WO2019137581A1 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung einer leistungselektronischen baugruppe - Google Patents

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WO2019137581A1
WO2019137581A1 PCT/DE2019/100017 DE2019100017W WO2019137581A1 WO 2019137581 A1 WO2019137581 A1 WO 2019137581A1 DE 2019100017 W DE2019100017 W DE 2019100017W WO 2019137581 A1 WO2019137581 A1 WO 2019137581A1
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WO
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udc
power electronic
bit stream
electrical
electronic module
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PCT/DE2019/100017
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English (en)
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Inventor
Thomas Orlik
Michael Homann
Jan KLÖCK
Heiko Rabba
Original Assignee
Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/40—Testing power supplies
    • G01R31/42—AC power supplies
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M3/00—Conversion of analogue values to or from differential modulation
    • H03M3/30—Delta-sigma modulation
    • H03M3/378—Testing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/34—Testing dynamo-electric machines
    • G01R31/343—Testing dynamo-electric machines in operation

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for monitoring a power electronic assembly with the features according to the claims.
  • Switches of this power electronic module are turned on in a deviating from the normal operation of the inverter test mode, while other switches are turned off or opened.
  • the electrical variable initially corresponds to an electrical input variable, which is subsequently converted into at least one electrical output variable by a conversion and / or modification process / process occurring in conjunction with the power electronic module.
  • a bit stream is generated by means of a delta-sigma modulator, which generates the electrical variable, ie. H. the electrical
  • a bit stream can also be generated in each case by means of a plurality of delta-sigma modulators, which represents the respective electrical variable, ie the electrical input variable and the at least one electrical output variable.
  • the monitoring takes place the power electronic module on the basis of such a bitstream generated / on the basis of the thus generated bitstreams, which are then available. It is essential according to the present invention that the bit stream / bit streams is / are not demodulated, so that very meaningful information of the respective useful signal is present.
  • state monitoring of this module can take place on the basis of the data obtained in accordance with the invention or of the bitstream / bitstreams during the conversion / change of the electrical input variable into the at least one electrical output variable by means of a power electronic module.
  • early fault detection is possible as a function of the data obtained in accordance with the invention or on the basis of the bitstream / bitstreams during the conversion / change of the electrical input variable into the at least one electrical output variable.
  • a result of the pattern recognition may be a load indicator concerning the
  • this life indicator can also be formed as a function of a plurality of load indicators.
  • a further load indicator corresponds, for example, to a power loss of a half-bridge of an inverter and according to the invention is formed on the basis of the bitstream / bitstreams which are respectively provided by means of a delta-sigma modulator.
  • Yet another load indicator may be a power dissipation of a capacitor located in the DC bus of an inverter.
  • the influence of the individual load indicators on the service life indicator can be weighted, i. H. on
  • Stress indicator may be stronger than the other stress indicators on the
  • an apparatus for carrying out the method which comprises the power electronic module to be monitored and at least one delta-sigma modulator.
  • inventive approach is also applicable in connection with a conventional pulse width modulation.
  • a power electronic module 1 corresponds in particular to a power electronic actuator comprising switching components, wherein by means of the power electronic module 1, an electrical input variable is converted into at least one electrical output, that is, for example, a DC voltage in a single-phase or multi-phase AC voltage. Ie. There is an influence on the electrical input variable, so that at least one electrical output variable is available which deviates from the electrical input variable or differs therefrom, in particular concerning the current type (direct current, alternating current) and / or parameters such as amplitude, frequency and / or number the phases. As shown in Figure 1, there is a use and monitoring the invention of a power electronic
  • Assembly 1 which comprises switching electronic components, for example in connection with the operation of a mechatronic system.
  • a power converter / converter with power semiconductors IGBT, MOSFET, GTO .
  • a power converter / converter is one
  • Power electronic module 1 for the purpose of converting an electrical
  • the mechatronic system comprises an electric machine 2.
  • the electric machine 2 is, for example, a permanently excited one
  • the mechatronic system according to FIG. 1 preferably serves to drive a vehicle.
  • the control or regulation of the electric machine 2 or the operation of the power converter takes place, for example, in conjunction with a delta-sigma pulse width modulator 3 ("delta-sigma PWM modulator"), the pulse width modulated (PWM) signals S1 -.
  • S6 is provided with a variable switching frequency, so that an actuation of the power semiconductor of the inverter is carried out such that adjustable in height and frequency
  • Phase potentials ux available and associated phase currents ix be effected.
  • the construction and The mode of operation of such a delta-sigma pulse width modulator 3 is known to the person skilled in the art, for example, according to DE102014108667A1, WO2015193439A1 or Homann, Michael:
  • the delta-sigma pulse width modulator 3 is part of a first processing unit 3a or is realized in conjunction with such a first processing unit 3a.
  • the first processing unit 3a is in particular an FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • the power converter / inverter corresponds to a power electronic module 1 with switching electronic components, in this case the power semiconductors, to which the described signals S1-S6 are supplied.
  • the DC voltage UDC / the electrical input to an AC voltage u / the electrical output, d. H. in several alternating voltages ux / several electrical output variables
  • the DC voltage UDC is provided for example by means of an electrical memory and the AC voltage u / the AC voltages ux serves / serve to drive the electric machine 2.
  • the DC voltage UDC can of course also be provided by means of a rectifier.
  • phase potential u1 and the associated induced phase current i1 are respectively detected by means of a delta-sigma modulator 4a, 4b.
  • a conversion of the analog phase voltage u1 into a digital bit stream u1_b takes place by means of the delta-sigma modulator 4a, and a conversion of the analog phase current i1 into a digital bit stream i1_b by means of the delta-sigma modulator 4b.
