WO2018077581A1 - Verfahren zum betrieb eines stromrichters, stromrichter und elektrisches antriebssystem mit einem stromrichter - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines stromrichters, stromrichter und elektrisches antriebssystem mit einem stromrichter Download PDF

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switching elements
voltage
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operating
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PCT/EP2017/075137
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Konstantin Spanos
Tino Merkel
Florian Malchow
Michele Hirsch
Christian Marc Lautensack
Michael Grieb
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02M1/327—Means for protecting converters other than automatic disconnection against abnormal temperatures

Definitions

  • the present invention relates to a power converter and an electric drive system with a power converter, and a method for operating a power converter.
  • the present invention relates to the control of a power converter for optimizing an operating parameter.
  • Document DE 10 2007 018 829 A1 discloses a method and a device for controlling a circuit breaker unit. To protect the circuit breaker unit against thermal overload is a
  • Temperature directivity of the circuit breaker unit determined based on the time course of the temperature Richt gave a temperature increase during an operating phase of the circuit breaker unit is determined and then the power loss of the circuit breaker unit limited such that the temperature rise does not exceed a predetermined limit.
  • an electric machine In electric drive systems, an electric machine is usually fed by an upstream power converter with electrical energy.
  • Such converters comprise a plurality of semiconductor switching elements by means of which an electric current and / or an electrical voltage for the
  • the switching elements for example by means of a
  • Pulse width modulation method controlled Pulse width modulation method controlled.
  • Typical modulation methods are, for example, space-vector modulation, sine modulation, fiat-top or flat-buttom. As a rule, all are doing in a normal operation Switching elements controlled evenly. During operation, it must be ensured that specified limit values for the load of the switching elements, such as a maximum temperature or the like, are not exceeded.
  • the present invention discloses a power converter with the features of claim 1, an electric drive system with the features of claim 8 and a method for operating a power converter with the features of claim 9.
  • a power converter for providing an n-phase AC voltage for an electric machine coupleable to the power converter, wherein the
  • the AC voltage comprises at least two phases.
  • the power converter comprises n half bridges, a control device and a monitoring device.
  • Each of the n half bridges comprises an upper and a lower switching element.
  • the upper and the lower switching element of a half-bridge are arranged in particular between an input voltage in series.
  • the control device is designed to generate control signals for the upper and the lower switching elements of the half bridges and to the respective switching elements
  • the monitoring device is designed to determine an operating parameter for each half-bridge. In particular, an operating parameter can be determined for each upper switching element and / or each lower switching element of the n half-bridges.
  • the control device is also designed to adjust the generated control signals by an offset voltage in the form of a DC offset for the provided n-phase
  • the offset voltage is set as a function of the determined operating parameter of the switching elements.
  • An electric drive system comprising a power converter according to the invention and an n-phase electric machine, which is electrically coupled to the power converter.
  • a method of operating a power converter comprising the steps of driving the switching elements of the power converter to provide an n-phase AC voltage; the determination of an operating parameter for the
  • the set offset voltage is a DC offset.
  • the present invention is based on the finding that for the
  • Components of an electric power converter in particular the switching elements used therein, predetermined limits for operating parameters exist that should not be exceeded during operation. If these operating parameters are nevertheless exceeded, there is a risk that components may be damaged or destroyed, or at least subject to premature aging.
  • temperatures reached or possibly even exceeded during operation must be reduced in order to counteract destruction or premature aging.
  • the heating of the individual switching elements may vary.
  • the individual components can be adjusted.
  • a non-uniform temperature distribution in the individual switching elements of the power converter can be compensated or compensated.
  • premature aging of one or more involved switching elements can also be taken into account, for example, by activating an optionally more heavily aged switching element in a gentler operating mode in order to counteract premature failure of such an aged component. In this way, a premature failure of a device can be counteracted and the life of the converter can be extended.
  • Such an operating mode in which the individual switching elements have to perform fewer switching operations than the other switching elements of a voltage converter can be achieved, for example, by setting a DC offset in the output voltage.
  • the switching elements which should perform fewer switching operations at least for a part of a period of the output
  • AC voltage can be controlled continuously and there is only one pulse width modulated control of the remaining, remaining switching elements.
  • the determined operating parameter of the switching elements comprises a temperature of the switching elements, a temporal
  • the monitoring device comprises a sensor for detecting the operating parameters of the switching elements. By sensory detection of the relevant operating parameters of the switching elements, the current operating conditions of the switching elements can be detected quickly and accurately.
  • the monitoring device is designed to determine at least one operating parameter of the switching elements based on a calculation model. In this way it is possible the
  • the monitoring device determines in each case a common operating parameter for all switching elements of a
  • Half-bridge This reduces the number of operating parameters to be processed, which can result in faster and more efficient data processing.
  • control device is designed to set an offset voltage for the provided n-phase AC voltage only if at least one operating parameter exceeds a predetermined limit value. On the other hand, if the corresponding operating parameter lies below the specified limit value, then a conventional
  • control device is designed to adapt the set offset voltage for the provided n-phase AC voltage as a function of the detected operating parameters of the switching elements. This way is a gradual or continuous
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electric drive system with a power converter according to an embodiment
  • Figure 2 a schematic representation of a power converter according to a
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a temperature-time profile, as it results in the operation of a power converter according to an embodiment
  • FIG. 4 a schematic representation of a voltage curve on the
  • FIG. 5 is a schematic representation of a flowchart, such as FIG
  • Method for operating a power converter is based.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an electric drive system with a power converter 1 according to one embodiment.
