswerte können einer Steuereinrichtung 90 bereitgestellt werden. Die Steuereinrichtung 90 kann darüber hinaus die beiden Schaltelemente K1 und K2 sowie die Halbleiterschaltelemente in der Wechselrichterschaltung 50 ansteuern.
Ferner ist ein Motoranschlusspunkt 2a der elektrischen Maschine 2 mit dem weiteren Anschlusspunkt 40 des Stromrichters 1 verbunden. Wie oben beschrieben, kann der Motoranschlusspunkt als Sternpunkt, wie dargestellt, oder als ein Phasenanschlusspunkt ausgeführt sein.
Eine solche Schaltungsanordnung kann als sogenannter Inverter- Konverter betrieben werden. Hierbei kann in einem ersten Betriebsmodus eine am Gleichspannungsanschluss 10 bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung konvertiert werden, die dazu geeignet ist, die elektrische Maschine 2 anzusteuern. Ferner kann in einem weiteren Betriebsmodus eine am Ladeanschluss 30 bereitgestellte Gleichspannung in eine weitere Gleichspannung konvertiert werden und am Gleichspannungsanschluss 10 bereitgestellt werden, um eine am Gleichspannungsanschluss 10 angeschlossene Batterie, beispielsweise die Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs aufzuladen.
In dem ersten Betriebsmodus, bei welchem die elektrische Maschine 2 unter Verwendung der am Gleichspannungsanschluss 10 bereitgestellten Gleichspannung angesteuert wird, sind das erste Schaltelement K1 und das zweite Schaltelement K2 geöffnet
Zum Aufladen der am Gleichspannungsanschluss 10 angeschlossenen Batterie mittels der am Ladeanschluss 30 bereitgestellten Gleichspannung sind das erste Schaltelement K1 und das zweite Schaltelement K2 geschlossen. Gegebenenfalls kann während des Aufladens der Traktionsbatterie am Gleichspannungsanschluss 10 auch eines der beiden Schaltelemente K1 , K2, insbesondere das zweite Schaltelement K2 getaktet werden, das heißt es erfolgt ein abwechselndes Öffnen und Schließen dieses Schaltelements K2.
Um eine sichere Funktion des ersten und zweiten Schaltelements K1 , K2 zu überprüfen, kann die Steuereinrichtung 90 an dem ersten Schaltelement K1 und dem zweiten Schaltelement K2 nacheinander vorbestimmte Schaltzustände einstellen und dabei die resultierenden elektrischen Spannungen, die durch den ersten Spannungssensor V1 und den zweiten Spannungssensor V2 erfasst werden, analysieren. Ferner kann mittels des Wechselrichters 1 und der am Motoranschluss angeschlossenen elektrischen Maschine 2 an dem weiteren Anschlusspunkt 40 auch eine vorbestimmte, vorzugsweise für einen Menschen ungefährliche elektrische Spannung bereitgestellt werden. Eine mögliche Abfolge zur Überprüfung der korrekten Funktion des ersten und zweiten Schaltelements K1 , K2 wird in Zusammenhang mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren erläutert.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Überprüfen von Schaltelementen K1 , K2 in einem elektrischen Stromrichter 1 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegen kann. Bei dem elektrischen Stromrichter 1 kann es sich insbesondere um den zuvor bereits in Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen elektrischen Stromrichter 1 handeln.
Zunächst wird in Schritt 100 in der Wechselrichterschaltung 50 ein Freilaufzustand eingestellt Anschließend werden in Schritt 110 sowohl das erste Schaltelement K1 als auch das zweite Schaltelement K2 geöffnet Liegt daraufhin die elektrische Spannung an dem Knotenpunkt K zwischen dem ersten Schaltelement K1 und dem zweiten Schaltelement K2 unter einem vorgegebenen Schwellwert bzw. ist annähernd 0 Volt, so wird von einer korrekten Funktion, insbesondere einem korrekten Öffnen des zweiten Schaltelements K2 ausgegangen. Überschreitet die elektrische Spannung an dem Knotenpunkt K dagegen den vorbestimmten Schwellwert, so ist in Schritt 120 von einer Fehlfunktion eines Schaltelements K1 , K2 auszugehen.
