WO2018177770A1 - Diagnoseverfahren für einen wechselrichter, wechselrichteranordnung und elektrisches antriebssystem - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a diagnostic method for an inverter, an inverter device, and an electric drive system having an inverter device.
  • Electric drive systems may comprise a single- or multi-phase electric machine, which is controlled by an inverter.
  • the inverter can be supplied with electrical energy, for example, from a DC voltage source.
  • the inverter converts the DC voltage provided on the input side into a suitable AC voltage, so that a desired operating state is set on the electric machine in accordance with a nominal value specification.
  • several half-bridges can be provided in the inverter.
  • Each of these half-bridges may comprise two series-connected switching elements, which are arranged between a positive and a negative input terminal of the inverter.
  • a connection point between the first and second switching elements of a half-bridge can each be coupled to a phase connection of the electrical machine. Accordingly, a half-bridge is provided for each phase of the electric machine.
  • a three-phase electric machine can thus be controlled by means of a so-called B6 bridge of three half-bridges.
  • Document DE 10 2011 081 173 A1 discloses an operating state circuit for driving an inverter.
  • the inverter supplies power here an n-phase electric machine via phase connections with an n-phase supply voltage.
  • the present invention discloses a diagnostic method for an inverter with the features of claim 1, an inverter arrangement with the features of claim 9 and an electric drive system with the features of claim 10.
  • a diagnostic procedure for an inverter includes a DC link capacitor and several half bridges. Each half-bridge comprises a first switching element and a second switching element.
  • the inverter can be coupled on the output side with an electrical consumer.
  • the electrical consumer may be an electrical machine.
  • the method comprises the steps of opening all first switching elements and all second switching elements in the half bridges of the inverter, and charging the intermediate circuit capacitor to a predetermined first voltage.
  • the method further comprises the steps of closing a first switching element in one of the half bridges of the inverter and detecting a faulty second switching element if the electrical voltage across the link capacitor within a predetermined first period of time after closing the first switching element by more than a predetermined first voltage value decreases.
  • the method comprises the steps of opening the closed first switching element and closing a second switching element in one of the half-bridges of the inverter as well as detecting a faulty first switching element, if the electrical Voltage across the DC link capacitor drops within a predetermined second period of time after closing of the second switching element by more than a predetermined second voltage value.
  • the first period of time and the second period of time and / or the predefined first voltage value and the predetermined second voltage value may each be the same.
  • the inverter includes several
  • Each of the half bridges each comprises a first switching element and a second switching element.
  • the first switching element and the second switching element may be arranged in series between a positive and a negative input terminal of the inverter.
  • the intermediate circuit capacitor is provided between the positive and the negative input terminal of the inverter.
  • the inverter can be coupled to an electrical load, in particular an electrical machine.
  • the control device is designed to charge the intermediate circuit capacitor to a predetermined first voltage, to close a first switching element in one of the half bridges of the inverter and to detect a faulty second switching element if the electrical voltage across the intermediate circuit capacitor within a predetermined first time period after Close the first switching element by more than a predetermined first voltage value decreases.
  • control device is designed to open the closed first switching element, to open a second switching element within a half-bridge of the inverter and to detect a faulty first switching element if the electrical voltage across the link capacitor within a predetermined second period of time after closing the second switching element falls by more than a predetermined second voltage value. If appropriate, this operation can only be carried out if no faulty second switching element has been detected.
  • the first predetermined period of time and the second predetermined period of time may be the same.
  • the first predetermined voltage value and the second predetermined voltage value may be the same. Furthermore, it is provided:
  • an electric drive system with an inverter arrangement can be coupled to an electrical load, in particular to an electrical machine. Furthermore, the inverter arrangement can be coupled on the input side via a circuit breaker with an electrical energy source.
  • the present invention is based on the finding that a faulty switching element in an inverter may possibly not enable reliable electrical isolation between the terminals of the switching element.
  • an electrical connection between the terminals of the switching element is maintained even when the switching element receives a drive signal for opening the switching element.
  • an undesirable electrical connection which may optionally lead to a short circuit in the inverter.
  • Such a short circuit allows high electrical currents to flow, which may possibly lead to further damage, in particular to a thermal event.
  • the present invention is therefore based on the idea to take this knowledge into account and provide a diagnosis for an inverter, which can detect a faulty switching element in the inverter. If such a faulty switching element is detected early in the inverter, then measures can be taken to prevent further dangerous operating conditions, such as a short circuit and a thermal event associated with it. In this way, the safety of the inverter and thus of the entire system can be increased.
  • the operating strategy of the inverter can be adapted to maintain at least a short time possibly further operation or optionally at least one emergency operation for a certain time can be provided without dangerous operating conditions occur.
  • the electrical energy used in this case can be limited in particular so that during the diagnosis no excessive load on the components involved occurs. In this way, defective switching elements can be identified without further components being drawn with passion.
  • the steps of opening the closed first switching element, closing the second switching element, and detecting a defective first switching element are executed only if no faulty second switching element has been detected. If it is already detected by the method that a second faulty switching element is present in the inverter, then it can be assumed in this case that proper operation of the inverter is no longer possible. In this case, the further diagnosis can be dispensed with. Alternatively, the detection of a first defective switching element can also be carried out if a faulty second switching element has already been detected previously.
  • the method comprises a step of charging the link capacitor to the predetermined first voltage after the closed first switching element has been opened.
  • the intermediate circuit capacitor can be charged to the predetermined first voltage or, alternatively, to a predetermined further voltage if, during the preceding steps, the DC link voltage has fallen below a predetermined limit value. In this way it can be ensured that even for the detection of a faulty second switching element of the DC link capacitor is charged to a sufficiently high voltage.
  • the detection of a defective first switching element can also be carried out without the intermediate circuit capacitor is recharged. In particular, if there is still a sufficiently high electrical voltage across the DC link capacitor, which is for example above a predetermined threshold voltage, so the detection of a faulty first switching element can also be performed without the DC link capacitor must be charged further.
  • the predetermined first voltage to which the link capacitor is charged may be determined depending on a maximum forward current, a maximum allowable operating temperature, and / or a maximum heat dissipation of the first switching elements and / or the second switching elements in the inverter.
  • the diagnostic method comprises a step of identifying the defective switching element.
  • the step of identifying the defective switching element may be carried out when a defective first switching element and / or a faulty second switching element has been detected.
  • Switching element may then optionally be adapted to the operating strategy of the inverter. Furthermore, by the exact identification of the defective switching element and possibly a required repair of the inverter can be simplified.
  • the step of identifying the defective switching element comprises opening the closed first or second switching element in the half-bridge of the inverter and closing another first or second switching element in a further half-bridge of the Inverter. If necessary, the DC link capacitor can be recharged beforehand.
  • the diagnostic method further comprises a step of releasing the inverter if no faulty first switching element and no faulty second switching element have been detected.
  • the diagnosis and the associated release of the inverter at the beginning of operation of the inverter for example, when switching on the inverter can be performed. In this way it can be ensured that the inverter is activated only when no faulty switching element has been detected in the inverter.
  • charging the DC link capacitor to the predetermined first voltage comprises electrically connecting the DC link capacitor to an external power source.
  • the external power source may be the power source that powers the inverter during normal operation.
  • the external power source may be a traction battery of an electric vehicle that powers an electric drive system during operation of the electric vehicle.
  • the external energy source can also be, for example, a charging device for an electric vehicle, which charges the electric vehicle, in particular the traction battery of the electric vehicle.
  • the charging of the intermediate circuit capacitor to the predetermined voltage can also take place, for example, by means of a DC-DC converter.
  • Such a DC-DC converter can for example convert electrical energy from a further DC voltage network into a required voltage level and provide it to the DC link capacitor.
  • the DC-DC converter may be a DC-DC converter which couples an electrical high-voltage network and a low-voltage electrical network of an electric vehicle to one another. After the intermediate circuit capacitor has been charged to the predetermined voltage, the energy source which charges the intermediate circuit capacitor is first disconnected from the intermediate circuit capacitor before the further steps for the diagnosis of the inverter are carried out.