  • the power converter 1 is fed on the input side by an electrical energy source 2.
  • this electrical energy source 2 may be a battery, in particular a traction battery of an electric or hybrid vehicle act.
  • the power converter 1 is coupled to an electrical machine 3.
  • the power converter 1 generates a multi-phase AC voltage from the voltage provided on the input side and provides it on the output side for the electric machine 3.
  • the electric machine 3 is driven by means of a three-phase AC voltage.
  • the present invention is not limited to a three-phase AC voltage.
  • the power converter 1 can also provide any desired multiphase alternating voltage, in particular an alternating voltage with only two or even more than three phases, in order to control the electric machine 3.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a power converter 1 according to one embodiment.
  • the power converter 1 comprises three half bridges 11, 12, 13, each with an upper switching element Ml, M2, M3 and in each case a lower switching element M4, M5, M6. If necessary, it can be parallel to everyone
  • Switching element Ml - M6 be provided a freewheeling diode.
  • the switching elements Ml to M6 of the power converter 1 are controlled by a control device 15 by means of suitable control signals to generate from an input voltage, the required multi-phase output AC voltage.
  • the individual switching elements M1 to M6 of the half bridges 11 to 13 can be driven, for example, by the control device 15 by means of pulse-modulated signals.
  • the individual switching elements M1 to M6 of the half bridges 11 to 13 are driven uniformly.
  • the individual components, in particular the switching elements M1 to M6 will heat up.
  • the power converter 1 To dissipate the resulting heat, the power converter 1, for example, via a cooling device (not shown here), which dissipates the thermal energy from the switching elements Ml to M6.
  • a cooling device for example, a cooling medium such as air or a cooling liquid can be used. While the cooling medium to the individual
  • Switching elements flows past Ml to M6, the cooling medium heats up. If the cooling medium flows, for example, from left to right in FIG. 2, then the cooling medium will first heat up at the switching elements M1, M2, M4 and M5 of the first and second half bridges 11, 12 and subsequently also the Cool further switching elements M3 and M6 of the third half-bridge. Since the cooling medium has already been heated as it flows past the switching elements M3 and M6 of the third half-bridge, these switching elements are optionally cooled only to a lesser extent, so that these switching elements heat up to a higher temperature during a uniform operation. In addition, due to further influences within the cooling medium flows, for example, from left to right in FIG. 2, then the cooling medium will first heat up at the switching elements M1, M2, M4 and M5 of the first and second half bridges 11, 12 and subsequently also the Cool further switching elements M3 and M6 of the third half-bridge. Since the cooling medium has already been heated as it flows past the switching elements M3 and M6 of the third half-bridge, these switching elements are optional
  • Converter 1 set an uneven local distribution of temperature.
  • the temperatures at the switching elements M1 to M6 of the first to third half bridges 11 to 13 can be determined by a monitoring device 16.
  • a monitoring device 16 For this purpose, for example, a separate temperature sensor (not shown) may be provided on each switching element M1 to M6 of the first to third half bridges 11 to 13.
  • the temperature sensors can each generate a signal corresponding to the detected temperatures at the individual switching elements M1 to M6 and provide it to the monitoring device 16.
  • a single temperature sensor may be provided which corresponds to a signal corresponding to the detected temperature at the
  • Monitoring device 16 provides.
  • the monitoring device 16 the
  • the temperatures at the half bridges 11 to 13 or the switching elements M1 to M6 can be calculated based on the nominal or actual values for the phase currents from the power converter 1 to the electric machine 3 based on an underlying model.
  • a combination of sensory values and a modeling of the temperature distribution in the power converter 1 is also possible.
  • only a single temperature sensor can be provided in the power converter 1, wherein the temperature value of this sensor can be compared with the current modeling of the temperature distribution.
  • the monitoring device 16 In addition to the current temperatures at the switching elements Ml to M6 or the half bridges 11 to 13, the monitoring device 16 also has a Development of the temperature profile over the time of the individual switching elements Ml to M6 or half bridges 11 to 13 determine. In addition, the monitoring device 16 can also detect any further operating parameters of the power converter 1. For example, it is possible that the
  • Monitoring device 16 from the available set and / or actual values such as currents and / or voltages information about the
  • the monitoring device 16 can also analyze the operating behavior of the power converter 1 in order to determine therefrom information about a possible damage to one or more switching elements M1 to M6 of the power converter 1. This information, as well as possibly also further information about operating parameters of the switching elements M1 to M6 of the power converter 1, can be determined by the monitoring device 16 by means of sensory values and / or an estimate based on a computer model.
  • control device 15 may differ from a conventional, uniform control of the switching elements Ml to M6.
  • the switching elements Ml to M6 for which an advanced aging, an elevated temperature or the like has been detected a gentler
  • Control can be set.
  • Operation parameters make a control of the switching elements Ml to M6, in which one or more switching elements Ml to M6 less frequently turned on and off, as the remaining switching elements Ml to M6.
  • This can be achieved, for example, by setting an offset voltage in the form of an offset DC voltage in the three-phase AC voltage to be provided on the output side.