  • all phase potentials ux / phase currents ix can be determined / converted / measured / generated in this way, so that digital bit streams ux_b, ix_b are available, which is not shown / described here for better clarity.
  • the closed-loop control of the respective delta-sigma modulator 4a, 4b ensures that the relevant output u1_b, i1_b of the delta-sigma modulator 4a, 4b follows the corresponding analogue input, ie. H. in the present case, the analogue
  • Phase voltage u1 or the analog phase current i1 follows.
  • bit currents u1_b, i1_b which respectively supply the phase voltage u1 and the phase current i1 represent.
  • the respective delta-sigma modulator 4a, 4b scans the associated analog input u1, i1 at high frequency or at a very high sampling rate / clock rate, in particular at a frequency in a range from 10 to 100 MHz, preferably at a frequency of 50 MHz each generates a high-frequency, pulse (dense) modulated bit stream u1_b, i1_b at the output.
  • i1_b meaningful information of the respective useful signal u1, i1 are therefore present.
  • a demodulation of the output of the delta-sigma modulator 4a or the delta-sigma modulator 4b, ie the respective bit stream u1_b, i1_b does not initially take place, so that the respective output is processed directly / directly for the purpose of monitoring a power-electronic module 1 / of
  • Processing of the bit streams u1_b, i1_b takes place according to the invention in particular in that specific similarities and / or repetitions are detected in the bit streams u1_b, i1_b.
  • Assembly 1 thus consists in a pattern recognition, d. H. a detection of an altered or changing behavior of the underlying power electronic module 1 / the converter / inverter.
  • a suitable method for pattern recognition is carried out on the basis of the bit streams u1_b, i1_b available at the output of the delta-sigma modulators 4a, 4b.
  • a conversion of the analog DC link / DC voltage UDC into a digital bitstream UDC_b also takes place by means of an even further delta-sigma modulator 4c.
  • the processing of the bit stream UDC_b likewise takes place, as shown in FIG. 1, by means of the first processing unit 3a, preferably by means of a further processing unit 3b, which is part of the first processing unit 3a.
  • the bitstream UDC_b is also available for the formation of further indicators / characteristics / results R relevant for monitoring the underlying power electronic module 1.
  • the at least one result R of the pattern recognition is supplied to a still further processing unit 5 in the further course. Ie. the relevant formed by the pattern recognition, relevant for monitoring the underlying power electronic module 1
  • Indicators / characteristics / results R are transmitted / read in to the processing unit 5.
  • the processing unit 5 corresponds in particular to a microcontroller. By means of the processing unit 5 is carried out an evaluation / evaluation of transmitted results R of
  • demodulation of the bit currents u1_b, i1_b also takes place, in particular by means of suitable low-pass filters 6a, 6b.
  • These signals which are reduced to a specific useful frequency, such as, for example, 10 kHz, can then be further processed as desired, but in particular they are used in the context of the control of the relevant one
  • a pattern recognition for monitoring the underlying power electronic module 1, d. H. of the inverter considered here takes place by processing the bit streams u1_b, i1_b, d. H. the output of the respective delta-sigma modulator 4a, 4b according to the invention, for example, characterized in that the behavior of the switching components, ie the power semiconductor is analyzed for possible changes. In other words, the switching behavior of the switches of the inverter is monitored.
  • Phase currents ix and / or dead times relate.
  • Such a comparison may, for example, also relate to the symmetry of the half-bridges of the inverter, in particular a comparison of (current and / or voltage) actual values at a switch of a half-bridge and (current and / or voltage) actual values at the further switch this half-bridge or an analysis of the commutation, wherein each according to the invention not (yet) demodulated bit streams u1_b, i1_b and ux_b, ix_b are based.
  • the detection of an altered or changing behavior can not according to the invention or not only by comparing setpoints and actual values, but alternatively or additionally by the formation of a difference D between a (temporal) ideal / reference curve and the invention for further processing available bit streams ux_b, ix_b
  • Such a pattern recognition takes place by the formation of a difference D between an ideal / reference profile, such as the curve of the nominal value of the phase voltage u1_s shown schematically in FIG. 2 and the course of the actual value of the phase voltage u1_b, that is to say the curve shown by a solid line by means of the delta-sigma modulator 4a high-resolution sampled bit stream u1_b.
  • an ideal / reference profile such as the curve of the nominal value of the phase voltage u1_s shown schematically in FIG. 2 and the course of the actual value of the phase voltage u1_b, that is to say the curve shown by a solid line by means of the delta-sigma modulator 4a high-resolution sampled bit stream u1_b.
  • an ideal / reference profile such as the curve of the nominal value of the phase voltage u1_s shown schematically in FIG. 2
  • the course of the actual value of the phase voltage u1_b that is to say the curve shown by a solid line by means of the
  • Pattern recognition shows that when the magnitude or value of the difference D is compared to a threshold or a threshold, the threshold is exceeded / the threshold is violated.
  • the result R is then supplied to the processing unit 5 or to a diagnosis / monitoring function and, based on this, an error reaction F
  • Load indicator of the power electronic module 1 or a component of this module 1 are interpreted.
  • the result R is a parameter, which is a specific load of the power electronic module 1
  • module 1 or a component of the module 1 represents.
  • module 1 or a component of the module 1 represents.
  • This life indicator is formed so that it decreases over time or over the operating time.
  • the life indicator is formed in response to a plurality of load indicators. Ie.
  • the formation of the service life indicator is based on further load indicators.
  • a plurality of load indicators are combined to form a service life indicator.
  • the influence of the individual load indicators on the service life indicator can vary or be determined individually. Stated another way, a weighting of the load indicators, which are the basis of the formation of the life indicator.
