WO2005081384A2 - Vorrichtung und verfahren zum regeln einer taktfrequenz eines stromrichters - Google Patents

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WO2005081384A2
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Jürgen RACKLES
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/36—Means for starting or stopping converters

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for regulating a clock frequency of a converter of an electrical circuit.
  • a device of the type mentioned is used, for example, in drive technology as an integrated starter / generator (ISG).
  • the converter is, for example, a converter fed with DC voltage, which is used for the electrical control of an electric motor and / or a generator. Together with a charge source and other electrical components, the converter and the electric motor and / or the generator form an electrical circuit.
  • the converter is operated, for example, with pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • the converter has a control unit for the power semiconductor components of the circuit breakers.
  • the control unit is usually designed in such a way that power semiconductor components of the circuit breakers are operated at a predetermined clock frequency.
  • the intermediate circuit capacitor serves to compensate for the reactive power that occurs in the circuit.
  • the intermediate circuit capacitor is intended to reduce a voltage ripple in the intermediate circuit voltage that occurs at the intermediate circuit. The voltage ripple results from the Superimposition of DC voltage and AC voltage (ripple voltage).
  • an electrolytic capacitor is used as the intermediate circuit capacitor.
  • the voltage ripple plays only a minor role.
  • the decisive factor in this type of capacitor is an alternating current (ripple current) that occurs during conversion, which leads to electrical losses in the electrolytic capacitor and thus to the heating of the electrolytic capacitor. The warming of the
  • the electrolytic capacitor results in a shortened service life of the electrolytic capacitor.
  • a metal foil capacitor is used as an alternative to the electrolytic capacitor. With this type
  • Capacitor must take into account the voltage ripple.
  • the voltage ripple plays a role in particular if the charge source, for example a battery, has a low clamping voltage. Due to the low clamping voltage, the intermediate circuit has a low
  • the object of the present invention is to design a circuit with a converter such that an electrical power required for the operation of the component can be made available to a component of the circuit regardless of the operating state of the circuit.
  • a device for regulating a clock frequency of a converter of an electrical circuit is specified, with a means for detecting at least one state variable of the circuit and / or at least one state variable of an environment of the
  • Circuit and a means for adjusting the clock frequency of the converter based on the detected state size are provided.
  • the converter can be a rectifier, inverter or converter.
  • the converter is preferably a converter supplied with direct current with an intermediate circuit.
  • a converter with an intermediate circuit is preferably used which has an intermediate circuit capacitor selected from the group consisting of an electrolytic capacitor and / or a metal foil capacitor.
  • a circuit is used with an electrical machine (induction machine) selected from the group of an electric motor and / or generator, which is controlled with the aid of the converter.
  • the clock frequency with which the power switches of the converter are controlled is controlled to the respective (operating) state of the circuit.
  • the state of the circuit is determined by detecting one or more states of the components of the circuit.
  • the efficiency of the electrical circuit is influenced in a targeted manner by regulating the clock frequency. Due to the frequency dependence of the components of the circuit (load, Supply lines, filters, ...) also change the amplitudes of the output current and the current in the intermediate circuit. When the clock frequency is varied, adjustment is made to an operating point of the output current.
  • the state variable of the circuit is a clamping voltage of a battery of the circuit.
  • the state size "clamping voltage of the battery” is determined.
  • the clock frequency with which the converter is controlled is set.
  • the intermediate circuit capacitor is a metal foil capacitor.
  • Battery of the circuit have a relatively low clamping voltage. As described above, with a relatively low clamping voltage of the battery in connection with metal foil capacitors, the voltage ripple of the intermediate circuit can reach such dimensions that the
  • the clock frequency is increased due to the state variable "clamping voltage of the battery".
  • the voltage ripple can be reduced by increasing the clock frequency, so that the converter provides the electric motor with sufficient power even when starting.
  • the battery is charged while the circuit is operating.
  • the clamping voltage on the battery increases.
  • the increased clamping voltage on the battery leads to a reduced relative change in voltage.
  • the mean tension value is increased.
  • the clock frequency can be reduced with the increased voltage mean value.
  • the clock frequency is adapted to the operating state of the circuit.
  • the reduction in the clock frequency also includes the advantage that the
  • the state size of the circuit is a required power of the circuit.
  • other components electrical consumers
  • the intermediate circuit of the converter may have a lower voltage. Due to the lower voltage, the clock frequency for the power semiconductor components must then be increased in order to ensure the power required for the electric motor.