  • This setting of an offset voltage in the form of a DC offset can be achieved in particular by continuously switching on or off the switching elements M1 to M6 of a half bridge 11 to 13 for a part of the phase of an AC voltage, while the remaining ones
  • Switching elements Ml to M6 continue to be controlled by means of a pulse width modulation. In this way, during the continuous activation of the corresponding switching elements M1 to M6, they decrease
  • the change from a conventional operating mode with uniform control of all switching elements Ml to M6 of the half bridges 11 to 13 in an asymmetric control of the switching elements Ml to M6 for setting an offset voltage at the output side provided AC voltage can be done, for example, if one of the
  • Monitor 16 detected operating parameters exceeds a predetermined limit.
  • This predetermined limit value may include, for example, a temperature, an aging state or information about a damage of a switching element.
  • the time profile of the temperature at the switching elements Ml to M6 or the half bridges 11 to 13 can be used as a basis for the change to an asymmetric control with an offset voltage. The evaluation of further operating parameters of the power converter 1 for the change to an asymmetric control with offset voltage are possible.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a temperature-time profile of the temperatures T_ll, T_12 and T_13 in the half-bridges 11, 12, 13 of FIG
  • Converter 1 a predetermined limit.
  • This predetermined limit value can represent, for example, a maximum operating temperature of the switching elements M1 to M6.
  • the control device 15 therefore changes to an asymmetrical operating mode and provides an offset voltage at the output voltage output by the power converter 1 a DC offset.
  • the switching elements Ml and M4 of the first half-bridge 11 for a part of a phase of
  • Figure 4 shows a schematic representation of a course of
  • AC voltage can be provided with an offset voltage.
  • this offset voltage does not affect the performance of the
  • connected electrical machine 3 can be counteracted in this way a variation of the operating parameters, such as the temperatures of the switching elements Ml to M6, without this having a noticeable effect on the performance of the connected electric machine 3.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a flow chart for a method for operating a power converter 1 according to an embodiment.
  • the method corresponds in particular to the previously described activation of the Power converter 1 in the above-described electric drive system.
  • step S1 the switching elements of the power converter 1 are driven to provide a multi-phase AC output voltage.
  • the driving of the switching elements Ml to M6 can, for example by means of
  • step S2 one or more
  • step S3 is determined depending on the determined
  • Operating parameters set an offset voltage in the output side provided multi-phase AC voltage.
  • Voltage offset can be set if at least one of the determined operating parameters exceeds a predetermined limit.
  • the offset voltage to be set in the multiphase AC voltage can also be dynamic as a function of the value of the determined
  • the present invention relates to an asymmetrical control of the switching elements of a power converter as a function of an operating parameter of the power converter, such as a temperature of the power converter.
  • an uneven heating of the switching elements in the power converter can by an asymmetric
  • Output voltage of the converter can be adjusted.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine asymmetrische Ansteuerung der Schaltelemente eines Stromrichters in Abhängigkeit eines Betriebsparameters des Stromrichters, wie zum Beispiel einer Temperatur des Stromrichters. Insbesondere bei einer ungleichmäßigen Erwärmung der Schaltelemente in dem Stromrichter kann durch eine asymmetrische Ansteuerung der Schaltelemente eine Offset-Spannung an einer Ausgangsspannung des Stromrichters eingestellt werden. Durch das asymmetrische Ansteuern der Schaltelemente für das Einstellen einer Offset-Spannung kann einer ungleichmäßigen Temperaturentwicklung in dem Stromrichter entgegengewirkt werden.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters, Stromrichter und elektrisches Antriebssystem mit einem Stromrichter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter und ein elektrisches Antriebssystem mit einem Stromrichter, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Ansteuerung eines Stromrichters zur Optimierung eines Betriebsparameters.
Stand der Technik
Die Druckschrift DE 10 2007 018 829 AI offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Leistungsschaltereinheit. Zum Schutz der Leistungsschaltereinheit gegen thermische Überbelastung wird eine
Temperaturrichtgröße der Leistungsschaltereinheit ermittelt, anhand des zeitlichen Verlaufs der Temperaturrichtgröße wird ein Temperaturanstieg während einer Betriebsphase der Leistungsschaltereinheit bestimmt und anschließend die Verlustleistung der Leistungsschaltereinheit derart limitiert, dass der Temperaturanstieg einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.
In elektrischen Antriebssystemen wird in der Regel eine elektrische Maschine von einem vorgeschalteten Stromrichter mit elektrischer Energie gespeist.