  • the switching elements of the inverter can, for example, be semiconductor switching elements, such as, for example, bipolar transistors with an insulated gate connection (IGBT) or MOSFET.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electric drive system with an inverter arrangement according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a voltage-time diagram for the voltage curve during a diagnosis of an inverter according to an embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a voltage-time diagram during the diagnosis of an inverter according to an embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a flowchart on which a diagnostic method for an inverter according to an embodiment is based.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an electric drive system with an inverter arrangement according to an embodiment.
  • the electric drive system comprises an electric machine 3 whose phase terminals are electrically connected to an inverter 1.
  • the inverter 1 is fed by an electrical energy source 4, in particular a DC voltage source, for example a traction battery of an electric vehicle.
  • an electrical energy source 4 in particular a DC voltage source, for example a traction battery of an electric vehicle.
  • a circuit breaker 5 is provided which can interrupt or connect the electrical connection between the electric power source 4 and the inverter 1.
  • the inverter 1 comprises a DC link capacitor 2, which is arranged between a positive input terminal and a negative input terminal of the inverter 1.
  • the inverter 1 comprises a plurality of half-bridges 11, 12, 13.
  • the inverter 1 comprises a half-bridge 11 to 13 for each phase of the electric machine 3.
  • the embodiment shown here with three half-bridges serves only for better understanding and does not limit the present invention on exactly three half-bridges.
  • Each of the half bridges 11 to 13 comprises two switching elements Sl to S6.
  • each half bridge 11 to 13 comprises a first switching element Sl to S3 and a second switching element S4 to S6, wherein in each case a first switching element Sl to S3 and a second switching element S4 to S6 are connected in series.
  • Parallel to each switching element Sl to S6 may be provided a freewheeling diode.
  • Each of the half bridges is disposed between the positive input terminal and the negative input terminal of the inverter 1.
  • the connection nodes between the first switching elements S1 to S3 and the second switching elements S4 to S6 are each electrically connected to a phase connection of the electric machine 3.
  • a discharge resistor 6 may be provided in parallel with the intermediate circuit capacitor 2.
  • this discharge resistor 6 By means of this discharge resistor 6 it can be ensured, for example, that the intermediate circuit capacitor 2 is discharged and then, in the case of a disconnected electrical energy source 4, the electrical voltage is applied across the intermediate circuit. Schennikkondensator 2 is reduced to exclude a possible danger to a human.
  • the switching elements S 1 to S 6 of the half bridges 11 to 13 of the inverter 1 can be, for example, metal oxide field effect transistors (MOSFET) or bipolar transistors with an insulated gate connection.
  • MOSFET metal oxide field effect transistors
  • bipolar transistors with an insulated gate connection any other switching elements, in particular any semiconductor switching elements are possible, as they can be used in inverters.
  • the corresponding switching element S1 to S6 may possibly not ensure adequate electrical isolation, so that an electric current flows through the corresponding switching element S1 to S6 even if the corresponding switching element S1 to S6 should be open due to the activation , If the further switching element S 1 to S 6 in the same half-bridge 11 to 13 were closed in such a faulty switching element S 1 to S 6, an electrical short circuit between the positive and the negative input connection of the inverter 1 could then occur. Such an electrical short circuit leads to a high electric current and, associated therewith, to a strong thermal heating. If appropriate, this can lead to a thermal event and possibly involve damage or destruction of further components in the inverter 1.
  • a diagnosis of the switching elements S 1 to S 6 in the inverter 1 can be carried out.
  • a diagnosis of the switching elements S 1 to S 6 in the inverter 1 can be carried out.
  • a control device 22 can evaluate the electrical voltage detected by the voltage sensor 21 and provide the control signals required during the diagnosis at the switching elements S1 to S6.
  • the control device 22 may optionally also control the disconnect switch 5 and, if appropriate, further components of the electric drive system in order to carry out the diagnosis of the switching elements S 1 to S 6.
  • the procedure of the diagnosis of the switching elements Sl to S6 in the inverter 1 will be described.
  • the switching elements S1 to S6 in all half-bridges 11 to 13 are opened.
  • a discharge resistor 6 arranged parallel to the intermediate circuit capacitor 2 can also be decoupled in order to prevent excessive discharge of the intermediate circuit capacitor 2 during the subsequent diagnosis.
  • the DC link capacitor 2 is first charged to a predetermined voltage U0.
  • the circuit breaker 5 controlled between the input of the inverter 1 and the electric power source 4 can be closed briefly until the DC link capacitor 2 is charged to the desired predetermined voltage U0.
  • the predetermined voltage U0 can be chosen in particular such that, even with a discharge of the fully charged intermediate circuit capacitor 2 due to a short circuit within the inverter 1, the components within the inverter 1 continue to operate within their specified specifications.
  • the predetermined electrical voltage U0, to which the intermediate circuit capacitor 2 is charged taking into account a maximum forward current through the switching elements Sl to S6, a maximum operating temperature of the switching elements Sl to S6, a maximum heat dissipation of the switching elements Sl to S6 and / or white - Are set higher operating parameters of the switching elements Sl to S6.
  • the electrical energy E Vi C UO 2 stored in the intermediate circuit capacitor 2 is dissipated via a short circuit in the inverter 1.
  • the DC link capacitor 2 can therefore be charged in particular to an electrical voltage UO, in which a short circuit within the inverter 1 in the
  • DC link capacitor 2 stored electrical energy does not lead to exceeding the specifications of the components in the inverter 1.
  • the intermediate circuit capacitor 2 has been charged to the predetermined electrical voltage U0 and the input side all other electrical connections are open, in particular, the circuit breaker 5 between the inverter 1 and the electric power source 4 is opened, one of the switching elements Sl to S6 in a half-bridge 11 to 13 of the inverter 1 is closed. All other switching elements Sl to S6 remain open.
  • the switching element Sl can be closed while the switching elements S2 to S6 remain open. In this case, the switching elements S4 to S6 can be checked. If the switching elements S4 to S6 are free of errors, then the electrical voltage across the intermediate circuit capacitor 2 will not drop or sink to a very small extent.
  • the switching element S4 is intact but the switching element S5 or the switching element S6 is faulty, in this case the intermediate circuit capacitor 2 will be discharged via the closed switching element S1 and the electrical machine 3 and the defective switching element S5 or S6. Also in this case, the electrical voltage across the DC link capacitor 2 will decrease relatively quickly. However, the voltage drop across the DC link capacitor 2 will be slower with a defective switching element S5 or S6 than with a defective switching element S4, since in this case the electric current also flows through the electric machine 3.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a voltage-time profile on which the diagnosis of an inverter according to an embodiment is based.
  • the method begins at the time tO with the opening of all switching elements Sl to S6 in the inverter 1 and the charging of the DC link capacitor 2 to the predetermined voltage U0.
  • the intermediate circuit capacitor 2 is charged to the predetermined voltage U 0.
  • one of the switching elements Sl to S6 in one of the half bridges 11 to 13 is closed at the time t2, while the remaining switching elements Sl to
  • a first switching element S1 to S6 in one of the half bridges 11 to 13 can be closed.
  • the voltage curve over the intermediate circuit capacitor 2 is monitored during a period of time ⁇ t. If, after expiry of time period ⁇ t, it has been established at time t3 that the electrical voltage across intermediate circuit capacitor 2 drops by less than a predefined voltage value and is therefore above a first limit voltage U1, then it can be assumed that the voltage to be checked in FIG Switching elements is no error and the corresponding switching elements Sl to S6 can provide sufficient electrical insulation.
  • the intermediate circuit capacitor 2 may then be charged again to the predetermined voltage UO.
  • the DC link capacitor 2 it is possible to charge the DC link capacitor 2 to a predetermined voltage, which is different from the predetermined voltage UO during initial charging. In general, however, the DC link capacitor 2 is charged again to the same predetermined voltage U0.
  • all the switching elements S1 to S6 of all half bridges 11 to 13 are again opened before charging.
  • another switching element in one of the half bridges 11 to 13 of the inverter 1 is closed at the time t5.
  • a second switching element S4 to S6 in one of the half-bridges 11 to 13 is closed. If, in the first step, one of the second switching elements S4 to S6 has been closed, in the second step analogous to one of the first switching elements S1 to S3 is closed. Subsequently, the voltage profile across the DC link capacitor 2 is monitored again during a period of time ⁇ t. In this case, analogous to the diagnosis described above, an evaluation of the voltage curve is again carried out in order, if appropriate, to conclude that a faulty switching element S1 to S6 is involved. In particular, it can be checked again whether the electrical
  • Figure 3 shows a schematic representation of a voltage-time diagram, as it is based on a diagnostic method according to an embodiment.