  • a thermal state variable of the circuit and / or the environment of the circuit is recorded.
  • the thermal state size of the environment is an ambient temperature.
  • the thermal state quantity of the circuit is a temperature of a component of the circuit. The detection of the temperature is particularly advantageous in the case that as
  • electrolytic capacitor an electrolytic capacitor is used.
  • electrolytic capacitors are used due to their high achievable capacitance density.
  • electrolytic capacitors occur in comparison to others
  • Capacitor structures have high power losses.
  • the temperature of the electrolytic capacitor is increased during operation due to the power losses. As a result of the temperature increase, the service life of the electrolytic capacitor can be reduced. It is therefore advantageous to control the temperature of the electrolytic capacitor or the temperature of the immediate vicinity of the electrolytic capacitor and, if necessary, to initiate measures against an undesirable increase in temperature.
  • the lower the certain temperature the more loss load and thus power loss can be expected of the electrolytic capacitor without lasting impairment of its service life.
  • the power semiconductor components can In contrast, if a critical temperature is exceeded, the power dissipation in the electrolytic capacitor is reduced by lowering the clock frequency, and the electrolytic capacitor heats up less strongly.
  • the device and the method are used in drive technology.
  • a circuit of a motor vehicle is preferably used.
  • the circuit is an electrical system of a motor vehicle or a component of the electrical system.
  • the clock frequency By varying the clock frequency with which the power semiconductor components of the circuit breakers of a converter in a circuit are controlled, a power which is matched to the operating state of the circuit can be provided in a targeted manner.
  • the clock frequency is optimized with regard to electrical and thermal state variables. Due to the variable clock frequency, an intermediate circuit capacitor can be used which has a lower capacitance than conventional intermediate circuit capacitors. With such an intermediate circuit capacitor, the clock frequency is increased in the event of an increased power requirement. In the event of a lower power requirement, the clock frequency is reduced.
  • the invention in comparison to known solutions of lower capacitance of the intermediate circuit capacitor, leads to smaller, lighter and less expensive configurations of the converter.
  • the voltage ripple is specifically influenced by the adjustment of the clock frequency and matched to the power required in the circuit.
  • Controlling the clock frequency of the converter requires little additional electronics.
  • the clock frequency can be adjusted with the aid of a microcontroller that is usually used.
  • the means required for measuring the electrical state variables (current, voltage, power, state of charge of the battery, ...) and the mechanical state variables (temperature, torque, ...) and for processing the recorded state variables can be used in the application a known vehicle electrical system management system can be used in a motor vehicle.
  • the invention is explained in more detail below with the aid of several exemplary embodiments and the associated figures.
  • the figures are schematic and do not represent true-to-scale illustrations.
  • Figures 1 and 2 show a method for regulating a clock frequency of a converter of an electrical circuit.
  • Figure 3 shows an equivalent circuit diagram of a circuit with converter, voltage source and electric motor.
  • the vehicle electrical system forms a circuit 2, which consists of various components.
  • the circuit 2 has a voltage source for DC voltage in the form of a battery 7, a converter 3 and an electrical machine 6 in the form of an electric motor.
  • the converter 3 is a converter that is operated with pulse width modulation:
  • the converter 3 has, in addition to power switches 8, which are composed of power semiconductor components 9, and an intermediate circuit 4, a control device 10 for controlling the power semiconductor components 9 of the power switches 8.
  • the line semiconductor devices 9 MOSFETs are IGBTs or tyristors.
  • the intermediate circuit 4 has an intermediate circuit capacitor 5.
  • a state variable of the circuit 2 is determined in a first step with the aid of a means 11 for detecting the state variable (FIG. 2, step 201).
  • the clock frequency of the control device 10, with which the Power semiconductor components 9 of the circuit breaker 8 are controlled ( Figure 2, step 202).
  • the intermediate circuit capacitor 5 is a
  • the state variable to be determined is the clamping voltage of the battery 7, that is to say its state of charge.
  • a voltage measuring device which is integrated in the on-board electrical system management system, functions as means 11 for detecting the state variable "clamping voltage of the battery”.
  • the clamping voltage of the battery 7 is so low that the voltage ripple of the intermediate circuit voltage cannot be neglected.
  • the clock frequency is increased on the basis of the detected clamping voltage.