  • Each individual load indicator is a parameter which defines a specific load on the power electronic module 1 or a
  • Component of the module 1 represents.
  • Another load indicator corresponds to or relates to a power loss related to a half-bridge of a power converter / inverter.
  • This power loss is formed in particular as a function of the phase current ix and the voltage at least one switch or the phase voltage ux of the respective half-bridge.
  • the formation of this takes place
  • Yet another load indicator according to the invention relates to the ripple current load of the capacitor, which is arranged in the intermediate circuit of a power converter / inverter.
  • the determination of the ripple current is preferably carried out as a function of the direct current IDC in
  • Power electronics used in the housing or on the board of the module 1 as a load indicator.

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Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Überwachung einer leistungselektronischen Baugruppe effektiver und vielseitiger einsetzbar zu gestalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels einer leistungselektronischen Baugruppe eine elektrische Größe umgewandelt und/oder verändert wird, welche zunächst einer elektrischen Eingangsgröße entspricht, die im weiteren Verlauf durch einen in Verbindung mit der leistungselektronischen Baugruppe ablaufenden Umwandlungs- und/oder Veränderungsvorgang/-prozess in zumindest eine elektrische Ausgangsgröße umgewandelt wird, wobei während dieser Umwandlung und/oder Veränderung erfindungsgemäß mittels eines Delta-Sigma-Modulators ein Bitstrom erzeugt wird, welcher die elektrische Größe, d. h. die elektrische Eingangsgröße oder die zumindest eine elektrische Ausgangsgröße repräsentiert. Erfindungsgemäß kann auch mittels mehrerer Delta-Sigma-Modulatoren jeweils ein Bitstrom erzeugt werden, welcher die jeweilige elektrische Größe, d. h. die elektrische Eingangsgröße und die zumindest eine elektrische Ausgangsgröße repräsentiert. Erfindungsgemäß erfolgt die Überwachung der leistungselektronischen Baugruppe anhand des einen derart erzeugten Bitstroms/anhand der derart erzeugten Bitströme, die dann bereitstehen. Wesentlich ist es gemäß der vorliegenden Erfindung, dass der Bitstrom/die Bitströme nicht demoduliert ist/sind, so dass sehr aussagekräftige Informationen des jeweiligen Nutzsignals vorliegen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung einer leistungselektronischen Baugruppe
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer leistungselektronischen Baugruppe mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen.
Eine Überwachung des Zustandes einer leistungselektronischen Baugruppe, wie zum Beispiel eines Wechselrichters, ist gemäß dem Dokument W02001031770A1 Stand der Technik. Es wird eine spezifische Testsequenz beschrieben, wobei mehrere schaltende elektronische Bauteile bzw.
Schalter dieser leistungselektronischen Baugruppe in einem vom Normalbetrieb des Wechselrichters abweichenden Testbetrieb eingeschaltet werden, während andere Schalter ausgeschaltet beziehungsweise geöffnet sind.
Wie zum Beispiel gemäß dem Dokument W01994011747A1 beschrieben, erfolgt ein Test, bevor ein Wechselrichter in Betrieb genommen wird.
Von Nachteil ist es gemäß dem Stand der Technik, dass eine Überwachung einer
leistungselektronischen Baugruppe mit schaltenden elektronischen Bauteilen, hier jeweils einem Wechselrichter, nicht während des tatsächlichen Betriebes des Wechselrichters, d. h. nicht während der Umwandlung der eingespeisten Stromart (Gleichstrom) in die jeweils andere Stromart
(Wechselstrom) erfolgt. Eine Überwachung des Wechselrichters erfolgt daher nicht in Echtzeit und ein frühes Erkennen von Fehlern ist nicht sichergestellt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Überwachung einer leistungselektronischen
Baugruppe effektiver und vielseitiger einsetzbar zu gestalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels einer leistungselektronischen Baugruppe eine elektrische Größe umgewandelt und/oder verändert wird. D. h. die elektrische Größe entspricht zunächst einer elektrischen Eingangsgröße, welche im weiteren Verlauf durch einen in Verbindung mit der leistungselektronischen Baugruppe ablaufenden Umwandlungs- und/oder Veränderungsvorgang/-prozess in zumindest eine elektrische Ausgangsgröße umgewandelt wird. Während dieser Umwandlung und/oder Veränderung wird erfindungsgemäß mittels eines Delta- Sigma-Modulators ein Bitstrom erzeugt, welcher die elektrische Größe, d. h. die elektrische
Eingangsgröße oder die zumindest eine elektrische Ausgangsgröße repräsentiert. Natürlich kann erfindungsgemäß auch mittels mehrerer Delta-Sigma-Modulatoren jeweils ein Bitstrom erzeugt werden, welcher die jeweilige elektrische Größe, d. h. die elektrische Eingangsgröße und die zumindest eine elektrische Ausgangsgröße repräsentiert. Erfindungsgemäß erfolgt die Überwachung der leistungselektronischen Baugruppe anhand des einen derart erzeugten Bitstroms/anhand der derart erzeugten Bitströme, die dann bereitstehen. Wesentlich ist es gemäß der vorliegenden Erfindung, dass der Bitstrom/die Bitströme nicht demoduliert ist/sind, so dass sehr aussagekräftige Informationen des jeweiligen Nutzsignals vorliegen.