  • the diagnostic method essentially corresponds to the diagnostic method described above.
  • the diagnostic method according to FIG. 3 differs from the diagnostic method according to FIG. 2, in that, after the first charging of the DC link capacitor 2 and the first closing of a switching element S1 to S6 after the first time period ⁇ t has ended, for detecting a faulty switching element, first far the electrical voltage across the DC link capacitor 2 has dropped. If it is found that the electrical voltage across the DC link capacitor 2 is still sufficiently large, it can be dispensed with a further charging of the DC link capacitor 2 for the subsequent diagnostic cycle.
  • the limit voltages Ul and U2 for the detection of faulty switching elements can be adapted to corresponding corrected limit voltages Ul 'and U2' ,
  • the DC link capacitor 2 is first charged again to the predetermined voltage U0 before the subsequent diagnosis is carried out.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a flowchart on which a diagnostic method 100 for an inverter 1 according to an embodiment is based.
  • the diagnostic procedure corresponds in particular to the method, as has been described in the previous connection with the electric drive system.
  • step 110 first all first switching elements S1 to S3 and all second switching elements S4 to S6 in the half bridges 11 to 13 of the inverter 1 are opened. Subsequently, in step 120, the DC link capacitor 2 is charged to a predetermined first voltage U0. Subsequently, in step 130, a first switching element S1 to S3 in a half-bridge 11 to 13 of the inverter is closed. Thereupon, a faulty second switching element S4 to S6 can be detected in step 140, if the electrical voltage across the DC link capacitor 2 within a predetermined first time period At after closing the first switching element Sl to S3 drops by more than a predetermined first voltage value.
  • a faulty second switching element is detected, then the method can be terminated if necessary. If no faulty switching element is detected, or if the method is to be continued despite a faulty detected switching element, then in step 150 the closed first switching element Sl to S3 is opened and in step 160 a second switching element S4 to S6 in a half bridge 11 to 13 of the inverter 1 closed. Thereupon, in step 170, a faulty first switching element S1 to S3 can be detected if the electrical voltage across the DC link capacitor 2 drops by more than a predetermined second voltage value within a predetermined second period of time after the closing of the second switching element S4 to S6.
  • the predetermined second time span may in particular also correspond to the predetermined first time period At.
  • the predetermined second voltage value may also correspond to the predetermined first voltage value.
  • the present invention relates to a diagnosis of the switching elements in an inverter, in particular an inverter of an electric drive system.
  • it is provided to charge a DC link capacitor of the inverter and targeted either a switching capacitor element of the upper switch in the half-bridges of the inverter or to close a switching element of the lower switch of the half-bridges of the inverter.
  • By monitoring the voltage profile across the DC link capacitor can then be determined whether one of the switching elements in the inverter has an error.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Diagnose der Schaltelemente in einem Wechselrichter, insbesondere einem Wechselrichter eines elektrischen Antriebssystems. Hierzu ist es vorgesehen, einen Zwischenkreiskondensator des Wechselrichters aufzuladen und gezielt entweder ein Schaltelement der oberen Schalter in den Halbbrücken des Wechselrichters oder ein Schaltelement der unteren Schalter der Halbbrücken des Wechselrichters zu schließen. Durch Überwachen des Spannungsverlaufs über dem Zwischenkreiskondensator kann daraufhin festgestellt werden, ob eines der Schaltelemente in dem Wechselrichter einen Fehler aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Diagnoseverfahren für einen Wechselrichter, Wechselrichteranordnung und elektrisches Antriebssystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren für einen Wechselrichter, eine Wechselrichteranordnung und eine elektrisches Antriebssystem mit einer Wechselrichteranordnung.
Stand der Technik
Elektrische Antriebssysteme können eine ein- oder mehrphasige elektrische Maschine umfassen, die von einem Wechselrichter angesteuert wird. Hierzu kann der Wechselrichter beispielsweise von einer Gleichspannungsquelle mit elektrischer Energie versorgt werden. Der Wechselrichter wandelt dabei die eingangs- seitig bereitgestellte Gleichspannung in eine geeignete Wechselspannung um, so dass an der elektrischen Maschine entsprechend einer Sollwertvorgabe ein gewünschter Betriebszustand eingestellt wird. Hierzu können in dem Wechselrichter mehrere Halbbrücken vorgesehen sein. Jede dieser Halbbrücken kann zwei in Serie geschaltete Schaltelemente aufweisen, die zwischen einem positiven und einem negativen Eingangsanschluss des Wechselrichters angeordnet sind. Ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten und zweiten Schaltelement einer Halbbrücke kann jeweils mit einem Phasenanschluss der elektrischen Maschine gekoppelt werden. Entsprechend ist für jede Phase der elektrischen Maschine eine Halbbrücke vorgesehen. Beispielsweise kann eine dreiphasige elektrische Maschine somit mittels einer sogenannten B6-Brücke aus drei Halbbrücken angesteuert werden.
Die Druckschrift DE 10 2011 081 173 AI offenbart eine Betriebszustandsschal- tung zum Ansteuern eines Wechselrichters. Der Wechselrichter versorgt hierbei eine n-phasige elektrische Maschine über Phasenanschlüsse mit einer n- phasigen Versorgungsspannung.
Für einen ordnungsgemäßen Betrieb eines elektrischen Antriebssystems mit einem zuvor beschriebenen Wechselrichter sollte sichergestellt werden, dass die Schaltelemente in dem Wechselrichter fehlerfrei funktionieren.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Diagnoseverfahren für einen Wechselrichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Wechselrichteranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Diagnoseverfahren für einen Wechselrichter. Der Wechselrichter umfasst einen Zwischenkreiskondensator und mehrere Halbbrücken. Jede Halbbrücken umfasst jeweils ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement. Der Wechselrichter kann ausgangsseitig mit einem elektrischen Verbraucher gekoppelt werden. Insbesondere kann es sich bei dem elektrischen Verbraucher um eine elektrische Maschine handeln. Das Verfahren umfasst die Schritte des Öffnens aller ersten Schaltelemente und aller zweiten Schaltelemente in den Halbbrücken des Wechselrichters, und des Aufladens des Zwischenkreiskondensa- tors auf eine vorbestimmte erste Spannung. Das Verfahren umfasst ferner die Schritte des Schließens eines ersten Schaltelements in einer der Halbbrücken des Wechselrichters und des Detektierens eines fehlerhaften zweiten Schaltelements, falls die elektrische Spannung über den Zwischenkreiskondensator innerhalb einer vorbestimmten ersten Zeitspanne nach dem Schließen des ersten Schaltelements um mehr als einen vorgegebenen ersten Spannungswert absinkt. Falls ein fehlerhaftes zweites Schaltelement detektiert worden ist, kann das Verfahren daraufhin beendet werden. Andernfalls umfasst das Verfahren die Schritte des Öffnens des geschlossenen ersten Schaltelements und des Schließens eines zweiten Schaltelements in einer der Halbbrücken des Wechselrichters sowie des Detektierens eines fehlerhaften ersten Schaltelements, falls die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator innerhalb einer vorbestimmten zweiten Zeitspanne nach dem Schließen des zweiten Schaltelements um mehr als einen vorgegebenen zweiten Spannungswert absinkt. Insbesondere können die erste Zeitspanne und die zweite Zeitspanne und/oder der vorgegebene erste Spannungswert und der vorgegebene zweite Spannungswert jeweils gleich sein.