  • the clock frequency is reduced again. The end of the start phase is detected, for example, by the change in the temperature of the electric motor 6 or the environment 13 of the circuit 2. It will determine the state-large "temperature” and reduce the clock frequency on the basis of temperature.
  • the intermediate circuit capacitor 5 is an electrolytic capacitor.
  • the state variable to be recorded is the temperature of the electrolytic capacitor.
  • the power semiconductor components 9 can be driven with relatively high clock frequencies, taking into account their switching losses. If the temperature of the electrolytic capacitor rises above a critical temperature, the clock frequency is reduced due to the detected temperature.

Abstract

Der Stromrichter (3) ist beispielsweise ein mit Gleichspannung gespeister Umrichter, der zur elektrischen Ansteuerung einer elektrischen Maschine (6) in Form eines Elektromotors oder eines Generators verwendet wird. Zusammen mit einer Ladungsquelle (7) und weiteren elektrischen Komponenten bilden der Umrichter und die elektrische Maschine den elektrischen Stromkreis (2). Die Vorrichtung (1) verfügt über ein Mittel zum Erfassen mindestens einer Zustandsgröße des Stromkreises und/oder mindestens einer Zustandsgröße einer Umgebung (13) des Stromkreises und über ein Mittel zum Einstellen der Taktfreguenz des Stromrichters aufgrund der erfassten Zustandsgröße. Gemäß des Verfahrens werden folgende Verfahrens schritte durchgeführt: a) Erfassen mindestens einer Zustandsgröße (201) des Stromkreises und/oder mindestens einer Zustandsgröße einer Umgebung des Stromkreises (2) und b) Einstellen der Taktfrequenz (202) des Stromrichters (3) aufgrund der erfassten Zustandsgröße. Durch das Regeln der Taktfrequenz wird der Wirkungsgrad des elektrischen Stromkreises (2) gezielt beeinflusst. Die Vorrichtung und das Verfahren werden beispielsweise in der Antriebstechnik als integrierter Starter/Generator (ISG) eines Kraftfahrzeugs eingesetzt.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Regeln einer Taktfrequenz eines Stromrichters
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Regeln einer Taktfrequenz eines Stromrichters eines elektrischen Stromkreises.
Eine Vorrichtung der genannten Art wird beispielsweise in der Antriebstechnik als integrierter Starter/Generator (ISG) eingesetzt. Der Stromrichter ist beispielsweise ein mit Gleichspannung gespeister Umrichter, der zur elektrischen Ansteuerung eines Elektromotors und/oder eines Generators verwendet wird. Zusammen mit einer Ladungsquelle und weiteren elektrischen Komponenten bilden der Umrichter und der Elektromotor und/oder der Generator einen elektrischen Stromkreis .
Der Umrichter wird beispielsweise mit Pulsweitenmodulation (Puls Width Modulation, PWM) betrieben. Dazu weist der Umrichter neben Leistungsschaltern, die aus Leistungshalbleiterbauelementen zusammengesetzt sind, und einem Zwischenkreis ein Steuergerät für die Leistungshalbleiterbauelemente der Leistungsschalter auf. Üblicherweise ist das Steuergerät derart ausgelegt, dass Leistungshalbleiterbauelemente der Leistungsschalter mit einer fest vorgegebenen Taktfrequenz betrieben werden.
Eine wichtige Komponente des Zwischenkreises des Umrichters ist der sogenannte Zwischenkreiskondensator . Der Zwischenkreiskondensator dient einer Kompensation der im Stromkreis auftretenden Blindleistung. Darüber hinaus soll der Zwischenkreiskondensator eine am Zwischenkreis auftretende Spannungswelligkeit der Zwischenkreisspannung reduzieren. Die Spannungswelligkeit resultiert aus der Überlagerung von Gleichspannung und Wechselspannung (Ripple- Spannung) .
Als Zwischenkreiskondensator wird beispielsweise ein Elektrolytkondensator eingesetzt. Bei dieser Art Kondensator spielt die Spannungswelligkeit nur eine untergeordnete Rolle. Maßgeblich bei diesem Kondensatortyp ist ein beim Umrichten auftretender Wechselstrom (Ripple-Strom) , der zu elektrischen Verlusten im Elektrolytkondensator und damit zur Erwärmung des Elektrolytkondensators führt. Die Erwärmung des
Elektrolytkondensators hat eine verkürzte Lebensdauer des Elektrolytkondensators zur Folge.