Erfindungsgemäß ist somit eine Überwachung einer leistungselektronischen Baugruppe in Echtzeit möglich. Insbesondere kann erfindungsgemäß bei einer leistungselektronischen Baugruppe mit schaltenden Bauteilen deren Verhalten in Echtzeit, d. h. während des Betriebs der
leistungselektronischen Baugruppe, also während des beschriebenen Umwandlungs- und/oder Veränderungsvorgangs/-prozesses analysiert bzw. überwacht werden. Einerseits kann anhand der auf erfindungsgemäße Weise gewonnenen Daten bzw. des Bitstroms/der Bitströme während der Umwandlung/Veränderung der elektrischen Eingangsgröße in die zumindest eine elektrische Ausgangsgröße mittels einer leistungselektronischen Baugruppe eine Zustandsüberwachung dieser Baugruppe erfolgen. Andererseits ist aber auch eine Fehlerfrüherkennung möglich, in Abhängigkeit der auf erfindungsgemäße Weise gewonnenen Daten bzw. auf Basis des Bitstroms/der Bitströme während der Umwandlung/Veränderung der elektrischen Eingangsgröße in die zumindest eine elektrische Ausgangsgröße.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, anhand der auf erfindungsgemäße Weise
gewonnenen Daten bzw. auf Basis des Bitstroms/der Bitströme während der
Umwandlung/Veränderung der elektrischen Eingangsgröße eine Mustererkennung durchzuführen.
Dabei kann ein Ergebnis der Mustererkennung ein Belastungsindikator betreffend die
leistungselektronische Baugruppe sein. In Abhängigkeit des Belastungsindikators kann
erfindungsgemäß wiederum ein Lebensdauerindikator betreffend die leistungselektronische
Baugruppe gebildet werden, der über der Betriebszeit der leistungselektronischen Baugruppe abnimmt. Dieser Lebensdauerindikator kann erfindungsgemäß auch in Abhängigkeit mehrerer Belastungsindikatoren gebildet werden. Ein weiterer Belastungsindikator entspricht beispielsweise einer Verlustleistung einer Halbbrücke eines Wechselrichters und wird erfindungsgemäß anhand des Bitstroms/der Bitströme gebildet, der/die jeweils mittels eines Delta-Sigma-Modulators bereitgestellt wird. Ein noch weiterer Belastungsindikator kann eine Verlustleistung eines Kondensators sein, der im Zwischenkreis eines Wechselrichters angeordnet ist. Erfindungsgemäß kann der Einfluss der einzelnen Belastungsindikatoren auf den Lebensdauerindikator gewichtet werden, d. h. ein
Belastungsindikator kann stärker als die anderen Belastungsindikatoren auf den
Lebensdauerindikator wirken. Erfindungsgemäß wird auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen, welche die zu überwachende leistungselektronische Baugruppe sowie zumindest einen Delta-Sigma- Modulator umfasst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden
Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen. Dabei wird
beispielhaft die Anwendung einer Delta-Sigma-Pulsweiten-Modulation beschrieben. Der
erfindungsgemäße Ansatz ist jedoch auch in Verbindung mit einer herkömmlichen Pulsweiten- Modulation anwendbar.
Eine leistungselektronische Baugruppe 1 entspricht insbesondere einem leistungselektronischen Stellglied, das schaltende Bauteile umfasst, wobei mittels der leistungselektronischen Baugruppe 1 eine elektrische Eingangsgröße in zumindest eine elektrische Ausgangsgröße umgewandelt wird, also zum Beispiel eine Gleichspannung in eine einphasige oder mehrphasige Wechselspannung. D. h. es erfolgt eine Beeinflussung der elektrischen Eingangsgröße, so dass zumindest eine elektrische Ausgangsgröße bereitsteht, die von der elektrischen Eingangsgröße abweicht beziehungsweise sich von dieser unterscheidet, insbesondere betreffend die Stromart (Gleichstrom, Wechselstrom) und/oder Parameter, wie Amplitude, Frequenz und/oder Anzahl der Phasen. Wie in Figur 1 gezeigt, erfolgt ein Einsatz sowie die erfindungsgemäße Überwachung einer leistungselektronischen
Baugruppe 1 , welche schaltende elektronische Bauteile umfasst, beispielsweise in Verbindung mit dem Betrieb eines mechatronischen Systems. Bei der leistungselektronischen Baugruppe 1 handelt es sich dabei um einen Stromrichter/Konverter mit Leistungshalbleitern (IGBT, MOSFET, GTO...). Wie allgemein bekannt, handelt es sich bei einem Stromrichter/Konverter um eine
leistungselektronische Baugruppe 1 zum Zweck einer Umwandlung einer elektrischen
Eingangsgröße/eingespeisten elektrischen Stromart (Gleichstrom, Wechselstrom) in eine elektrische Ausgangsgröße/die jeweils andere Stromart bzw. zum Zweck einer Änderung charakteristischer Parameter, wie der Anzahl der Phasen, Spannung und der Frequenz.
In dem vorliegenden Beispiel umfasst das mechatronische System eine elektrische Maschine 2. Bei der elektrischen Maschine 2 handelt es sich zum Beispiel um eine permanenterregte
Synchronmaschine mit drei Phasen. Das mechatronische System nach Figur 1 dient bevorzugt dem Antrieb eines Fahrzeuges. Die Steuerung bzw. Regelung der elektrischen Maschine 2 bzw. der Betrieb des Stromrichters erfolgt beispielsweise in Verbindung mit einem Delta-Sigma-Pulsweiten- Modulator 3 („Delta-Sigma-PWM-Modulator“), der pulsweitenmodulierte (PWM-)Signale S1 - S6 mit einer variablen Schaltfrequenz bereitstellt, so dass eine Betätigung der Leistungshalbleiter des Wechselrichters derart erfolgt, dass hinsichtlich der Höhe und Frequenz einstellbare
Phasenpotentiale ux bereitstehen und zugehörige Phasenströme ix bewirkt werden. Der Aufbau und die Wirkungsweise eines solchen Delta-Sigma-Pulsweiten-Modulators 3 ist dem Fachmann zum Beispiel gemäß der DE102014108667A1 , der WO2015193439A1 oder Homann, Michael:
Hochdynamische Strom- und Spannungsregelung von permanenterregten
Synchronmaschinen auf Basis von Delta-Sigma Bitströmen. 2016 bekannt. In diesem
Zusammenhang sei hiermit darauf verwiesen, dass der gesamte Inhalt dieser Dokumente in die vorliegende Offenbarung aufgenommen ist. Natürlich kann die Steuerung und/oder Regelung der elektrischen Maschine 2 bzw. der Betrieb des Stromrichters auch in Verbindung mit einer
herkömmlichen Pulsweiten-Modulation erfolgen. Bevorzugt ist der Delta-Sigma-Pulsweiten-Modulator 3 Bestandteil einer ersten Verarbeitungseinheit 3a bzw. wird in Verbindung mit einer solchen ersten Verarbeitungseinheit 3a realisiert. Die erste Verarbeitungseinheit 3a ist insbesondere ein FPGA (Field Programmable Gate Array).