Ferner ist vorgesehen:
Eine Wechselrichteranordnung mit einem Wechselrichter, einem Zwischenkreis- kondensator und einer Steuereinrichtung. Der Wechselrichter umfasst mehrere
Halbbrücken. Jede der Halbbrücken umfasst jeweils ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement. Das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement können in Serie zwischen einem positiven und einem negativen Ein- gangsanschluss des Wechselrichters angeordnet sein. Ferner ist zwischen dem positiven und dem negativen Eingangsanschluss des Wechselrichters der Zwischenkreiskondensator vorgesehen. Ausgangsseitig kann der Wechselrichter mit einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einer elektrischen Maschine gekoppelt sein. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, den Zwischenkreiskondensator auf eine vorbestimmte erste Spannung aufzuladen, ein erstes Schalt- element in einer der Halbbrücken des Wechselrichters zu schließen und ein fehlerhaftes zweites Schaltelement zu detektieren, falls die elektrische Spannung über den Zwischenkreiskondensator innerhalb einer vorbestimmten ersten Zeitspanne nach dem Schließen des ersten Schaltelements um mehr als einen vorgegebenen ersten Spannungswert absinkt. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, das geschlossene erste Schaltelement zu öffnen, ein zweites Schaltelement innerhalb einer Halbbrücke des Wechselrichters zu öffnen und ein fehlerhaftes erstes Schaltelement zu detektieren, falls die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator innerhalb einer vorbestimmten zweiten Zeitspanne nach dem Schließen des zweiten Schaltelements um mehr als einen vorgegebenen zweiten Spannungswert absinkt. Diese Operation kann gegebenenfalls nur dann ausgeführt werden, falls kein fehlerhaftes zweites Schaltelement detektiert worden ist. Die erste vorgegebene Zeitspanne und die zweite vorgegebene Zeitspanne können gegebenenfalls gleich sein. Ebenfalls können der erste vorgegebene Spannungswert und der zweite vorgegebene Span- nungswert gegebenenfalls gleich sein. Weiterhin ist vorgesehen:
Ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung. Die Wechselrichteranordnung kann ausgangsseitig mit einem elektrischen Verbraucher, insbesondere mit einer elektrischen Maschine gekoppelt sein. Ferner kann die Wechselrichteranordnung eingangsseitig über einen Trennschalter mit einer elektrischen Energiequelle koppelbar sein.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein fehlerhaftes Schaltelement in einem Wechselrichter gegebenenfalls keine zuverlässige elektrische Trennung zwischen den Anschlüssen des Schaltelements ermöglichen kann. In diesem Fall bleibt eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen des Schaltelements auch dann aufrechterhalten, wenn das Schaltelement ein Ansteuersignal zum Öffnen des Schaltelements empfängt. Während des Betriebs des Wechselrichters kann dabei über ein solches fehlerhaftes Schaltelement eine unerwünschte elektrische Verbindung hergestellt werden, die gegebenenfalls zu einem Kurzschluss in dem Wechselrichter führen kann. Durch einen solchen Kurzschluss können hohe elektrische Ströme fließen, die gegebenenfalls zu weiteren Beschädigungen, insbesondere zu einem thermischen Ereignis führen können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Diagnose für einen Wechselrichter vorzusehen, welche ein fehlerhaftes Schaltelement in dem Wechselrichter detektieren kann. Wird ein solches fehlerhaftes Schaltelement in dem Wechselrichter frühzeitig erkannt, so können daraufhin Maßnahmen eingeleitet werden, die weitere gefährliche Betriebszustände, wie zum Beispiel einen Kurzschluss und ein damit verbundenes thermisches Ereignis verhindern können. Auf diese Weise kann die Sicherheit des Wechselrichters und damit des gesamten Systems gesteigert werden. Durch das Identifizieren eines fehlerhaften Schaltelements in dem Wechselrichter kann gegebenenfalls die Betriebsstrategie des Wechselrichters angepasst werden, um zumindest kurzzeitig eventuell einen weiteren Betrieb aufrechtzuerhalten oder es kann gegebenenfalls zumindest ein Notbetrieb für eine gewisse Zeit bereitgestellt werden, ohne dass dabei gefährliche Betriebszustände auftreten.
Für die Diagnose des Wechselrichters kann die dabei verwendete elektrische Energie insbesondere so weit begrenzt werden, dass während der Diagnose keine übermäßige Belastung der beteiligten Bauelemente auftritt. Auf diese Weise können fehlerhafte Schaltelemente identifiziert werden, ohne dass dabei weitere Bauelemente mit in Leidenschaft gezogen werden.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Schritte des Öffnens des geschlossenen ersten Schaltelements, des Schließens des zweiten Schaltelements und des Detektierens eines fehlerhaften ersten Schaltelements nur dann ausgeführt, falls kein fehlerhaftes zweites Schaltelement detektiert worden ist. Wird durch das Verfahren zuvor bereits detektiert, dass ein zweites fehlerhaftes Schaltelement in dem Wechselrichter vorhanden ist, so kann in diesem Fall davon ausgegangen werden, dass kein ordnungsgemäßer Betrieb des Wechselrichters mehr möglich ist. In diesem Fall kann auf die weitere Diagnose verzichtet werden. Alternativ kann das Detektieren eines ersten fehlerhaften Schaltelements auch dann ausgeführt werden, wenn zuvor bereits ein fehlerhaftes zweites Schaltelement detektiert worden ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators auf die vorbestimmte erste Spannung, nachdem das geschlossene erste Schaltelement geöffnet worden ist. Insbesondere kann der Zwischenkreiskondensator auf die vorbestimmte erste Spannung oder alternativ auch auf eine vorbestimmte weitere Spannung aufgeladen werden, wenn während den voraufgegangenen Schritten die Zwischenkreisspan- nung unter einen vorgegebenen Grenzwert abgesunken ist. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass auch für die Detektion eines fehlerhaften zweiten Schaltelements der Zwischenkreiskondensator auf eine ausreichend hohe Spannung aufgeladen ist. Alternativ kann das Detektieren eines fehlerhaften ersten Schaltelements auch ausgeführt werden, ohne dass zuvor der Zwischen- kreiskondensator erneut aufgeladen wird. Insbesondere wenn noch eine ausreichend hohe elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator anliegt, die beispielsweise oberhalb einer vorgegebenen Grenzspannung liegt, so kann die Detektion eines fehlerhaften ersten Schaltelements auch ausgeführt werden, ohne dass der Zwischenkreiskondensator weiter aufgeladen werden muss.