Alternativ zum Elektrolytkondensator wird ein Metallfolienkondensator eingesetzt. Bei dieser Art
Kondensator uss die Spannungswelligkeit berücksichtigt werden. Die Spannungswelligkeit spielt insbesondere dann eine Rolle, wenn die Ladungsquelle, beispielsweise eine Batterie, eine niedrige Klemmspannung aufweist. Aufgrund der niedrigen Klemmspannung wird der Zwischenkreis mit einer niedrigen
Gleichspannung versorgt. Bei eine niedrigen Gleichspannung kommt es aufgrund der Spannungswelligkeit zu einer großen relativen Änderung der zur Verfügung stehenden Spannung. Ein Spannungsmittelwert ist deutlich abgesenkt. Dies kann dazu führen, dass dem Elektromotor (und weiteren Komponenten) des Stromkreises nicht genügend elektrische Leistung zur Verfügung gestellt wird. Dies kann insbesondere beim Startvorgang mit kaltem Elektromotor kritisch werden. Die benötigte elektrische Leistung hängt also sehr stark vom Betriebszustand des Stromkreises und seiner Komponenten ab.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stromkreis mit Stromrichter derart auszubilden, dass einer Komponente des Stromkreises unabhängig vom Betriebszustand des Stromkreises eine für den Betrieb der Komponente benötigte elektrische Leistung zur Verfügung gestellt werden kann. Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zum Regeln einer Taktfrequenz eines Stromrichters eines elektrischen Stromkreises angegeben, mit einem Mittel zum Erfassen mindestens einer Zustandsgroße des Stromkreises und/oder mindestens einer Zustandsgroße einer Umgebung des
Stromkreises und einem Mittel zum Einstellen der Taktfrequenz des Stromrichters aufgrund der erfassten Zustandsgroße.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch Verfahren zum Regeln der Taktfrequenz eines Stromrichters eines elektrischen
Stromkreises mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Erfassen mindestens einer Zustandsgroße des Stromkreises und/oder mindestens einer Zustandsgroße einer Umgebung des Stromkreises und b) Einstellen der Taktfrequenz des Stromrichters aufgrund der erfassten Zustandsgroße.
Der Stromrichter kann ein Gleichrichter, Wechselrichter oder Umrichter sein. Vorzugsweise ist der Stromrichter ein mit Gleichstrom gespeister Umrichter mit einem Zwischenkreis. Bevorzugt wird ein Stromrichter mit einem Zwischenkreis verwendet, der einen aus der Gruppe Elektrolytkondensator und/oder Metallfolienkondensator ausgewählten Zwischenkreiskondensator aufweist. Insbesondere wird ein Stromkreis mit einer aus der Gruppe Elektromotor und/oder Generator ausgewählten elektrischen Maschine (Drehfeldmaschine) verwendet, die mit Hilfe des Stromrichters angesteuert wird.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, die Taktfrequenz, mit der die Leistungsschalter des Stromrichters angesteuert werden, gezielt an den jeweiligen (Betriebs) Zustand des Stromkreises anzupassen. Der Zustand des Stromkreises wird durch das Erfassen eines Zustands oder mehrerer Zustände der Komponenten des Stromkreises ermittelt. Durch das Regeln der Taktfrequenz wird der Wirkungsgrad des elektrischen Stromkreises gezielt beeinflusst. Durch die Frequenzabhängigkeit der Komponenten des Stromkreises (Last, Zuleitungen, Filter,...) ändern sich auch die Amplituden des Ausgangsstroms und des Stroms im Zwischenkreis. Bei Variation der Taktfrequenz wird daher auf einen Arbeitspunkt des Ausgangsstroms nachgeregelt.
In einer besonderen Ausgestaltung ist die Zustandsgroße des Stromkreises eine Klemmspannung einer Batterie des Stromkreises. Es wird die Zustandsgroße "Klemmspannung der Batterie" bestimmt. In Abhängigkeit von der Klemmspannung (Ladungszustand der Batterie) wird die Taktfrequenz eingestellt, mit der der Stromrichter angesteuert wird.