Wie dargelegt, entspricht der Stromrichter/Wechselrichter einer leistungselektronischen Baugruppe 1 mit schaltenden elektronischen Bauteilen, hier den Leistungshalbleitern, welchen die beschriebenen Signale S1 - S6 zugeführt werden. Mittels des Wechselrichters wird die Gleichspannung UDC/die elektrische Eingangsgröße in eine Wechselspannung u/die elektrische Ausgangsgröße, d. h. in mehrere Wechselspannungen ux/mehrere elektrische Ausgangsgrößen
umgewandelt/konvertiert/verändert. Die Gleichspannung UDC wird zum Beispiel mittels eines elektrischen Speichers bereitgestellt und die Wechselspannung u/die Wechselspannungen ux dient/dienen dem Antrieb der elektrischen Maschine 2. Die Gleichspannung UDC kann natürlich auch mittels eines Gleichrichters bereitgestellt werden.
Wie in Figur 1 gezeigt, werden zum Beispiel ein Phasenpotential u1 und der zugehörige bewirkte Phasenstrom i1 jeweils mittels eines Delta-Sigma-Modulators 4a, 4b erfasst. D. h. es erfolgt mittels des Delta-Sigma-Modulators 4a eine Umsetzung der analogen Phasenspannung u1 in einen digitalen Bitstrom u1_b und mittels des Delta-Sigma-Modulators 4b eine Umsetzung des analogen Phasenstroms i1 in einen digitalen Bitstrom i1_b. Natürlich können beziehungsweise werden im Rahmen einer praktischen Anwendung sämtliche Phasenpotentiale ux/Phasenströme ix auf diese Weise ermittelt/umgesetzt/gemessen/erzeugt, so dass jeweils digitale Bitströme ux_b, ix_b bereitstehen, was hier zur besseren Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt/beschrieben wird. Wie allgemeint bekannt, wird durch die geschlossene Regelschleife des jeweiligen Delta-Sigma- Modulators 4a, 4b erreicht, dass der betreffende Ausgang u1_b, i1_b des Delta-Sigma-Modulators 4a, 4b dem entsprechenden analogen Eingang folgt, d. h. im vorliegenden Fall der analogen
Phasenspannung u1 beziehungsweise dem analogen Phasenstrom i1 folgt.
Somit stehen hochaufgelöste, hochabgetastete beziehungsweise überabgetastete Bitströme u1_b, i1_b bereit, welche jeweils die Phasenspannung u1 beziehungsweise den Phasenstrom i1 repräsentieren. Da der jeweilige Delta-Sigma-Modulator 4a, 4b den zugehörigen Analogeingang u1 , i1 hochfrequent beziehungsweise mit einer sehr hohen Abtastrate/Taktrate abtastet, insbesondere mit einer Frequenz in einem Bereich von 10 bis 100 MHz, bevorzugt mit einer Frequenz von 50 MHz, wird jeweils ein hochfrequenter, puls(dichte)modulierter Bitstrom u1_b, i1_b an dessen Ausgang erzeugt. In dem jeweiligen Bitstrom u1_b, i1_b liegen folglich aussagekräftige Informationen des jeweiligen Nutzsignals u1 , i1 vor. Eine Demodulation des Ausgangs des Delta-Sigma-Modulators 4a beziehungsweise des Delta-Sigma-Modulators 4b, d. h. des jeweiligen Bitstroms u1_b, i1_b erfolgt erfindungsgemäß zunächst nicht, so dass der jeweilige Ausgang unmittelbar/direkt verarbeitet wird, zum Zweck der Überwachung einer leistungselektronischen Baugruppe 1/des
Stromrichters/Wechselrichters. Der Betrieb des Stromrichters beziehungsweise die Steuerung und/oder Regelung der elektrischen Maschine 2, d. h. die Bildung der Signale S1 - S6, erfolgt gemäß dem hier behandelten Beispiel (Anwendung einer Delta-Sigma-Pulsweiten-Modulation) ebenfalls auf Basis der Bitströme u1_b, i1_b, welche mittels der Delta-Sigma-Modulatoren 4a, 4b bereitgestellt und dem Delta-Sigma-Pulsweiten-Modulator 3 zugeführt werden. Die Verarbeitung der Bitströme u1_b, i1_b für eine Überwachung des Wechselrichters erfolgt wie in Figur 1 gezeigt mittels der ersten Verarbeitungseinheit 3a, bevorzugt mittels einer weiteren Verarbeitungseinheit 3b, die Bestandteil der ersten Verarbeitungseinheit 3a ist. Mit anderen Worten repräsentieren die Bitströme u1_b, i1_b für den Betrieb des hier zu Grunde liegenden mechatronischen Systems bzw. die zu Grunde liegende leistungselektronische Baugruppe 1 relevante Zustands- bzw. Istgrößen.