Gemäß einer Ausführungsform kann die vorbestimmte erste Spannung, auf die der Zwischenkreiskondensator aufgeladen wird, in Abhängigkeit von einem maximalen Durchlassstrom, einer maximalen zulässigen Betriebstemperatur und/oder einer maximalen Wärmedissipation der ersten Schaltelemente und/oder der zweiten Schaltelemente in dem Wechselrichter bestimmt werden. Durch das Begrenzen der elektrischen Spannung, auf die der Zwischenkreiskondensator während der Diagnose aufgeladen wird, wird auch die in dem Zwischenkreiskondensator gespeicherte elektrische Energie begrenzt. Auf diese Weise kann si- chergestellt werden, dass während der Diagnose des Wechselrichters die Bauelemente in dem Wechselrichter nicht überlastet werden. Insbesondere kann gewährleistet werden, dass auch bei einem fehlerhaften Schaltelement und einem damit gegebenenfalls verbundenen Kurzschluss die weiteren Bauelemente nicht oberhalb ihrer zulässigen Spezifikationen betrieben werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Diagnoseverfahren einen Schritt zum Identifizieren des fehlerhaften Schaltelements. Insbesondere kann der Schritt zum Identifizieren des fehlerhaften Schaltelements dann ausgeführt werden, wenn ein fehlerhaftes erstes Schaltelement und/oder ein fehlerhaftes zwei- tes Schaltelement detektiert worden ist. Durch das Identifizieren des fehlerhaften
Schaltelements kann gegebenenfalls daraufhin die Betriebsstrategie des Wechselrichters angepasst werden. Ferner kann durch die genaue Identifizierung des fehlhaften Schaltelements auch gegebenenfalls eine erforderliche Reparatur des Wechselrichters vereinfacht werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Schritt zum Identifizieren des fehlerhaften Schaltelements ein Öffnen des geschlossenen ersten oder zweiten Schaltelements in der Halbbrücke des Wechselrichters und ein Schließen eines weiteren ersten oder zweiten Schaltelements in einer weiteren Halbbrücke des Wechselrichters. Gegebenenfalls kann zuvor der Zwischenkreiskondensator erneut aufgeladen werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Diagnoseverfahren ferner einen Schritt zum Freigeben des Wechselrichters, falls kein fehlerhaftes erstes Schaltelement und kein fehlerhaftes zweites Schaltelement detektiert worden ist. Insbesondere kann die Diagnose und die damit verbundene Freigabe des Wechselrichters zu Betriebsbeginn des Wechselrichters, beispielsweise beim Einschalten des Wechselrichters ausgeführt werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Wechselrichter nur dann aktiviert wird, wenn kein fehlerhaftes Schaltelement in dem Wechselrichter detektiert worden ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Aufladen des Zwischenkreiskonden- sators auf die vorbestimmte erste Spannung ein elektrisches Verbinden des Zwi- schenkreiskondensators mit einer externen Energiequelle. Bei der externen Energiequelle kann es sich beispielsweise um die Energiequelle handeln, welche den Wechselrichter während des normalen Betriebs speist. Beispielsweise kann es sich bei der externen Energiequelle um eine Traktionsbatterie eines Elektro- fahrzeugs handeln, welche ein elektrisches Antriebssystem während des Betriebs des Elektrofahrzeugs speist. Ferner kann es sich bei der externen Energiequelle beispielsweise auch um eine Ladevorrichtung für ein Elektrofahrzeug handeln, welche das Elektrofahrzeug, insbesondere die Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs auflädt. Zusätzlich oder alternativ kann das Aufladen des Zwi- schenkreiskondensators auf die vorbestimmte Spannung auch beispielsweise mittels eines Gleichspannungswandlers erfolgen. Ein solcher Gleichspannungswandler kann beispielsweise elektrische Energie aus einem weiteren Gleichspannungsnetz in eine erforderliche Spannungshöhe konvertieren und an dem Zwischenkreiskondensator bereitstellen. Beispielsweise kann es sich bei dem Gleichspannungswandler um einen Gleichspannungswandler handeln, welcher ein elektrisches Hochvoltnetz und ein elektrisches Niedervoltnetz eines Elektrofahrzeugs miteinander koppelt. Nach dem Aufladen des Zwischenkreiskondensa- tors auf die vorbestimmte Spannung wird die Energiequelle, welche den Zwischenkreiskondensator auflädt, zunächst von dem Zwischenkreiskondensator getrennt, bevor die weiteren Schritte zur Diagnose des Wechselrichters ausgeführt werden. Bei den Schaltelementen des Wechselrichters kann es sich insbesondere beispielsweise um Halbleiterschaltelemente, wie zum Beispiel bipolare Transistoren mit einem isolierten Gateanschluss (IGBT) oder MOSFET handeln.
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 als Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden 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:
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einer Wechselrichteranordnung gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Spannungs-Zeitdiagramms für den Spannungsverlauf während einer Diagnose eines Wechselrichters gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines Spannungs-Zeitdiagramms während der Diagnose eines Wechselrichters gemäß einer Ausführungsform; und
Fig. 4: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Diagnoseverfahren für einen Wechselrichter gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Ausführungsformen der Erfindung Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einer Wechselrichteranordnung gemäß einer Ausführungsform. Das elektrische Antriebssystem umfasst eine elektrische Maschine 3, deren Phasenanschlüsse mit einem Wechselrichter 1 elektrisch verbunden sind. Eingangsseitig wird der Wechselrichter 1 von einer elektrischen Energiequelle 4, insbesondere einer Gleichspannungsquelle, zum Beispiel einer Traktionsbatterie eines Elektro- fahrzeugs, gespeist. Zwischen der elektrischen Energiequelle 4 und dem Wechselrichter 1 ist ein Trennschalter 5 vorgesehen, der die elektrische Verbindung zwischen der elektrischen Energiequelle 4 und dem Wechselrichter 1 unterbrechen oder verbinden kann. Eingangsseitig umfasst der Wechselrichter 1 einen Zwischenkreiskondensator 2, der zwischen einem positiven Eingangsanschluss und einem negativen Eingangsanschluss des Wechselrichters 1 angeordnet ist.
Der Wechselrichter 1 umfasst mehrere Halbbrücken 11, 12, 13. Insbesondere umfasst der Wechselrichter 1 für jede Phase der elektrischen Maschine 3 eine Halbbrücke 11 bis 13. Die hier dargestellte Ausführungsform mit drei Halbbrücken dient dabei lediglich dem besseren Verständnis und stellt keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung auf genau drei Halbbrücken dar.
Jede der Halbbrücken 11 bis 13 umfasst zwei Schaltelemente Sl bis S6. Insbesondere umfasst jede Halbbrücke 11 bis 13 ein erstes Schaltelement Sl bis S3 und ein zweites Schaltelement S4 bis S6, wobei jeweils ein erstes Schaltelement Sl bis S3 und ein zweites Schaltelement S4 bis S6 in Serie geschaltet sind. Parallel zu jedem Schaltelement Sl bis S6 kann eine Freilaufdiode vorgesehen sein. Jede der Halbbrücke ist zwischen dem positiven Eingangsanschluss und dem negativen Eingangsanschluss des Wechselrichters 1 angeordnet. Die Verbindungsknoten zwischen den ersten Schaltelementen Sl bis S3 und den zweiten Schaltelementen S4 bis S6 sind jeweils mit einem Phasenanschluss der elektrischen Maschine 3 elektrisch verbunden. Gegebenenfalls kann parallel zu dem Zwischenkreiskondensator 2 ein Entladewiderstand 6 vorgesehen sein. Durch diesen Entladewiderstand 6 kann beispielsweise gewährleistet werden, dass der Zwischenkreiskondensator 2 entladen wird und daraufhin bei einer abgetrennten elektrischen Energiequelle 4 die elektrische Spannung über den Zwi- schenkreiskondensator 2 abgebaut wird, um ein mögliche Gefahr für einen Menschen auszuschließen.
Bei den Schaltelementen Sl bis S6 der Halbbrücken 11 bis 13 des Wechselrichters 1 kann es sich beispielsweise um Metalloxidfeldeffekttransistoren (MOSFET) oder bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate-Anschluss handeln. Darüber hinaus sind auch beliebige weitere Schaltelemente, insbesondere beliebige Halbleiterschaltelemente möglich, wie sie in Wechselrichtern eingesetzt werden können. Bei einem fehlerhaften Schaltelement Sl bis S6 kann gegebenenfalls das entsprechende Schaltelement Sl bis S6 keine ausreichende elektrische Trennung gewährleisten, so dass selbst dann ein elektrischer Strom über das entsprechende Schaltelement Sl bis S6 fließt, wenn das entsprechende Schaltelement Sl bis S6 aufgrund der Ansteuerung geöffnet sein sollte. Würde bei einem solch fehlerhaften Schaltelement Sl bis S6 das weitere Schaltelement Sl bis S6 in derselben Halbbrücke 11 bis 13 geschlossen werden, so könnte daraufhin ein elektrischer Kurzschluss zwischen dem positiven und dem negativen Eingangs- anschluss des Wechselrichters 1 auftreten. Ein solcher elektrischer Kurzschluss führt zu einem hohen elektrischen Strom und damit verbunden zu einer starken thermischen Erwärmung. Dies kann gegebenenfalls bis hin zu einem thermischen Ereignis führen und gegebenenfalls eine Beschädigung oder Zerstörung weiterer Bauelemente in dem Wechselrichter 1 mit sich ziehen.
Um sicherzustellen, dass während des Betriebs des Wechselrichters 1 durch alle Schaltelemente Sl bis S6 eine ordnungsgemäße elektrische Trennung gewährleistet werden kann, kann eine Diagnose der Schaltelemente Sl bis S6 in dem Wechselrichter 1 ausgeführt werden. Hierzu kann beispielsweise mittels eines Spannungssensors 21 eine elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskon- densator 2 erfasst werden. Weiterhin kann eine Steuereinrichtung 22 die von dem Spannungssensor 21 erfasste elektrische Spannung auswerten und die während der Diagnose erforderlichen Steuersignale an den Schaltelementen Sl bis S6 bereitstellen. Ferner kann die Steuereinrichtung 22 gegebenenfalls auch den Trennschalter 5 sowie gegebenenfalls weitere Komponenten des elektrischen Antriebssystems ansteuern, um die Diagnose der Schaltelemente Sl bis S6 auszuführen. Im Folgenden wird der Ablauf der Diagnose der Schaltelemente Sl bis S6 in dem Wechselrichter 1 beschrieben.