Anschließend wird in Schritt 200 das zweite Schaltelement K2 geschlossen. Daraufhin kann in Schritt 210 mittels des elektrischen Stromrichters 1 in Zusammenspiel mit der angeschlossenen elektrischen Maschine 2 an dem Motoranschlusspunkt 2a der elektrischen Maschine 2 und somit an dem weiteren Anschlusspunkt 40 des Stromrichters eine vorbestimmte elektrische Spannung bereitgestellt werden. Hierbei wird das System aus elektrischem Stromrichter 1 und elektrischer Maschine 2 in Form eines Tiefsetzstellers betrieben, um eine für einen Menschen ungefährliche elektrische Spannung unterhalb von 60 Volt, vorzugsweise unterhalb von 48 Volt an dem weiteren Anschlusspunkt 40 bereitzustellen. Daraufhin wird die elektrische Spannung an dem Knotenpunkt K zwischen dem ersten Schaltelement K1 und dem zweiten Schaltelement K2 überprüft. Entspricht die elektrische Spannung an dem Knotenpunkt K zumindest annähernd der bereitgestellten vorbestimmten elektrischen Spannung, so ist das zweite Schaltelement K2 korrekt geschlossen. Andernfalls wird in Schritt 220 eine Fehlfunktion des zweiten Schaltelements detektiert.
Daraufhin kann in Schritt 300 die elektrische Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt 32 des Ladeanschlusses 30 überprüft werden. Überschreitet die elektrische Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt 32 des Ladeanschlusses 30 einen vorbestimmten Schwellwert oder liegt die elektrische Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt 32 des Ladeanschlusses 30 gar im Bereich der am weiteren Anschlusspunkt 40 bereitgestellten vorbestimmten elektrischen Spannung, so deutet dies auf ein nicht korrekt geöffnetes erstes Schaltelement K1 hin. Unterschreitet die elektrische Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt 32 des Ladeanschlusses 30 dagegen einen vorbestimmten Schwellwert und liegt bei annähernd 0 Volt, so ist das erste Schaltelement K1 korrekt geöffnet.
Anschließend wird in Schritt 400 das erste Schaltelement K1 geöffnet. Daraufhin wird die elektrische Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt 32 des Ladeanschlusses 30 überprüft. Entspricht die elektrische Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt 32 des Ladeanschlusses 30 dabei zumindest annähernd der bereitgestellten vorbestimmten elektrischen Spannung, so ist das erste Schaltelement K1 korrekt geschlossen. Andernfalls wird in Schritt 410 eine Fehlfunktion des ersten Schaltelements K1 detektiert.
Anschließend wird in Schritt 500 das erste Schaltelement K1 geöffnet. Daraufhin wird in Schritt 510 eine Differenz zwischen der elektrischen Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt 32 des Ladeanschlusses 30 und einer elektrischen Spannung am Knotenpunkt K zwischen dem ersten Schaltelement K1 und dem zweiten Schaltelement K2 überprüft. Unterschreitet diese Spannungsdifferenz einen vorbestimmten Wert, so deutet dies auf eine Fehlfunktion des ersten Schaltelements K1 hin. Alternativ kann eine Fehlfunktion des ersten Schaltelements K1 auch detektiert werden, wenn der Wert der elektrischen Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt 32 des Ladeanschlusses 30 einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, insbesondere wenn die elektrische Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt 32 des Ladeanschlusses 30 signifikant größer als 0 Volt ist.
Schließlich wird in Schritt 600 das zweite Schaltelement K2 geöffnet. Daraufhin kann in Schritt 610 eine Fehlfunktion des zweiten Schaltelements K2 detektiert werden, falls die elektrische Spannung an dem Knotenpunkt K zwischen dem ersten Schaltelement K1 und dem zweiten Schaltelement K2 nicht mit einer vorbestimmten Zeitkonstante abfällt.
Nachdem alle diese Schritte zur Überprüfung der Schaltelemente K1 und K2 durchlaufen sind, kann eine korrekte Funktion der beiden Schaltelemente K1 , K2 diagnostiziert werden, falls zuvor keine Fehlfunktion detektiert worden ist In diesem Fall kann die Funktion des Stromrichters 1 freigegeben werden. Insbesondere kann nach der Überprüfung ein Aufladen einer am Gleichspannungsanschluss 10 angeschlossenen Traktionsbatterie mittels einer am Ladeanschluss 30 bereitgestellten elektrischen Gleichspannung erfolgen.