Derartige Stromrichter umfassen mehrere Halbleiterschaltelemente mittels derer ein elektrischer Strom und/oder eine elektrische Spannung für die
angeschlossene elektrische Maschine eingestellt werden kann. Hierbei werden die Schaltelemente beispielsweise mittels eines
Pulsbreitenmodulationsverfahrens angesteuert. Übliche Modulationsverfahren sind beispielsweise Raumzeiger-Modulation, Sinusmodulation, Fiat-Top oder Flat-Buttom. In der Regel werden dabei in einem Normalbetrieb alle Schaltelemente gleichmäßig angesteuert. Während des Betriebs ist dabei darauf zu achten, dass vorgegebene Grenzwerte für die Belastung der Schaltelemente, wie zum Beispiel eine maximale Temperatur oder ähnliches nicht überschritten werden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart einen Stromrichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und für ein Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
Demgemäß ist vorgesehen: Ein Stromrichter zum Bereitstellen einer n-phasigen Wechselspannung für eine mit dem Stromrichter koppelbare elektrische Maschine, wobei die
Wechselspannung mindestens zwei Phasen umfasst. Der Stromrichter umfasst n Halbbrücken, eine Steuereinrichtung und eine Überwachungseinrichtung. Jede der n Halbbrücken umfasst jeweils ein oberes und ein unteres Schaltelement. das obere und das untere Schaltelement einer Halbbrücke sind insbesondere zwischen einer Eingangsspannung in Serie angeordnet. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, Steuersignale für die oberen und die unteren Schaltelemente der Halbbrücken zu generieren und an den jeweiligen Schaltelementen
bereitzustellen. Die Überwachungseinrichtung ist dazu ausgelegt, für jede Halbbrücke einen Betriebsparameter zu ermitteln. Insbesondere kann für jedes obere Schaltelement und/oder jedes untere Schaltelement der n Halbbrücken ein Betriebsparameter ermittelt werden. Die Steuereinrichtung ist ferner dazu ausgelegt, durch Anpassen der generierten Steuersignale eine Offset-Spannung in Form eines Gleichspannungsoffsets für die bereitgestellte n-phasige
Wechselspannung einzustellen. Die Offset-Spannung wird dabei in Abhängigkeit des ermittelten Betriebsparameters der Schaltelemente eingestellt.
Ferner ist vorgesehen: Ein elektrisches Antriebssystem mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter und einer n-phasigen elektrischen Maschine, die mit dem Stromrichter elektrisch gekoppelt ist.
Weiterhin ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters mit den Schritten des Ansteuerns der Schaltelemente des Stromrichters zum Bereitstellen einer n-phasigen Wechselspannung; des Ermitteins eines Betriebsparameters für die
Schaltelemente des Stromrichters; und des Einstellens einer Offset-Spannung in der bereitgestellten n-phasigen Wechselspannung in Abhängigkeit des ermittelten Betriebsparameters. Bei der eingestellten Offset-Spannung handelt es sich hierbei um einem Gleichspannungsoffset.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für die
Bauelemente eines elektrischen Stromrichters, insbesondere die dabei eingesetzten Schaltelemente, vorgegebene Grenzwerte für Betriebsparameter existieren, die während des Betriebs nicht überschritten werden sollen. Werden diese Betriebsparameter dennoch überschritten, so besteht die Gefahr, dass Bauteile beschädigt oder zerstört werden, oder zumindest einer vorzeitigen Alterung unterliegen. Beispielsweise sind für die Schaltelemente eines
Stromrichters maximale Betriebstemperaturen vorgegeben, die während des Betriebs nicht überschritten werden sollen. Werden diese maximalen
Temperaturen während eines Betriebs dennoch erreicht oder gegebenenfalls gar überschritten, so muss in der Regel die Leistung reduziert werden, um einer Zerstörung oder vorzeitigen Alterung entgegenzuwirken. Dabei kann es je nach Aufbau des Stromrichters und eines gegebenenfalls vorgesehenen Kühlsystems zu einer unterschiedlich starken Erwärmung der einzelnen Schaltelemente kommen. Zum Schutz der Schaltelemente und des gesamten Stromrichters muss dabei die Leistung des Stromrichters bereits dann reduziert werden, wenn mindestens eines der Schaltelemente die vorgegebenen maximalen
Betriebswerte, wie zum Beispiel eine maximale Temperatur, erreicht oder überschreitet. Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und einen Stromrichter zu schaffen, bei welchem die aktuellen
Betriebsparameter, wie zum Beispiel eine Temperaturentwicklung, der einzelnen Komponenten angeglichen werden können. Auf diese Weise kann beispielsweise eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in den einzelnen Schaltelementen des Stromrichters ausgeglichen oder kompensiert werden. Beispielsweise kann somit auch durch die Anpassung der Ansteuerung der einzelnen Schaltelemente einem lokalen Temperaturanstieg aufgrund einer ungleichmäßigen Entwärmung entgegengewirkt werden. Ferner kann beispielsweise auch einer vorzeitigen Alterung eines oder mehrerer beteiligten Schaltelemente dadurch Rechnung getragen werden, dass ein gegebenenfalls stärker gealtertes Schaltelement in einem schonenderen Betriebsmodus angesteuert wird, um einen vorzeitigen Ausfall eines solchen gealterten Bauelements entgegenzuwirken. Auf diese Weise kann einem vorzeitigen Ausfall eines Bauelements entgegengewirkt werden und die Lebensdauer des Stromrichters verlängert werden.