Zu Beginn der Diagnose werden alle Schaltelemente Sl bis S6 in allen Halbbrü- cken 11 bis 13 geöffnet. Gegebenenfalls kann auch ein parallel zu dem Zwi- schenkreiskondensator 2 angeordneter Entladewiderstand 6 entkoppelt werden, um während der nachfolgenden Diagnose eine übermäßige Entladung des Zwi- schenkreiskondensators 2 zu verhindern. Nachdem die Schaltelemente Sl bis S6 des Wechselrichters 1 geöffnet worden sind, wird der Zwischenkreiskondensator 2 zunächst auf eine vorgegebene Spannung U0 aufgeladen. Hierzu kann beispielsweise der Trennschalter 5 zwischen dem Eingang des Wechselrichters 1 und der elektrischen Energiequelle 4 kontrolliert kurzzeitig geschlossen werden, bis der Zwischenkreiskondensator 2 auf die gewünschte vorbestimmte Spannung U0 aufgeladen ist. Die vorbestimmte Spannung U0 kann dabei insbesondere so gewählt werden, dass selbst bei einer Entladung des vollständig aufgeladenen Zwischenkreiskondensators 2 aufgrund eines Kurzschlusses innerhalb des Wechselrichters 1 die Bauelemente innerhalb des Wechselrichters 1 weiterhin innerhalb ihrer vorgegebenen Spezifika- tionen betrieben werden. Insbesondere kann die vorgegebene elektrische Spannung U0, auf die der Zwischenkreiskondensator 2 aufgeladen wird, dabei unter Berücksichtigung eines maximalen Durchlassstroms durch die Schaltelemente Sl bis S6, einer maximalen Betriebstemperatur der Schaltelemente Sl bis S6, einer maximalen Wärmedissipation der Schaltelemente Sl bis S6 und/oder wei- teren Betriebsparametern der Schaltelemente Sl bis S6 festgelegt werden. Hierzu kann beispielsweise davon ausgegangen werden, dass die in dem Zwischenkreiskondensator 2 gespeicherte elektrische Energie E = Vi C UO2 über einen Kurzschluss in dem Wechselrichter 1 abgebaut wird. Der Zwischenkreiskondensator 2 kann daher insbesondere auf eine elektrische Spannung UO aufgeladen werden, bei der auch ein Kurzschluss innerhalb des Wechselrichters 1 die in dem
Zwischenkreiskondensator 2 gespeicherte elektrische Energie nicht zu einem Überschreiten der Spezifikationen der Bauelemente in dem Wechselrichter 1 führt. Nachdem der Zwischenkreiskondensator 2 auf die vorgegebene elektrische Spannung U0 aufgeladen worden ist und auch eingangsseitig alle weiteren elektrischen Verbindungen geöffnet sind, insbesondere auch der Trennschalter 5 zwischen dem Wechselrichter 1 und der elektrischen Energiequelle 4 geöffnet ist, wird eines der Schaltelemente Sl bis S6 in einer Halbbrücke 11 bis 13 des Wechselrichters 1 geschlossen. Alle weiteren Schaltelemente Sl bis S6 bleiben dabei geöffnet. Beispielsweise kann das Schaltelement Sl geschlossen werden, während die Schaltelemente S2 bis S6 geöffnet bleiben. In diesem Fall können die Schaltelemente S4 bis S6 überprüft werden. Sind die Schaltelemente S4 bis S6 fehlerfrei, so wird die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 2 nicht oder in einem sehr geringen Maße absinken. Ist dagegen das Schaltelement S4 defekt, so dass zwischen dem Schaltelement Sl und dem negativen Eingangsanschluss des Wechselrichters 1 eine elektrische Verbindung besteht, so wird in diesem Fall der Zwischenkreiskondensator 2 über das geschlossene Schaltelement Sl und das defekte Schaltelement S4 rasch entladen werden.
Ist dagegen das Schaltelement S4 intakt, jedoch das Schaltelement S5 oder das Schaltelement S6 fehlerhaft, so wird in diesem Fall der Zwischenkreiskondensator 2 über das geschlossene Schaltelement Sl sowie die elektrische Maschine 3 und das defekte Schaltelement S5 oder S6 entladen werden. Auch in diesem Fall wird die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 2 relativ rasch absinken. Jedoch wird der Spannungsabfall über dem Zwischenkreiskondensator 2 bei einem defekten Schaltelement S5 oder S6 langsamer verlaufen, als bei einem defekten Schaltelement S4, da in diesem Fall der elektrische Strom auch durch die elektrische Maschine 3 fließt.
Durch Auswerten des Spannungsabfalls über dem Zwischenkreiskondensator 2, der beispielsweise mittels dem Spannungssensor 21 erfasst werden kann, kann daraufhin festgestellt werden, ob in einem der Schaltelemente S4 bis S6 ein Fehler auftritt, der dazu führt, dass über einem Schaltelement S4 bis S6 eine elektrische Verbindung besteht, selbst wenn das entsprechende Schaltelement Sl bis S6 sein sollte. Allgemein ausgedrückt, kann nach dem Aufladen des Zwischenkreiskondensa- tors 2 auf eine vorgegebene Spannung U0 und dem Schließen eines ersten Halbleiterschalters Sl bis S3 in einer der Halbbrücken 11 bis 13 detektiert werden, ob eines der zweiten Schaltelemente S4 bis S6 fehlerhaft ist und daher kei- ne ausreichende elektrische Trennung ermöglichen kann.
In gleicher Weise kann analog durch Schließen eines der zweiten Schaltelemente S4 bis S6 und einer Auswertung des Spannungsverlaufs über dem Zwischen- kreiskondensator 2 detektiert werden, ob eines der ersten Schaltelemente Sl bis S3 fehlerhaft ist und keine ausreichende elektrische Trennung gewährleisten kann.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Spannungs-Zeitverlaufs, wie er der Diagnose eines Wechselrichters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das Verfahren beginnt zum Zeitpunkt tO mit dem Öffnen aller Schaltelemente Sl bis S6 in dem Wechselrichter 1 und dem Aufladen des Zwischenkreiskon- densators 2 auf die vorgegebene Spannung U0. Zum Zeitpunkt tl ist der Zwi- schenkreiskondensator 2 auf die vorgegebene Spannung U0 aufgeladen. Anschließend wird eines der Schaltelemente Sl bis S6 in einer der Halbbrücken 11 bis 13 zum Zeitpunkt t2 geschlossen, während die übrigen Schaltelemente Sl bis
S6 geschlossen bleiben. Beispielsweise kann zunächst ein erstes Schaltelement Sl bis S6 in einer der Halbbrücken 11 bis 13 geschlossen werden. Anschließend wird während einer Zeitspanne At der Spannungsverlauf über dem Zwischen- kreiskondensator 2 überwacht. Wird nach Ablauf der Zeitspanne At zum Zeit- punkt t3 festgestellt, dass die elektrische Spannung über dem Zwischenkreis- kondensator 2 um weniger als einen vorgegebenen Spannungswert absinkt und somit oberhalb einer ersten Grenzspannung Ul liegt, so kann davon ausgegangen werden, dass in den zu überprüfenden Schaltelementen kein Fehler vorliegt und die entsprechenden Schaltelemente Sl bis S6 eine ausreichende elektrische Isolierung bereitstellen können.
Ist die elektrische Spannung dagegen um mehr als den vorgegebenen Spannungswert abgesunken und liegt damit unterhalb der vorgegebenen ersten Grenzspannung Ul, so ist dies ein Hinweis darauf, dass zumindest eines der zu überprüfenden Schaltelemente S4 bis S6 einen Fehler aufweist. Liegt die elektri- sehe Spannung dabei unterhalb einer zweiten Grenzspannung U2, so ist dies ein Hinweis darauf, dass das Schaltelement in der Halbbrücken defekt ist, in welcher das Schaltelement gezielt geschlossen worden ist. Ist beispielsweise das erste Schaltelement Sl der ersten Halbbrücke geschlossen worden, und liegt die elekt- rische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 2 unterhalb der zweiten
Grenzspannung U2, so ist dies ein Hinweis darauf, dass auch das zweite Schaltelement S4 der ersten Halbbrücke 11 eine elektrische Verbindung aufweist.