Beispielsweise ist der Zwischenkreiskondensator ein Metallfolienkondensator. Beim Betriebsstart des Stromkreises, beispielsweise beim Starten des Elektromotors, kann an der
Batterie des Stromkreises eine relativ niedrige Klemmspannung anliegen. Wie oben beschrieben, kann bei einer relativ niedrigen Klemmspannung der Batterie in Verbindung mit Metallfolienkondensatoren die Spannungswelligkeit des Zwischenkreises solche Ausmaße annehmen, dass dem
Elektromotor nicht genügend Leistung zur Verfügung --steht . In dieser Situation wird aufgrund der erfassten Zustandsgroße "Klemmspannung der Batterie" die Taktfrequenz erhöht. Durch die Erhöhung der Taktfrequenz kann die Spannungswelligkeit verringert werden, so dass der Stromrichter dem Elektromotor auch beim Starten genügend Leistung zur Verfügung stellt. Während des Betriebs des Stromkreises wird die Batterie aufgeladen. Die Klemmspannung an der Batterie erhöht sich. Die erhöhte Klemmspannung an der Batterie führt zu einer verringerten relativen Änderung der Spannung. Der Spannungsmittelwert wird erhöht. Mit dem erhöhten Spannungsmittelwert kann die Taktfrequenz verringert werden. Die Taktfrequenz wird an den Betriebszustand des Stromkreises angepasst. Die Verringerung der Taktfrequenz beinhaltet im Übrigen auch den Vorteil, dass an den
Leistungshalbleiterbauelementen der Leistungsschalter geringere Schaltverluste auftreten. In einer weiteren Ausgestaltung ist die Zustandsgroße des Stromkreises eine benötigte Leistung des Stromkreises. Neben dem Elektromotor können weitere Komponenten (elektrische Verbraucher) mit einer entsprechend benötigten Leistung zugeschaltet sein. In Abhängigkeit von den zugeschalteten Komponenten und deren benötigter Leistung kann dem Zwischenkreis des Stromrichters eine geringere Spannung zur Verfügung stehen. Aufgrund der niedrigeren Spannung ist dann die Taktfrequenz für die Leistungshalbleiterbauelemente zu erhöhen, um die für den Elektromotor benötigte Leistung sicher zu stellen.
In einer weiteren Ausgestaltung wird eine thermische Zustandsgroße des Stromkreises und/oder der Umgebung des Stromkreises erfasst. Die thermische Zustandsgroße der Umgebung ist eine Umgebungstemperatur. Die thermische Zustandsgroße des Stromkreises ist eine Temperatur einer Komponente des Stromkreises. Das Erfassen der Temperatur ist insbesondere für den Fall vorteilhaft, dass als
Zwischenkreiskondensator ein Elektrolytkondensator verwendet wird. Im Gegensatz zu Metallfolienkondensatoren werden Elektrolytkondensatoren aufgrund ihrer hohen erreichbaren Kapazitätsdichte eingesetzt. Allerdings treten bei Elektrolytkondensatoren im Vergleich zu anderen
Kondensatorstrukturen hohe Verlustleistungen auf. Aufgrund der Verlustleistungen wird die Temperatur des Elektrolytkondensators im Betrieb erhöht. Infolge der Temperaturerhöhung kann sich die Lebensdauer des Elektrolytkondensators verringern. Daher ist es vorteilhaft, die Temperatur des Elektrolytkondensators bzw. die Temperatur der unmittelbaren Umgebung des Elektrolytkondensators zu kontrollieren und gegebenenfalls Maßnahmen gegen eine unerwünschte Temperaturerhöhung einzuleiten.
Im Betrieb wird nun die Zustandsgroße "Temperatur des Elektromotors" und/oder die Zustandsgroße "Temperatur des Elektrolytkondensators" und/oder die Zustandsgroße "Umgebungstemperatur der Umgebung" des Elektromotors oder des Elektrolytkondensators bestimmt. Je niedriger die bestimmte Temperatur ist, desto mehr Verlustbelastung und somit Verlustleistung kann dem Elektrolytkondensator zugemutet werden, ohne dass dessen Lebensdauer nachhaltig beeinträchtigt wird. Die Leistungshalbleiterbauelemente können im Hinblick auf den Elektrolytkondensator mit einer relativ hohen Taktfrequenz angesteuert werden. Wird dagegen eine kritische Temperatur überschritten, so wird durch Erniedrigung der Taktfrequenz die Verlustleistung im Elektrolytkondensator verringert. Der Elektrolytkondensator erwärmt sich weniger stark.