Ein solcher Betriebsmodus, in welchem die einzelnen Schaltelemente weniger Schaltvorgänge ausführen müssen, als die übrigen Schaltelemente eines Spannungswandlers, kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein Gleichspannungsoffset in der Ausgangsspannung eingestellt wird. Hierbei können die Schaltelemente, welche weniger Schaltvorgänge ausführen sollen zumindest für einen Teil einer Periodendauer der auszugebenden
Wechselspannung kontinuierlich angesteuert werden und es erfolgt nur eine pulsbreitenmodulierte Ansteuerung der verbleibenden, übrigen Schaltelemente.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der ermittelte Betriebsparameter der Schaltelemente eine Temperatur der Schaltelemente, einen zeitlichen
Temperaturverlauf der Schaltelemente, einen Alterungszustand der
Schaltelemente und/oder eine Information über eine Beschädigung eines Schaltelements. Durch die Auswertung derartiger Betriebsparameter ist es möglich, kritische Betriebsbedingungen der Schaltelemente zu erkennen und durch eine geeignete Ansteuerung der Schaltelemente einer vorzeitigen Alterung oder einem Ausfall entgegenzuwirken. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Überwachungseinrichtung einen Sensor zur Erfassung der Betriebsparameter der Schaltelemente. Durch eine sensorische Erfassung der relevanten Betriebsparameter der Schaltelemente können die aktuellen Betriebsbedingungen der Schaltelemente rasch und präzise erfasst werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Überwachungseinrichtung dazu ausgelegt, mindestens einen Betriebsparameter der Schaltelemente basierend auf einem Rechenmodell zu bestimmen. Auf diese Weise ist es möglich, die
Betriebsparameter der Schaltelemente ohne weitere sensorische Hardware und somit besonders kostengünstig zu ermitteln.
Gemäß einer Ausführungsform ermittelt die Überwachungseinrichtung jeweils einen gemeinsamen Betriebsparameter für alle Schaltelemente einer
Halbbrücke. Hierdurch wird die Anzahl der zu verarbeitenden Betriebsparameter reduziert, was zu einer schnelleren und effizienteren Datenverarbeitung führen kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, nur dann eine Offset-Spannung für die bereitgestellte n-phasige Wechselspannung einzustellen, wenn mindestens ein Betriebsparameter einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Liegt der entsprechende Betriebsparameter dagegen unterhalb des vorgegebenen Grenzwertes, so kann eine konventionelle
Ansteuerung der Schaltelemente erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die eingestellte Offset-Spannung für die bereitgestellte n-phasige Wechselspannung in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern der Schaltelemente anzupassen. Auf diese Weise ist eine stufenweise oder kontinuierliche
Anpassung der Offset-Spannung in Abhängigkeit von dem aktuellen
Betriebsparameter möglich.
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 dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen und
Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Stromrichter gemäß einer Ausführungsform; Figur 2: eine schematische Darstellung eines Stromrichters gemäß einer
Ausführungsform;
Figur 3: eine schematische Darstellung eines Temperatur-Zeitverlaufs, wie er sich beim Betrieb eines Stromrichters gemäß einer Ausführungsform ergibt;
Figur 4: eine schematische Darstellung eines Spannungsverlaufs am
Ausgang eines Stromrichters gemäß einer Ausführungsform; und Figur 5: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem
Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Stromrichter 1 gemäß einer Ausführungsform. Der Stromrichter 1 wird eingangsseitig von einer elektrischen Energiequelle 2 gespeist. Beispielsweise kann es sich bei dieser elektrischen Energiequelle 2 um eine Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs handeln. Ausgangsseitig ist der Stromrichter 1 mit einer elektrischen Maschine 3 gekoppelt. Der Stromrichter 1 generiert aus der eingangsseitig bereitgestellten Spannung eine mehrphasige Wechselspannung und stellt diese ausgangsseitig für die elektrische Maschine 3 bereit. Mit dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel, sowie der weiteren Beschreibung wird die elektrische Maschine 3 mittels einer dreiphasigen Wechselspannung angesteuert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine dreiphasige Wechselspannung begrenzt. Darüber hinaus kann der Stromrichter 1 auch eine beliebige mehrphasige Wechselspannung, insbesondere eine Wechselspannung mit nur zwei oder auch mehr als drei Phasen bereitstellen, um die elektrische Maschine 3 anzusteuern.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromrichters 1 gemäß einer Ausführungsform. Der Stromrichter 1 umfasst drei Halbbrücken 11, 12, 13 mit jeweils einem oberen Schaltelement Ml, M2, M3 und jeweils einem unteren Schaltelement M4, M5, M6. Gegebenenfalls kann parallel zu jedem
Schaltelement Ml - M6 eine Freilaufdiode vorgesehen sein. Die Schaltelemente Ml bis M6 des Stromrichters 1 werden dabei von einer Steuereinrichtung 15 mittels geeigneter Steuersignale angesteuert, um aus einer Eingangsspannung, die erforderliche mehrphasige Ausgangs-Wechselspannung zu erzeugen. Hierzu können die einzelnen Schaltelemente Ml bis M6 der Halbbrücken 11 bis 13 beispielsweise von der Steuereinrichtung 15 mittels pulsmodulierten Signalen angesteuert werden. In einem konventionellen Betriebsmodus werden die einzelnen Schaltelemente Ml bis M6 der Halbbrücken 11 bis 13 dabei gleichmäßig angesteuert. Während des Betriebs des Stromrichters 1 werden sich die einzelnen Komponenten, insbesondere die Schaltelemente Ml bis M6 erwärmen. Um die dabei entstehende Wärme abzuführen, kann der Stromrichter 1 beispielsweise über eine Kühlvorrichtung (hier nicht dargestellt) verfügen, die die thermische Energie von den Schaltelementen Ml bis M6 abführt. Hierzu kann beispielsweise ein Kühlmedium wie zum Beispiel Luft oder eine Kühlflüssigkeit eingesetzt werden. Während das Kühlmedium an den einzelnen
Schaltelementen Ml bis M6 vorbeiströmt, erwärmt sich das Kühlmedium. Strömt das Kühlmedium beispielsweise in Abbildung 2 von links nach rechts, so wird sich das Kühlmedium zunächst an den Schaltelementen Ml, M2, M4 und M5 der ersten und zweiten Halbbrücke 11, 12 erwärmen und anschließend auch die weiteren Schaltelemente M3 und M6 der dritten Halbbrücke kühlen. Da das Kühlmedium beim Vorbeiströmen an den Schaltelementen M3 und M6 der dritten Halbbrücke bereits erwärmt wurde, werden diese Schaltelemente gegebenenfalls nur weniger stark gekühlt, so dass diese Schaltelemente während eines gleichmäßigen Betriebs sich auf eine höhere Temperatur erwärmen. Darüber hinaus kann auch aufgrund von weiteren Einflüssen sich innerhalb des
Stromrichters 1 eine ungleichmäßige lokale Verteilung der Temperatur einstellen.