Liegt dagegen die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator zwischen der ersten Grenzspannung Ul und der zweiten Grenzspannung U2, so ist dies ein Hinweis darauf, dass ein Schaltelement S5 oder S6 in einer Halbbrücke 12 oder 13 defekt ist, in der sich nicht das geschlossene Schaltelement Sl befindet. Ist ein fehlerhaftes Schaltelement S4 bis S6 detektiert worden, das heißt die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 2 ist unterhalb die erste Grenzspannung Ul gesunken, so kann daraufhin gegebenenfalls die Diagnose des Wechselrichters 1 beendet werden, da bereits zu diesem Zeitpunkt bekannt ist, dass in dem Wechselrichter 1 ein Fehler vorhanden ist. Alternativ kann jedoch auch bei einem detektierten Fehler in einem der Schaltelemente S4 bis
S6 die Diagnose fortgesetzt werden.
Ist kein Fehler in einem der Schaltelemente S4 bis S6 detektiert worden oder soll die Diagnose auch bei einem fehlerhaft diagnostizierten Schaltelement fortge- setzt werden, so kann daraufhin gegebenenfalls der Zwischenkreiskondensator 2 erneut auf die vorgegebene Spannung UO aufgeladen werden. Grundsätzlich ist es möglich, den Zwischenkreiskondensator 2 dabei auf eine vorgegebene Spannung aufzuladen, die von der vorgegebenen Spannung UO beim erstmaligen Aufladen verschieden ist. In der Regel wird der Zwischenkreiskondensator 2 jedoch erneut auf die gleiche vorgegebene Spannung U0 aufgeladen. Hierzu werden vor dem Aufladen erneut wieder alle Schaltelemente Sl bis S6 aller Halbbrücken 11 bis 13 geöffnet. Nachdem zum Zeitpunkt t4 der Zwischenkreiskondensator 2 wieder auf die vorgegebene Spannung U0 aufgeladen worden ist, wird zum Zeitpunkt t5 ein weiteres Schaltelement in einer der Halbbrücken 11 bis 13 des Wechselrichters 1 geschlossen. Falls während der oben beschriebenen ersten Überprüfung ein erstes Schaltelement Sl bis S3 in einer der Halbbrücken 11 bis 13 geschlossen worden ist, so wird in diesem zweiten Schritt ein zweites Schaltelement S4 bis S6 in einer der Halbbrücken 11 bis 13 geschlossen. Falls im ersten Schritt eines der zweiten Schaltelemente S4 bis S6 geschlossen worden ist, so wird in dem zweiten Schritt analog eines der ersten Schaltelemente Sl bis S3 geschlossen. Daraufhin wird erneut während einer Zeitspanne At der Spannungsverlauf über dem Zwischenkreiskondensator 2 überwacht. In diesem Fall erfolgt analog zu der zuvor beschriebenen Diagnose wieder eine Auswertung des Spannungsverlaufs, um gegebenenfalls auf ein fehlerhaftes Schaltelement Sl bis S6 zu schließen. Insbesondere kann erneut überprüft werden, ob die elektrische
Spannung über dem Zwischenkreiskondensator unter die erste Grenzspannung Ul oder gegebenenfalls sogar unter die zweite Grenzspannung U2 sinkt, daraus einen Hinweis auf ein fehlerhaftes Schaltelement zu entnehmen.
Ist auch nach Ablauf der Zeitspanne At zum Zeitpunkt t6 die elektrische Spannung über den Zwischenkreiskondensator 2 nicht unterhalb die erste Grenzspannung Ul gesunken, so kann davon ausgegangen werden, dass alle Schaltelemente Sl bis S6 in dem Wechselrichter 1 intakt sind. In diesem Fall kann der Betrieb des Wechselrichters 1 freigegeben werden. Wird dagegen ein Fehler in einem der Schaltelemente Sl bis S6 detektiert, so kann der Betrieb des Wechselrichters 1 unterbunden werden. Alternativ kann gegebenenfalls auch eine alternative Betriebsstrategie für den Betrieb des Wechselrichters 1 zugrunde gelegt werden, die das als defekt klassifizierte Schaltelement Sl bis S6 berücksichtigt.
Wird während der Diagnose des Wechselrichters 1 festgestellt, dass eines der Schaltelemente Sl bis S6 defekt ist, welches sich nicht in der gleiche Halbbrücke 11 bis 13 befindet, in der auch das gezielt geschlossene Schaltelement Sl bis S6 sich befindet, so kann gegebenenfalls durch ein erneutes Aufladen des Zwi- schenkreiskondensators 2 und das Schließen eines entsprechenden Schaltelements in einer weiteren Halbbrücke 11 bis 13 eine Diagnose ausgeführt werden, um das fehlerhafte Schaltelement Sl bis S6 zu identifizieren.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Spannungs-Zeitdiagramms, wie es einem Diagnoseverfahren gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das Diagnoseverfahren entspricht hierbei im Wesentlichen dem zuvor beschriebenen Diagnoseverfahren. Das Diagnoseverfahren gemäß Figur 3 unterscheidet sich dabei von dem Diagnoseverfahren gemäß Figur 2 insbesondere darin, dass nach dem erstmaligen Aufladen des Zwischenkreiskondensators 2 und dem erstmaligen Schließen eines Schaltelements Sl bis S6 nach Ende der ersten Zeitspanne At zum Detektieren eines fehlerhaften Schaltelements zunächst überprüft wird, wie weit die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskon- densator 2 abgesunken ist. Wird dabei festgestellt, dass die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 2 noch ausreichend groß ist, so kann für den nachfolgenden Diagnosezyklus auf ein weiteres Aufladen des Zwischenkreiskondensators 2 verzichtet werden. Beispielsweise kann nach Ende des ersten Diagnosezyklusses zum Zeitpunkt t3 überprüft werden, ob die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator noch oberhalb eines vorgegebenen Spannungspegels U3 liegt. Liegt die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 2 oberhalb des vorgegebenen Spannungspegels U3, so kann auf ein erneutes Aufladen des Zwischenkreiskondensators 2 verzichtet werden. In diesem Fall wird das geschlossene Schaltelement in dem Wechselrichter 1 geöffnet und daraufhin ein geeignetes weiteres Schaltelement geschlossen.
Da hierbei die Ausgangsspannung über dem Zwischenkreiskondensator 2 beim Schließen des weiteren Schaltelements zum Zeitpunkt t5 niedriger ist als die ursprüngliche Ausgangsspannung U0, so können daraufhin gegebenenfalls die Grenzspannungen Ul und U2 für die Detektion von fehlerhaften Schaltelementen auf entsprechende korrigierte Grenzspannungen Ul' und U2' angepasst werden.
Wird dagegen festgestellt, dass die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator zwar oberhalb der ersten Grenzspannung Ul liegt, jedoch unterhalb des Spannungslevels U3, so wird zunächst der Zwischenkreiskondensator 2 wieder auf die vorgegebene Spannung U0 aufgeladen, bevor die nachfolgende Diagnose ausgeführt wird.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Diagnoseverfahren 100 für einen Wechselrichter 1 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das Diagnoseverfahren entspricht hierbei insbesonde- re dem Verfahren, wie es im voraufgegangenen Zusammenhang mit dem elektrischen Antriebssystem beschrieben worden ist.