Alternativ zu den letztgenannten Schritten 600, 610 für das Überprüfen des korrekten Öffnens des zweiten Schaltelements K2 kann auch das Bereitstellen der vorbestimmten Spannung am weiteren Anschlusspunkt 40 durch den elektrischen Stromrichter 1 gestoppt werden. Daraufhin werden in der Wechselrichterschaltung 50 alle Halbleiterschaltelemente bis auf ein unteres Halbleiterschaltelement geöffnet. Somit kann durch dieses geschlossene untere Halbleiterschaltelement der Kondensator C zwischen dem Knotenpunkt K und dem ersten Anschlusspunkt 31 des Ladeanschlusses 30 entladen werden. Anschließend wird das geschlossene untere Halbleiterschaltelement in der Wechselrichterschaltung 50 ebenfalls geöffnet und ein oberes Halbleiterschaltelement in der Wechselrichterschaltung 50 geschlossen. Daraufhin kann überprüft werden, ob an dem Knotenpunkt K zwischen dem ersten Schaltelement K1 und dem zweiten Schaltelement K2 zumindest annähernd die elektrische Spannung von dem positiven Anschlusspunkt 12 des Gleichspannungsanschlusses 10 anliegt. Andernfalls konnte das zweite Schaltelement K2 nicht korrekt geschlossen werden.
In noch einer alternativen Ausführungsform kann für den letzten Schritt 600 zunächst das zweite Schaltelement K2 geöffnet werden. Anschließend wird das Bereitstellen der vorbestimmten Spannung an dem weiteren Anschlusspunkt 40 gestoppt und in der Wechselrichterschaltung 50 werden alle Halbleiterschaltelemente bis auf ein oberes Halbleiterschaltelement geöffnet. Daraufhin kann die elektrische Spannung an dem Knotenpunkt K überprüft werden. Liegt an dem Knotenpunkt K eine elektrische Spannung an, die zumindest annähernd der elektrischen Spannung an dem positiven Anschlusspunkt 12 des Gleichspannungsanschlusses 10 entspricht, so ist das zweite Schaltelement K2 nicht korrekt geöffnet. Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung das Überprüfen von Schaltelementen in einem elektrischen Stromrichter, insbesondere einem elektrischen Stromrichter, der als Inverter- Konverter genutzt werden kann. Hierzu wird vorgeschlagen, mittels des elektrischen Stromrichters in einem Tiefsetzsteller-Betrieb eine für einen Menschen ungefährliche elektrische
Spannung zu generieren und daraufhin an den zu überprüfenden Schaltelementen nacheinander verschiedene Schaltzustände einzustellen und die elektrischen Spannungen an den Schaltelementen zu analysieren.

Claims

1. Elektrischer Stromrichter (1), mit einem Gleichspannungsanschluss (10) mit einem positiven Anschlusspunkt (12) und einem negativen Anschlusspunkt (11), wobei der Gleichspannungsanschluss (10) dazu ausgelegt ist, mit einem elektrischen Energiespeicher gekoppelt zu werden; einem Motoranschluss (20), der dazu ausgelegt ist, mit einer elektrischen Maschine (2) gekoppelt zu werden; einer Wechselrichterschaltung (50), mit mehreren Halbbrücken, wobei die Wechselrichterschaltung (50) an einer Gleichspannungsschnittstelle mit dem Gleichspannungsanschluss (10) verbunden ist und an einer Wechselspannungsschnittstelle mit dem Motoranschluss (20) verbunden ist; einem Ladeanschluss (30), der dazu ausgelegt ist, mit einer Gleichspannungs- Ladestation für ein Elektrofahrzeug gekoppelt zu werden, wobei ein erster Anschlusspunkt (31) des Ladeanschlusses (30) elektrisch mit dem negativen Anschlusspunkt (11) des Gleichspannungsanschlusses (10) gekoppelt ist; einem weiteren Anschlusspunkt (40), der dazu ausgelegt ist, mit einem Motoranschlusspunkt (2a) der elektrischen Maschine (2) gekoppelt zu werden; einem ersten Schaltelement (K1), das zwischen einem zweiten Anschlusspunkt (32) des Ladeanschlusses (30) und einem Knotenpunkt (K) angeordnet ist; einem zweiten Schaltelement (K2), das zwischen dem Knotenpunkt (K) und dem weiteren Anschlusspunkt (40) angeordnet ist; einem Kondensator (C), der zwischen dem ersten Anschlusspunkt (31) des Ladeanschlusses (30) und dem Knotenpunkt (K) angeordnet ist; einem ersten Spannungssensor (V1), der dazu ausgelegt ist, eine elektrische Spannung an dem Knotenpunkt (K) zwischen dem ersten Schaltelement (K1) und dem zweiten Schaltelement (K2) zu erfassen; einem zweiten Spannungssensor (V2), der dazu ausgelegt ist, eine elektrische Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt (32) des Ladeanschlusses (30) zu erfassen; und einer Steuereinrichtung (90), die dazu ausgelegt ist, eine Funktionsfähigkeit des ersten Schaltelements (K1) und des zweiten Schaltelements (K2) unter Verwendung der Messwerte vor dem ersten Spannungssensor (V1) und dem zweiten Spannungssensor (V2) zu überprüfen.