Die Temperaturen an den Schaltelementen Ml bis M6 der ersten bis dritten Halbbrücke 11 bis 13 können dabei von einer Überwachungseinrichtung 16 bestimmt werden. Hierzu kann beispielsweise an jedem Schaltelement Ml bis M6 der ersten bis dritten Halbbrücke 11 bis 13 ein separater Temperatursensor (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Die Temperatursensoren können jeweils ein zu den erfassten Temperaturen an den einzelnen Schaltelementen Ml bis M6 korrespondierendes Signal generieren und der Überwachungseinrichtung 16 bereitstellen. Darüber hinaus kann beispielsweise auch nur an jeder Halbbrücke 11 bis 13 ein einziger Temperatursensor vorgesehen sein, der ein zu der erfassten Temperatur korrespondierendes Signal an der
Überwachungseinrichtung 16 bereitstellt.
Ferner ist es auch möglich, dass die Überwachungseinrichtung 16 die
Temperaturen in den einzelnen Halbbrücken 11 bis 13 oder individuell für jedes der Schaltelemente Ml bis M6 basierend auf einem Rechenmodell ermittelt. So können beispielsweise auch die Temperaturen an den Halbbrücken 11 bis 13 oder den Schaltelementen Ml bis M6 basierend auf den Soll- oder Istwerten für die Phasenströme von dem Stromrichter 1 zu der elektrischen Maschine 3 basierend auf einem zugrundeliegenden Modell errechnet werden. Darüber hinaus ist auch eine Kombination von sensorisch erfassten Werten und einer Modellierung der Temperaturverteilung in dem Stromrichter 1 möglich. So kann beispielsweise auch nur ein einziger Temperatursensor in dem Stromrichter 1 vorgesehen sein, wobei der Temperaturwert dieses Sensors mit der aktuellen Modellierung der Temperaturverteilung abgeglichen werden kann.
Neben den aktuellen Temperaturen an den Schaltelementen Ml bis M6 oder den Halbbrücken 11 bis 13 kann die Überwachungseinrichtung 16 auch eine Entwicklung des Temperaturverlaufs über die Zeit der einzelnen Schaltelemente Ml bis M6 oder der Halbbrücken 11 bis 13 ermitteln. Darüber hinaus kann die Überwachungseinrichtung 16 auch beliebige weitere Betriebsparameter des Stromrichters 1 erfassen. Beispielsweise ist es möglich, dass die
Überwachungseinrichtung 16 aus den verfügbaren Soll- und/oder Istwerten wie beispielsweise Ströme und/oder Spannungen eine Information über den
Alterungszustand der Schaltelemente Ml bis M6 ermittelt. Ferner kann die Überwachungseinrichtung 16 auch das Betriebsverhalten des Stromrichters 1 analysieren, um hieraus eine Information über eine eventuelle Beschädigung eines oder mehrerer Schaltelemente Ml bis M6 des Stromrichters 1 zu ermitteln. Diese Informationen, sowie gegebenenfalls auch weitere Informationen über Betriebsparameter der Schaltelemente Ml bis M6 des Stromrichters 1 können dabei durch die Überwachungseinrichtung 16 mittels sensorisch erfasster Werte und/oder einer Schätzung basierend auf einem Rechenmodell ermittelt werden.
Wird dabei aus den durch die Überwachungseinrichtung 16 ermittelten
Betriebsparametern der Schaltelemente Ml bis M6 oder der Halbbrücken 11 bis 13 ein Ungleichgewicht in den ermittelten Betriebsparametern detektiert, so kann die Steuereinrichtung 15 von einer konventionellen, gleichmäßigen Ansteuerung der Schaltelemente Ml bis M6 abweichen. In diesem Fall kann beispielsweise das Schaltelemente Ml bis M6, für welche eine fortgeschritten Alterung, eine erhöhte Temperatur oder ähnliches detektiert wurde, eine schonendere
Ansteuerung eingestellt werden.