Eine Verarbeitung der Bitströme u1_b, i1_b erfolgt erfindungsgemäß insbesondere insofern, dass in den Bitströmen u1_b, i1_b spezifische Ähnlichkeiten und/oder Wiederholungen erkannt werden. Die Verarbeitung der Bitströme u1_b, i1_b, d. h. die Überwachung der leistungselektronischen
Baugruppe 1 , besteht erfindungsgemäß also in einer Mustererkennung, d. h. einer Erkennung eines veränderten bzw. sich verändernden Verhaltens der zu Grunde liegenden leistungselektronischen Baugruppe 1/des Stromrichters/Wechselrichters. Erfindungsgemäß erfolgt zusammengefasst anhand der am Ausgang der Delta-Sigma-Modulatoren 4a, 4b bereitstehenden Bitströme u1_b, i1_b die Durchführung eines geeigneten Verfahrens zur Mustererkennung. Auf Details dieser
Mustererkennung und die Bildung weiterer für eine Überwachung der zu Grunde liegenden leistungselektronischen Baugruppe 1 relevanten Indikatoren/Kenngrößen/Ergebnisse R wird nach einer weiteren Darstellung der grundlegenden Zusammenhänge in Figur 1 noch konkret
eingegangen.
Wie in Figur 1 außerdem gezeigt, erfolgt mittels eines noch weiteren Delta-Sigma-Modulators 4c ebenfalls eine Umsetzung der analogen Zwischenkreis-/Gleichspannung UDC in einen digitalen Bitstrom UDC_b. Die Verarbeitung des Bitstroms UDC_b erfolgt wie in Figur 1 gezeigt ebenfalls mittels der ersten Verarbeitungseinheit 3a, bevorzugt mittels einer weiteren Verarbeitungseinheit 3b, die Bestandteil der ersten Verarbeitungseinheit 3a ist. Der Bitstrom UDC_b steht ebenfalls der Bildung weiterer für eine Überwachung der zu Grunde liegenden leistungselektronischen Baugruppe 1 relevanten Indikatoren/Kenngrößen/Ergebnisse R zur Verfügung.
Das zumindest eine Ergebnis R der Mustererkennung wird im weiteren Verlauf einer noch weiteren Verarbeitungseinheit 5 zugeführt. D. h. die anhand der Mustererkennung gebildeten, für eine Überwachung der zu Grunde liegenden leistungselektronischen Baugruppe 1 relevanten
Indikatoren/Kenngrößen/Ergebnisse R werden der Verarbeitungseinheit 5 übermittelt/dort eingelesen. Die Verarbeitungseinheit 5 entspricht insbesondere einem Mikrocontroller. Mittels der Verarbeitungseinheit 5 erfolgt eine Auswertung/Bewertung übermittelter Ergebnisse R der
Mustererkennung. Mittels einer in Verbindung mit der Verarbeitungseinheit 5 realisierten Diagnose- /Überwachungsfunktion wird im weiteren Verlauf weiterhin eine Fehlerreaktion F (Fehleranzeige) und/oder Ersatzreaktion E (Umschaltung auf Notbetrieb) eingeleitet.
Wie in Figur 1 ebenfalls gezeigt, erfolgt außerdem eine Demodulation der Bitströme u1_b, i1_b, insbesondere mittels geeigneter Tiefpassfilter 6a, 6b. Diese auf eine spezifische Nutzfrequenz, wie beispielsweise 10 kHz reduzierten Signale können dann beliebig weiterverarbeitet werden, insbesondere werden sie jedoch im Rahmen der Steuerung/Regelung des betreffenden
mechatronischen Systems verwendet.
Eine Mustererkennung für eine Überwachung der zu Grunde liegenden leistungselektronischen Baugruppe 1 , d. h. des hier betrachteten Wechselrichters, erfolgt durch Verarbeitung der Bitströme u1_b, i1_b, d. h. des Ausgangs des betreffenden Delta-Sigma-Modulators 4a, 4b erfindungsgemäß zum Beispiel dadurch, dass das Verhalten der schaltenden Bauteile, also der Leistungshalbleiter hinsichtlich möglicher Veränderungen analysiert wird. Mit anderen Worten wird das Schaltverhalten der Schalter des Wechselrichters überwacht. Die Erkennung eines beispielsweise innerhalb eines ersten definierten Zeitraumes veränderten (Kurzzeitbetrachtung) bzw. eines beispielsweise innerhalb eines weiteren definierten Zeitraums sich verändernden Verhaltens (Langzeitbetrachtung), wobei der erste Zeitraum gegenüber dem weiteren Zeitraum kürzer ist, erfolgt dabei beispielsweise durch einen Vergleich von Sollwerten und Istwerten, wobei die Istwerte den erfindungsgemäß (noch) nicht demodulierten Bitströmen u1_b, i1_b beziehungsweise ux_b, ix_b entsprechen. Ein solcher
Vergleich kann also beispielsweise eine oder mehrere Phasenspannungen ux und/oder
Phasenströme ix und/oder Totzeiten betreffen. Ein solcher Vergleich kann beispielsweise auch die Symmetrie der Halbbrücken des Wechselrichters untereinander betreffen, insbesondere handelt es sich dabei um einen Vergleich von (Strom- und/oder Spannungs-) Istwerten an einem Schalter einer Halbbrücke und (Strom- und/oder Spannungs-) Istwerten am weiteren Schalter dieser Halbbrücke oder um eine Analyse der Kommutierung, wobei jeweils die erfindungsgemäß (noch) nicht demodulierten Bitströme u1_b, i1_b beziehungsweise ux_b, ix_b zu Grunde liegen. Die Erkennung eines veränderten bzw. sich verändernden Verhaltens kann erfindungsgemäß nicht oder nicht nur durch einen Vergleich von Sollwerten und Istwerten erfolgen, sondern alternativ oder zusätzlich durch die Bildung einer Differenz D zwischen einem (zeitlichen) Ideal-/Referenzverlauf und den erfindungsgemäß für eine weitere Verarbeitung bereitstehenden Bitströmen ux_b, ix_b
beziehungsweise u1_b, i1_b. Dabei ist es möglich, die Differenz D aus Soll- und Ist-Spannung bzw. Soll- und Ist-Strom vorzeichenbehaftet und/oder betragsmäßig zu bilden und damit gegebenenfalls zwei Varianten jeweils zumindest eines Ergebnisses R der Mustererkennung zu gewinnen beziehungsweise eine Möglichkeit zu eröffnen, einem teilweisen Aufheben von Differenzen D bei einer vorzeichenbehafteten Betrachtung entgegenzuwirken, was durch eine (parallele)
betragsmäßige Betrachtung erreicht werden kann.