In Schritt 110 werden zunächst alle ersten Schaltelemente Sl bis S3 und alle zweiten Schaltelemente S4 bis S6 in den Halbbrücken 11 bis 13 des Wechselrichters 1 geöffnet. Daraufhin wird in Schritt 120 der Zwischenkreiskondensator 2 auf eine vorbestimmte erste Spannung U0 aufgeladen. Anschließend wird in Schritt 130 ein erstes Schaltelement Sl bis S3 in einer Halbbrücke 11 bis 13 des Wechselrichters geschlossen. Daraufhin kann in Schritt 140 ein fehlerhaftes zweites Schaltelement S4 bis S6 detektiert werden, falls die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 2 innerhalb einer vorbestimmten ersten Zeitspanne At nach dem Schließen des ersten Schaltelements Sl bis S3 um mehr als einen vorgegebenen ersten Spannungswert absinkt. Wird ein fehlerhaftes zweites Schaltelement detektiert, so kann das Verfahren gegebenenfalls beendet werden. Wird kein fehlerhaftes Schaltelement detektiert, oder soll das Verfahren trotz eines fehlerhaft detektierten Schaltelements fortgesetzt werden, so wird in Schritt 150 das geschlossene erste Schaltelement Sl bis S3 geöffnet und in Schritt 160 ein zweites Schaltelement S4 bis S6 in einer Halbbrücke 11 bis 13 des Wechselrichters 1 geschlossen. Daraufhin kann in Schritt 170 ein fehlerhaftes erstes Schaltelement Sl bis S3 detektiert werden, falls die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 2 innerhalb einer vorbestimmten zweiten Zeitspanne nach dem Schließen des zweiten Schaltelements S4 bis S6 um mehr als einen vorgegebenen zweiten Spannungswert absinkt. Die vorbestimmte zweite Zeitspanne kann dabei insbesondere auch der vorbestimmten ersten Zeitspanne At entsprechen. Gegebenenfalls kann auch der vorgegebene zweite Spannungswert dem vorgegebenen ersten Spannungswert entsprechen.
Insbesondere ist es möglich, den Zwischenkreiskondensator 2 vor dem Schließen des zweiten Schaltelements in Schritt S6 erneut auf die vorbestimmte erste Spannung U0 aufzuladen.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Diagnose der Schaltelemente in einem Wechselrichter, insbesondere einem Wechselrichter eines elektrischen Antriebssystems. Hierzu ist es vorgesehen, einen Zwischenkreiskondensator des Wechselrichters aufzuladen und gezielt entweder ein Schalt- element der oberen Schalter in den Halbbrücken des Wechselrichters oder ein Schaltelement der unteren Schalter der Halbbrücken des Wechselrichters zu schließen. Durch Überwachen des Spannungsverlaufs über dem Zwischenkreis- kondensator kann daraufhin festgestellt werden, ob eines der Schaltelemente in dem Wechselrichter einen Fehler aufweist.

Claims

Ansprüche
1. Diagnoseverfahren (100) für einen Wechselrichter (1) der einen Zwi- schenkreiskondensator (2) und mehrere Halbbrücken (11-13) mit jeweils einem ersten Schaltelement (Sl - S3) und einem zweiten Schaltelement (S4 - S6) um- fasst, und wobei der Wechselrichter (1) ausgangsseitig mit einem elektrischen
Verbraucher (3) gekoppelt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte um- fasst:
Öffnen (110) der ersten Schaltelemente (S1-S3) und der zweiten Schaltelemente (S4-S6) in den Halbbrücken (11-13) des Wechselrichters (1);
Aufladen (120) des Zwischenkreiskondensators (2) auf eine vorbestimmte erste Spannung; Schließen (130) eines ersten Schaltelements (S1-S3) in einer Halbbrücke (11-13) des Wechselrichters (1);
Detektieren (140) eines fehlerhaften zweiten Schaltelements (S4-S6), falls die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator (2) innerhalb einer vorbestimmten ersten Zeitspanne nach dem Schließen des ersten Schaltelements (S1-S3) um mehr als einen vorgegebenen ersten Spannungswert absinkt;
Öffnen (150) des geschlossenen ersten Schaltelements (S1-S3); Schließen (160) eines zweiten Schaltelements (S4-S6) in einer Halbbrücke (II¬
IS) des Wechselrichters (1); und
Detektieren (170) eines fehlerhaften ersten Schaltelements (S1-S3), falls die elektrische Spannung über dem Zwischenkreiskondensator (2) innerhalb einer vorbestimmten zweiten Zeitspanne nach dem Schließen des zweiten Schaltele- ments (S4-S6) um mehr als einen vorgegebenen zweiten Spannungswert absinkt.
2. Diagnoseverfahren (100) nach Anspruch 1, wobei die Schritte (150-170) des Öffnens des geschlossenen ersten Schaltelements (S1-S3), des Schließens des zweiten Schaltelements (S4-S6) und des Detektieren eines fehlerhaften ersten Schaltelements (S1-S3) nur ausgeführt werden, falls kein fehlerhaftes zweites Schaltelement (S4-S6) detektiert worden ist.
3. Diagnoseverfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Schritt zum
Aufladen des Zwischenkreiskondensators (2) auf eine vorbestimmte zweite Spannung, nachdem das geschlossene erste Schaltelement (S1-S3) geöffnet worden ist.
4. Diagnoseverfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die vorbestimmte erste Spannung und/oder die vorbestimmte zweite Spannung, auf die der Zwischenkreiskondensator (2) aufgeladen wird, in Abhängigkeit von einem maximalen Durchlassstrom, einer maximalen Betriebstemperatur und/oder einer maximalen Wärmedissipation der ersten Schaltelemente (S1-S3) und/oder der zweiten Schaltelemente (S4-S6) bestimmt wird.
5. Diagnoseverfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Schritt zum Identifizieren des fehlerhaften Schaltelements (S1-S6), wenn eine fehlerhaftes erstes Schaltelement (S1-S3)) oder ein fehlerhaftes zweites Schalt- element (S4-S6) detektiert worden ist.
6. Diagnoseverfahren (100) nach Anspruch 5, wobei der Schritt zum Identifizieren des fehlerhaften Schaltelements ein Öffnen des geschlossenen ersten oder zweiten Schaltelements (S1-S6) in der Halbbrücke (11-13) des Wechsel- richters (1), und eine Schließen eines weiteren ersten oder zweiten Schaltelement (S1-S6) in einer weiteren Halbbrücke (11-13) des Wechselrichters (1) um- fasst.
7. Diagnoseverfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Schritt zum Freigeben des Wechselrichters (1), falls kein fehlerhaftes erstes Schaltelement (S1-S3) und kein fehlerhaftes zweites Schaltelement (S4-S6) de- tektiert worden ist.
8. Diagnoseverfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Aufladen des Zwischenkreiskondensators (2) auf die vorbestimmte erste Spannung ein elektrisches Verbinden des Zwischenkreiskondensators (2) mit einer externen Energiequelle (4) und/oder das Einspeisen von elektrische Energie mittels eines Gleichspannungswandlers umfasst.
9. Wechselrichteranordnung, mit:
Einem Wechselrichter (1) mit mehreren Halbbrücken (11-13), die jeweils ein erstes Schaltelement (S1-S3) und eine zweites Schaltelement (S4-S6) umfassen, wobei der Wechselrichter (1) ausgangsseitig mit einem elektrischen Verbraucher (3) gekoppelt ist;
Einem Zwischenkreiskondensator (2), der mit einem Eingang des Wechselrichters (1) elektrisch gekoppelt ist; und einer Steuereinrichtung (22), die dazu ausgelegt ist, den Zwischenkreiskondensator (2) auf eine vorbestimmte erste Spannung aufzuladen, ein erstes Schaltelement (S1-S3) in einer Halbbrücke (11-13) des Wechselrichters (1) zu schließen, ein fehlerhaftes zweites Schaltelement (S4-S6) zu detektieren, falls die elektrische Spannung über den Zwischenkreiskondensator (2) innerhalb einer vorbestimmten ersten Zeitspanne nach dem Schließen des ersten Schaltelements (S1-S3) um mehr als einen vorgegebenen ersten Spannungswert absinkt, das geschlossene erste Schaltelement (S1-S3) zu öffnen, ein zweites Schaltelement (S4-S6) in einer Halbbrücke (11-13) des Wechselrichters (1) zu öffnen und ein fehlerhaftes erstes Schaltelement (S1-S3) zu detektieren, falls die elektrische Spannung über den Zwischenkreiskondensator (2) innerhalb einer vorbestimmten zweiten Zeitspanne nach dem Schließen des zweiten Schaltelement (S4-S6) um mehr als einen vorgegebenen zweiten Spannungswert absinkt.
10. Elektrisches Antriebssystem, mit: einer Wechselrichteranordnung nach Anspruch 9, und einer elektrischen Maschine (3) die mit einem Ausgangsanschluss der Wechselrichteranordnung elektrisch gekoppelt ist, wobei die Wechselrichteranordnung eingangsseitig über einen Trennschalter (5) mit einer elektrischen Energiequelle (4) elektrisch koppelbar ist.
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