Im Übrigen ist bei der Regelung der Taktfrequenz der Leistungsschalter zu beachten, dass die in den Leistungshalbleiterbauelementen auftretenden Schaltverluste mit zunehmender Taktfrequenz steigen (siehe oben) . Daher wird beim Einstellen der Taktfrequenz auch die Verlustleistung an den Halbleiterbauelementen zu berücksichtigen sein.
Anwendung findet die Vorrichtung und das Verfahren in der Antriebstechnik. Es wird vorzugsweise ein Stromkreis eines Kraftfahrzeugs verwendet. Der Stromkreis ist ein Bordnetz eines Kraftfahrzeuges beziehungsweise ein Bestandteil des Bordnetzes .
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:
Durch die Variation der Taktfrequenz, mit der die Leistungshalbleiterbauelemente der Leistungsschalter eines Stromrichters eines Stromkreises angesteuert werden, kann gezielt eine auf den Betriebszustand des Stromkreises abgestimmte Leistung bereitgestellt werden. Die Taktfrequenz wird hinsichtlich elektrischer und thermischer Zustandsgrößen optimiert. Aufgrund der variablen Taktfrequenz kann ein Zwischenkreiskondensator verwendet werden, der eine im Vergleich zu üblichen Zwischenkreiskondensatoren niedrigere Kapazität aufweist. Bei einem derartigen Zwischenkreiskondensator wird im Fall eines erhöhten Leistungsbedarfs die Taktfrequenz erhöht. Im Fall eines niedrigeren Leistungsbedarfs wird die Taktfrequenz erniedrigt.
Die Erfindung im Vergleich zu bekannten Lösungen niedrigere Kapazität des Zwischenkreiskondensators führt zu kleineren, leichteren und kostengünstigeren Ausgestaltungen des Stromrichters.
Durch die Anpassung der Taktfrequenz ist es möglich, die Lebensdauer eines als Zwischenkreiskondensator verwendeten Elektrolytkondensators deutlich zu erhöhen.
- Bei Verwendung eines Metallfolienkondensators als Zwischenkreiskondensator wird durch die Anpassung der Taktfrequenz die Spannungswelligkeit gezielt beeinflusst und auf eine im Stromkreis benötigte Leistung abgestimmt.
- Das Regeln der Taktfrequenz des Stromrichters erfordert einen geringen zusätzlichen Aufwand an Elektronik. Die Anpassung der Taktfrequenz kann mit Hilfe eines üblicherweise verwendeten Mikrocontrollers durchgeführt werden .
Für das Erfassen der elektrischen Zustandsgrößen (Strom, Spannung, Leistung, Ladungszustand der Batterie,...) und der mechanischen Zustandsgrößen (Temperatur, Drehmoment,...) benötigten Mittel (Messeinrichtungen) und für das Verarbeiten der erfassten Zustandsgrößen kann bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeug auf ein bekanntes Bordnetzmanagement zurückgegriffen werden. Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Figuren 1 und 2 zeigen ein Verfahren zum Regeln einer Taktfrequenz eines Stromrichters eines elektrischen Stromkreises .
Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Stromkreises mit Umrichter, Spannungsquelle und Elektromotor.
Gegeben ist ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs (Figur 3) . Das Bordnetz bildet einen Stromkreis 2, der aus verschiedenen Komponenten besteht. Unter anderem weist der Stromkreis 2 eine Spannungsquelle für Gleichspannung in Form einer Batterie 7, einen Stromrichter 3 und eine elektrische Maschine 6 in Form eines Elektromotors auf. Der Stromrichter 3 ist ein Umrichter, der mit Pulsweitenmodulation betrieben wird: Dazu weist der Umrichter 3 neben Leistungsschaltern 8, die aus Leistungshalbleiterbauelementen 9 zusammengesetzt sind, und einem Zwischenkreis 4 ein Steuergerät 10 auf zum Ansteuern der Leistungshalbleiterbauelemente 9 der Leistungsschalter 8. In einer ersten Ausführungsform sind die Leitungshalbleiterbauelemente 9 MOSFETs . In weiteren Ausführungsformen sind die Leistunghalbleiterbauelemente 9 IGBTs beziehungsweise Tyristoren. Der Zwischenkreis 4 weist einen Zwischenkreiskondensator 5 auf.