Eine solche Mustererkennung erfolgt durch die Bildung einer Differenz D zwischen einem Ideal- /Referenzverlauf, wie dem in Figur 2 schematisch mittels einer gepunkteten Linie dargestellten Verlauf des Sollwertes der Phasenspannung u1_s und dem mittels einer durchgezogenen Linie dargestellten Verlauf des Istwertes der Phasenspannung u1_b, also dem mittels des Delta-Sigma- Modulators 4a hochaufgelöst abgetasteten Bitstrom u1_b. Natürlich kann auch die Bildung einer Differenz D zwischen einem Ideal-/Referenzverlauf/Verlauf des Sollwertes des Phasenstromes i1_s und dem Verlauf des Istwertes des Phasenstromes i1_b, also dem mittels des Delta-Sigma- Modulators 4b hochaufgelöst abgetasteten Bitstrom i1_b erfolgen. Wie gemäß Figur 2 zu erkennen ist, bestehen zwischen dem Verlauf des Sollwertes der Phasenspannung u1_s und dem Verlauf des Istwertes der Phasenspannung u1_b insofern Differenzen D, dass der Verlauf des Istwertes der Phasenspannung u1_b Spannungsspitzen us aufweist, die durch das Einschalten der Schalter der betreffenden Halbbrücke des Wechselrichters bewirkt werden. Diese Spannungsspitzen us treten nur über einen sehr kurzen Zeitraum von 1 bis 2 Mikrosekunden auf und wechseln zudem unregelmäßig innerhalb dieses Zeitraumes sehr oft, d. h. die Phasenspannung u1_b schwingt in diesem Zeitraum mit einer hohen Frequenz, was in Figur 2 allerdings nicht gezeigt ist. Anhand dieser Differenzbildung D, welche insbesondere über eine definierte Zeit beziehungsweise eine Vielzahl von
Schaltvorgängen gemittelt vorgenommen wird, kann sich dadurch ein Ergebnis R der
Mustererkennung ergeben, dass wenn der Betrag oder Wert der Differenz D mit einer Schwelle beziehungsweise einem Grenzwert verglichen wird, die Schwelle überschritten/der Grenzwert verletzt wird. Das Ergebnis R wird dann der Verarbeitungseinheit 5 beziehungsweise einer Diagnose- /Überwachungsfunktion zugeführt und es wird aufbauend darauf eine Fehlerreaktion F
(Fehleranzeige) und/oder Ersatzreaktion E (Umschaltung auf Notbetrieb) eingeleitet.
Erfindungsgemäß erfolgt bei der beschriebenen Mustererkennung eine Berücksichtigung von Umgebungsbedingungen. Insbesondere erfolgt eine Berücksichtigung von gemessenen/modellierten Temperaturwerten.
Das Ergebnis R, das sich wie beschrieben aus einer Mustererkennung ergibt, kann als
Belastungsindikator der leistungselektronischen Baugruppe 1 oder eines Bauelementes dieser Baugruppe 1 interpretiert werden. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Ergebnis R um eine Kenngröße, welche eine spezifische Belastung der leistungselektronischen Baugruppe 1
beziehungsweise eines Bauelementes der Baugruppe 1 repräsentiert. Insbesondere kann in
Verbindung mit der Verarbeitungseinheit 5 in Abhängigkeit des Ergebnisses R/dieser Kenngröße ein Lebensdauerindikator gebildet werden. Dieser Lebensdauerindikator wird derart gebildet, dass er über der Zeit beziehungsweise über der Betriebszeit abnimmt.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird der Lebensdauerindikator in Abhängigkeit mehrerer Belastungsindikatoren gebildet. D. h. neben dem ersten Belastungsindikator, der anhand der Mustererkennung/des zumindest einen Ergebnisses R gebildet wird, werden der Bildung des Lebensdauerindikators weitere Belastungsindikatoren zu Grunde gelegt. Anders gesagt, wird erfindungsgemäß eine Vielzahl Belastungsindikatoren zu einem Lebensdauerindikator kombiniert.
Der Einfluss der einzelnen Belastungsindikatoren auf den Lebensdauerindikator kann unterschiedlich ausgeprägt sein beziehungsweise wird individuell festgelegt. Noch anders gesagt, erfolgt eine Gewichtung der Belastungsindikatoren, welche der Bildung des Lebensdauerindikators zu Grunde liegen.