2. Elektrischer Stromrichter (1) nach Anspruch 1 , wobei der elektrische Stromrichter (1) dazu ausgelegt ist, unter Verwendung einer an dem Motoranschluss (30) und dem weiteren Anschlusspunkt (40) angeschlossenen elektrischen Maschine (2) an dem weiteren Anschlusspunkt (40) eine vorbestimmte elektrische Spannung bereitzustellen, und wobei die Steuereinrichtung (90) dazu ausgelegt ist, das Bereitstellen der vorbestimmten elektrischen Spannung zu steuern.
3. Elektrischer Stromrichter (1) nach Anspruch nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung (90) dazu ausgelegt ist, zur Überprüfung des ersten Schaltelements (K1) und des zweiten Schaltelements (K2) an dem ersten Schaltelement (K1) und dem zweiten Schaltelement (K2) nacheinander vorbestimmte Schaltzustände einzustellen und dabei die an dem weiteren Anschlusspunkt (40) bereitgestellte elektrische Spannung zu steuern.
4. Elektrisches Antriebs- und Ladesystem, mit eine elektrische Maschine (2); und einem elektrischen Stromrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Phasenanschlüsse elektrischen Maschine (2) mit korrespondierenden Anschlusspunkten (21 , 22, 23) des Motoranschlusses (20) des elektrischen Stromrichters (1) verbunden sind, und wobei ein Motoranschlusspunkt (2a) der elektrischen Maschine (2) mit dem weiteren Anschlusspunkt (40) des elektrischen Stromrichters (1) verbunden ist.
5. Verfahren zur Überprüfung von Schaltelementen in einem elektrischen Stromrichter (1) nach Anspruch 1 unter Verwendung einer an dem Motoranschluss (20) und dem weiteren Anschlusspunkt (40) angeschlossenen elektrischen Maschine (2), mit den Schritten:
Einstellen (100) eines Freilaufzustandes in der Wechselrichterschaltung (50) des elektrischen Stromrichters (1);
Öffnen (110) des ersten Schaltelements (K1) und des zweiten Schaltelements (K2);
Detektieren (120) einer Fehlfunktion des zweiten Schaltelements (K2), falls eine elektrische Spannung an dem Knotenpunkt (K) zwischen dem ersten Schaltelement (K1) und dem zweiten Schaltelement (K2) einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verfahren anschließend die folgenden Schritte umfasst:
Schließen (200) des zweiten Schaltelements (K2);
Bereitstellen (210) einer vorbestimmten elektrischen Spannung an dem weiteren Anschlusspunkt (40) des Stromrichters (1) mittels des elektrischen Stromrichters (1);
Detektieren (220) einer Fehlfunktion des zweiten Schaltelements (K2), falls eine elektrische Spannung an dem Knotenpunkt (K) zwischen dem ersten Schaltelement (K1) und dem zweiten Schaltelement (K2) von dem Wert der an dem weiteren Anschlusspunkt (40) bereitgestellten elektrischen Spannung abweicht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verfahren anschließend die folgenden Schritte umfasst:
Detektieren (300) einer Fehlfunktion des ersten Schaltelements (K1), falls eine elektrische Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt (32) des Ladeanschlusses (30) einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verfahren anschließend die folgenden Schritte umfasst:
Schließen (400) des ersten Schaltelements (K1);
Detektieren (410) einer Fehlfunktion, falls die elektrische Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt (32) des Ladeanschlusses (30) von einem Wert der an dem weiteren Anschlusspunkt (40) bereitgestellten elektrischen Spannung abweicht.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verfahren anschließend die folgenden Schritte umfasst:
Öffnen (500) des ersten Schaltelements (K1);
Detektieren (510) einer Fehlfunktion des ersten Schaltelements (K1), falls eine Differenz zwischen einer elektrischen Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt (32) des Ladeanschlusses (30) und einer elektrischen Spannung an dem Knotenpunkt (K) einen vorbestimmten Wert unterschreitet oder der Wert einer elektrischen Spannung an dem zweiten Anschlusspunkt (32) des Ladeanschlusses (30) einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren anschließend die folgenden Schritte umfasst:
Öffnen (600) des zweiten Schaltelements (K2); Detektieren (610) einer Fehlfunktion des zweiten Schaltelement (K 2), falls die elektrische Spannung an dem Kontenpunkt (K) zwischen dem ersten Schaltelement (K1) und dem zweiten Schaltelement (K2) nicht mit einer vorbestimmten Zeitkonstante abfällt.
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