Zum Regeln der Taktfrequenz des Stromrichters 3 wird in einem ersten Schritt eine Zustandsgroße des Stromkreises 2 mit Hilfe eines Mittels 11 zum Erfassen der Zustandsgroße ermittelt (Figur 2, Schritt 201) . Im nächsten Schritt wird mit Hilfe des Mittels 12 zum Einstellen der Taktfrequenz die Taktfrequenz des Steuergeräts 10 angepasst, mit der die Leistungshalbleiterbauelemente 9 der Leistungsschalter 8 angesteuert werden (Figur 2, Schritt 202) .
Beispiel 1:
Der Zwischenkreiskondensator 5 ist ein
Metallfolienkondensator. Die zu ermittelnde Zustandsgroße ist die Klemmspannung der Batterie 7, also deren Ladungszustand. Als Mittel 11 zum Erfassen der Zustandsgroße "Klemmspannung der Batterie" fungiert ein Spannungsmessgerät, das in das Bordnetzmanagement-System integriert ist.
In der Startphase des Elektromotors 6 ist die Klemmspannung der Batterie 7 so niedrig, dass die Spannungswelligkeit der ZwischenkreisSpannung nicht vernachlässigt werden kann. Um die beim Umrichten auftretende Spannungswelligkeit zu reduzieren und eine entsprechende Leistung für den Elektromotor 6 auch in der Startphase bereitzustellen, wird die Taktfrequenz aufgrund der erfassten Klemmspannung erhöht. Nach Beendigung der Startphase wird die Taktfrequenz wieder erniedrigt. Die Beendigung der Startphase wird beispielsweise durch die Änderung der Temperatur des Elektromotors 6 oder der Umgebung 13 des Stromkreises 2 erfasst. Es wird die Zustandsgroße "Temperatur" ermitteln und aufgrund Temperatur die Taktfrequenz verringert.
Beispiel 2 :
Der Zwischenkreiskondensator 5 ist ein Elektrolytkondensator. Die zu erfassende Zustandsgroße ist die Temperatur des Elektrolytkondensators. Bei einer relativ niedrigen Temperatur des Elektrolytkondensators können die Leistungshalbleiterbauelemente 9 unter Berücksichtigung ihrer Schaltverluste mit relativ hohen Taktfrequenzen angesteuert werden. Wenn die Temperatur des Elektrolytkondensators über eine kritische Temperatur steigt, wird aufgrund der erfassten Temperatur die Taktfrequenz erniedrigt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zum Regeln einer Taktfrequenz eines Stromrichters (3) eines elektrischen Stromkreises (2) mit einem Mittel (11) zum Erfassen mindestens einer Zustandsgroße des Stromkreises (2) und/oder mindestens einer Zustandsgroße einer Umgebung (13) des Stromkreises (2) und - einem Mittel (12) zum Einstellen der Taktfrequenz des Stromrichters (3) aufgrund der erfassten Zustandsgroße.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zustandsgroße des Stromkreises (2) eine Klemmspannung einer Batterie (7) des Stromkreises (2) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zustandsgroße des Stromkreises (2) eine benötigte elektrische Leistung des Stromkreises (2) ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zustandsgroße des Stromkreises (2) eine Temperatur einer Komponente des Stromkreises (2) ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zustandsgroße der Umgebung (13) eine Umgebungstemperatur ist.
6. Verfahren zum Regeln einer Taktfrequenz eines Stromrichters (3) eines elektrischen Stromkreises (2) mit den Verfahrensschritten: a) Erfassen mindestens einer Zustandsgroße des Stromkreises (2) und/oder mindestens einer Zustandsgroße einer Umgebung (13) des Stromkreises (2) und b) Einstellen der Taktfrequenz des Stromrichters (3) aufgrund der erfassten Zustandsgroße.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Stromrichter (3) mit einem Zwischenkreis (4) verwendet wird, der einen aus der Gruppe Elektrolytkondensator und/oder Metallfolienkondensator ausgewählten Zwischenkreiskondensator (5) aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Stromkreis mit einer aus der Gruppe Elektromotor und/oder Generator ausgewählten elektrischen Maschine verwendet wird, die mit Hilfe des Stromrichters angesteuert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei ein Stromkreis eines Kraftfahrzeugs verwendet wird.
PCT/EP2005/050468 2004-02-19 2005-02-03 Vorrichtung und verfahren zum regeln einer taktfrequenz eines stromrichters WO2005081384A2 (de)

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