Da insbesondere beim Ein- und Ausschalten der Schaltelemente Ml bis M6 die elektrischen Schaltelemente aufgrund der Schaltverluste verstärkt beansprucht werden, kann die Steuereinrichtung 15 bei einem Ungleichgewicht der
Betriebsparameter eine Ansteuerung der Schaltelemente Ml bis M6 vornehmen, bei der ein oder mehrere Schaltelemente Ml bis M6 weniger häufig ein- und ausgeschaltet werden, als die verbleibenden Schaltelemente Ml bis M6. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass in der ausgangsseitig bereitzustellenden dreiphasigen Wechselspannung eine Offset-Spannung in Form einer Offset-Gleichspannung eingestellt wird. Dieses Einstellen einer Offset-Spannung in Form eines Gleichspannungsoffsets kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Schaltelemente Ml bis M6 einer Halbbrücke 11 bis 13 für einen Teil der Phase einer Wechselspannung kontinuierlich ein- oder ausgeschaltet werden, während die restlichen
Schaltelemente Ml bis M6 weiterhin mittels einer Pulsbreitenmodulation angesteuert werden. Auf diese Weise sinken während der kontinuierlichen Ansteuerung der entsprechenden Schaltelemente Ml bis M6 an diesen
Schaltelementen die Schaltverluste, wodurch sich auch die dabei entstehende Abwärme verringert.
Der Wechsel von einem konventionellen Betriebsmodus mit gleichmäßiger Ansteuerung aller Schaltelemente Ml bis M6 der Halbbrücken 11 bis 13 in eine asymmetrische Ansteuerung der Schaltelemente Ml bis M6 für das Einstellen einer Offset-Spannung an der ausgangsseitig bereitgestellten Wechselspannung kann beispielsweise dann erfolgen, wenn einer der durch die
Überwachungseinrichtung 16 ermittelten Betriebsparameter einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Dieser vorgegebene Grenzwert kann beispielsweise eine Temperatur, einen Alterungszustand oder eine Information über eine Beschädigung eines Schaltelements umfassen. Darüber hinaus kann auch der zeitliche Verlauf der Temperatur an den Schaltelementen Ml bis M6 oder den Halbbrücken 11 bis 13 als Grundlage für den Wechsel in eine asymmetrische Ansteuerung mit einer Offset-Spannung herangezogen werden. Auch die Auswertung weiterer Betriebsparameter des Stromrichters 1 für den Wechsel in eine asymmetrische Ansteuerung mit Offset-Spannung sind möglich.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Temperatur-Zeitverlaufs der Temperaturen T_ll, T_12 und T_13 in den Halbbrücken 11, 12, 13 des
Stromrichters 1. Im linken Bereich I erfolgt dabei zunächst eine konventionelle Ansteuerung der Schaltelemente Ml bis M6 des Stromrichters 1. Zum Zeitpunkt t_0 erreicht die Temperatur T_ll in einer ersten Halbbrücke 11 des
Stromrichters 1 einen vorgegebenen Grenzwert. Dieser vorgegebene Grenzwert kann beispielsweise eine maximale Betriebstemperatur der Schaltelemente Ml bis M6 darstellen. Bei diesem Zeitpunkt t_0 wechselt die Steuereinrichtung 15 daher in einen asymmetrischen Betriebsmodus und stellt an der durch den Stromrichter 1 ausgegebenen Ausgangsspannung eine Offset-Spannung mit einem Gleichspanungsoffset ein. Dabei werden die Schaltelemente Ml und M4 der ersten Halbbrücke 11 für einen Teil einer Phase der
Ausgangswechselspannung kontinuierlich angesteuert, während die
verbleibenden Schaltelemente M2, M3, M5 und M6 weiterhin vollständig pulsbreitenmoduliert angesteuert werden. In den verbleibenden Zeiten der Periode der Ausgangswechselspannung werden weiterhin alle Schaltelemente Ml bis M6 aller Halbbrücken 11 bis 13 pulsbreitenmoduliert angesteuert.
Hierdurch kann nach dem Wechsel in den asymmetrischen Ansteuerungsmodus ab dem Zeitpunkt t_0 im Bereich II ein weiterer Temperaturanstieg in der ersten Halbbrücke 11 verhindert oder zumindest reduziert werden, so dass sich im weiteren Zeitverlauf die Temperaturen T_ll, T_12 und T_13 in den Halbbrücken 11 bis 13 zumindest annähernd angleichen. Hierdurch ist es möglich, den Stromrichter 1 weiterhin mit der vollen Leistung zu betreiben. Eine
Leistungsreduktion zum Zeitpunkt t_0 aufgrund des Erreichens einer kritischen Temperatur ist nicht zwingend erforderlich.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verlaufs der
Ausgangsspannungen U_ll, U_12, U_13 der ausgangsseitig am Stromrichter 1 bereitgestellten Wechselspannung. Wie hierbei zu erkennen ist, werden dabei während eines Teils der Periode der Ausgangswechselspannung die
Schaltelemente einer Halbbrücke 11 vollständig angesteuert, während die Schaltelement M2, M3, M5 und M6 der weiteren Halbbrücken 11 und 12 weiterhin im pulsbreitenmodulierten Betrieb angesteuert werden. Auf diese Weise kann an dem Stromrichter 1 ausgangsseitig eine dreiphasige
Wechselspannung mit einer Offset-Spannung bereitgestellt werden. Da sich diese Offset-Spannung jedoch nicht auf das Betriebsverhalten der
angeschlossenen elektrischen Maschine 3 auswirkt, kann auf diese Weise einer Variation der Betriebsparameter, wie beispielsweise den Temperaturen der Schaltelemente Ml bis M6 entgegengewirkt wird, ohne dass dies einen spürbaren Einfluss auf das Betriebsverhalten der angeschlossenen elektrischen Maschine 3 hat.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für ein Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters 1 gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren entspricht insbesondere der zuvor beschriebenen Ansteuerung des Stromrichters 1 in dem oben erläuterten elektrischen Antriebssystem. In Schritt Sl werden die Schaltelemente des Stromrichters 1 angesteuert, um eine mehrphasige Ausgangswechselspannung bereitzustellen. Das Ansteuern der Schaltelemente Ml bis M6 kann dabei beispielsweise mittels
Pulsbreitenmodulation erfolgen. In Schritt S2 werden ein oder mehrere
Betriebsparameter für die Schaltelemente Ml bis M6 des Stromrichters 1 ermittelt, und in Schritt S3 wird in Abhängigkeit des ermittelten
Betriebsparameters eine Offset-Spannung in der ausgangsseitig bereitgestellten mehrphasigen Wechselspannung eingestellt. Insbesondere kann ein
Spannungsoffset eingestellt werden, wenn mindestens einer der ermittelten Betriebsparameter einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Hierbei kann der einzustellenden Offset-Spannung in der mehrphasigen Wechselspannung auch dynamisch in Abhängigkeit von dem Wert des ermittelten
Betriebsparameters für die Schaltelemente Ml bis M6 des Stromrichters angepasst werden.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine asymmetrische Ansteuerung der Schaltelemente eines Stromrichters in Abhängigkeit eines Betriebsparameters des Stromrichters, wie zum Beispiel einer Temperatur des Stromrichters. Insbesondere bei einer ungleichmäßigen Erwärmung der Schaltelemente in dem Stromrichter kann durch eine asymmetrische
Ansteuerung der Schaltelemente eine Offset-Spannung an einer
Ausgangsspannung des Stromrichters eingestellt werden. Durch das asymmetrische Ansteuern der Schaltelemente für das Einstellen einer Offset- Spannung kann einer ungleichmäßigen Temperaturentwicklung in dem
Stromrichter entgegengewirkt werden.

Claims

Ansprüche
1. Stromrichter (1), zum Bereitstellen einer n-phasigen Wechselspannung für eine mit dem Stromrichter (1) koppelbare elektrische Maschine (3), wobei n mindestens 2 ist, mit: n Halbbrücken (11, 12, 13) mit jeweils einem oberen und einem unteren
Schaltelement (Ml bis M6); einer Steuereinrichtung (15), die dazu ausgelegt ist, Steuersignale für die oberen und unteren Schaltelemente (Ml bis M6) der n Halbbrücken (11, 12, 13) zu generieren und an den jeweiligen Schaltelementen (Ml bis M6) bereitzustellen; einer Überwachungseinrichtung (16), die dazu ausgelegt ist, für jedes obere Schaltelement (Ml, M2, M3) und jedes untere Schaltelement (M4, M5, M6) der n Halbbrücken (11, 12, 13) einen Betriebsparameter zu ermitteln; wobei die Steuereinrichtung (16) dazu ausgelegt ist, durch Anpassen der generierten Steuersignale einer Offset-Spannung für die bereitgestellte n-phasige Wechselspannung einzustellen, wobei die Offset-Spannung in Abhängigkeit der ermittelten Betriebsparameter der Schaltelemente (Ml bis M6) eingestellt wird.
2. Stromrichter (1) nach Anspruch 1, wobei der Betriebsparameter der Schaltelemente (Ml bis M6) eine Temperatur, einen Alterungszustand und/oder eine Information über eine Beschädigung des jeweiligen Schaltelements (Ml bis M6) umfasst.
3. Stromrichter (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die
Überwachungseinrichtung (16) mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Betriebsparameters der Schaltelemente (Ml bis M6) umfasst.
4. Stromrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
Überwachungseinrichtung (16) dazu ausgelegt ist, mindestens einen
Betriebsparameter basierend auf einem Rechenmodell zu berechnen.
5. Stromrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die
Überwachungseinrichtung (16) dazu ausgelegt ist, einen gemeinsamen
Betriebsparameter für die Schaltelemente (Ml bis M6) einer Halbbrücke (11, 12, 13) zu ermittelt.
6. Stromrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die
Steuereinrichtung (15) dazu ausgelegt ist, nur dann eine Offset-Spannung für die bereitgestellte n-phasige Wechselspannung einzustellen, wenn mindestens ein ermittelter Betriebsparameter einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
7. Stromrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die
Steuereinrichtung (15) dazu ausgelegt ist, die eingestellten Offset-Spannung für die bereitgestellte n-phasige Wechselspannung in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern der Schaltelemente (Ml bis M6) anzupassen.
8. Elektrisches Antriebssystem, mit: einem Stromrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, und einer n-phasigen elektrischen Maschine (3), die mit dem Stromrichter (1) elektrisch gekoppelt ist.
9. Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters (1), mit den Schritten:
Ansteuern (Sl) der Schaltelemente (Ml bis M6) des Stromrichters (1) zum Bereitstellen einer n-phasigen Wechselspannung, wobei n größer oder gleich 2 ist;
Ermitteln (S2) eines Betriebsparameters für die Schaltelemente (Ml bis M6) des Stromrichters (1); Einstellen (S3) einer Offset-Spannung in der bereitgestellten n-phasigen Wechselspannung in Abhängigkeit des ermittelten Betriebsparameters.
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