Bei jedem einzelnen Belastungsindikator handelt es sich um eine Kenngröße, welche eine spezifische Belastung der leistungselektronischen Baugruppe 1 beziehungsweise eines
Bauelementes der Baugruppe 1 repräsentiert. Ein weiterer Belastungsindikator entspricht einer beziehungsweise betrifft eine auf eine Halbbrücke eines Stromrichters/Wechselrichters bezogene Verlustleistung. Diese Verlustleistung wird dabei insbesondere in Abhängigkeit des Phasenstroms ix und der Spannung an zumindest einem Schalter beziehungsweise der Phasenspannung ux der betreffenden Halbbrücke gebildet. Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt die Bildung dieser
Verlustleistung ebenfalls auf Basis der (hochaufgelösten) Bitströme ux_b, ix_b beziehungsweise u1_b, i1_b, welche mittels der Delta-Sigma-Modulatoren 4a, 4b bereitgestellt werden. Praktisch erfolgt dabei eine Multiplikation dieser Größen auf Bitstromebene im hochfrequenten Raster, so dass die Verlustleistung im Schaltvorgang bestimmt wird, wobei für die in Figur 1 gezeigten oberen Schalter sich jeweils ein Spannungsabfall aus UDC_b minus ux_b ergibt. Eine solche
Differenzbildung ist nur infolge des erfindungsgemäßen Ansatzes möglich, da hochaufgelöste Bitströme bereitstehen. Von Vorteil ist es erfindungsgemäß, dass keine Filterung des Bitstroms ix_b betreffend den Phasenstrom ix beziehungsweise des Bitstroms ux_b betreffend die Phasenspannung ux vor einer Multiplikation dieser Größen erfolgt, da dies nur die stationären Verluste durch Spannungsabfälle liefern würde. Erfindungsgemäß erfolgt bei der Bestimmung des
Belastungsindikators betreffend eine spezifische Belastung/Verlustleistung ebenfalls eine
Berücksichtigung von Umgebungsbedingungen. Insbesondere erfolgt eine Berücksichtigung von gemessenen/modellierten Temperaturwerten. D. h. soweit verfügbar, werden Temperaturmesswerte von der Leistungselektronik im Gehäuse oder auf der Platine als Belastungsindikator verwendet. Diese beeinflussen den Belastungsindikator betreffend die Verlustleistung einer Halbbrücke, denn je wärmer die Umgebung ist, desto stärker sind die Einflüsse durch Verlustleistung zu gewichten.
Ein noch weiterer Belastungsindikator betrifft erfindungsgemäß die Ripple-Strom-Belastung des Kondensators, der im Zwischenkreis eines Stromrichters/Wechselrichters angeordnet ist. Die Bestimmung des Ripple-Stroms erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit des Gleichstroms IDC im
Zwischenkreis. Dieser kann entweder mittels eines noch weiteren Delta-Sigma-Modulators gemessen werden, welcher jedoch in Figur 1 im Sinne eines besseren Überblicks nicht gezeigt ist, so dass ein digitaler Bitstrom IDC_b bereitsteht oder aus der Überlagerung der Phasenströme ix_b mit Hilfe der Schaltmuster bestimmt werden. Der Ripple-Strom wird dann durch eine (hochfrequent erfolgende) Differenzbildung des digitalen Bitstroms IDC_b und einem Mittelwert von IDC über eine Periode bestimmt. Anschließend wird bevorzugt der RMS-Wert des Ripple-Stroms bestimmt und als Belastungsindikator verwendet. Insbesondere in Verbindung mit dem Einsatz eines Delta-Sigma- Pulsweiten-Modulators 3, wie im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben, ist bei der Bestimmung dieser Verlustleistung die variable Schaltfrequenz zu beachten beziehungsweise muss eine
Bewertung des Ripple in Bezug auf die Schaltfrequenz erfolgen. D. h. je größer die Schaltfrequenz, desto kleiner der Ripple. Daher ist es zweckmäßig, den Ripple als Funktion der Schaltfrequenz zu bestimmen. Erfindungsgemäß erfolgt bei der Ermittlung des Belastungsindikators betreffend eine Verlustleistung des Zwischenkreis-Kondensators ebenfalls eine Berücksichtigung von
Umgebungsbedingungen. Insbesondere erfolgt eine Berücksichtigung von gemessenen/modellierten Temperaturwerten. D. h. soweit verfügbar, werden Temperaturmesswerte von der
Leistungselektronik im Gehäuse oder auf der Platine der Baugruppe 1 als Belastungsindikator verwendet.
Zusammengefasst wird bei der Bildung des Lebensdauerindikators deutlich, dass die Verarbeitung von (noch nicht demodulierten) Bitströmen, d. h. des jeweiligen Ausgangs eines Delta-Sigma- Modulators, vorteilhaft wirkt, da auf diese Weise eine kontinuierliche Überwachung eines
mechatronischen Systems/einer leistungselektronischen Baugruppe 1 sehr präzise möglich ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung einer leistungselektronischen Baugruppe (1), wobei
a) mittels der leistungselektronischen Baugruppe (1) eine elektrische Größe umgewandelt wird, b) die elektrische Größe nach a) eine elektrische Eingangsgröße (UDC) ist, welche in zumindest eine elektrische Ausgangsgröße (ux, ix) umgewandelt wird,
c) während der Umwandlung gemäß a) mittels eines Delta-Sigma-Modulators (4a, 4b, 4c) ein Bitstrom (ux_b, ix_b, UDC_b) erzeugt wird, welcher eine elektrische Größe gemäß b) repräsentiert oder mittels mehrerer Delta-Sigma-Modulatoren (4a, 4b, 4c) jeweils ein Bitstrom (ux_b, ix_b, UDC_b) erzeugt wird, welcher jeweils eine elektrische Größe gemäß b) repräsentiert,
d) die Überwachung der leistungselektronischen Baugruppe (1) anhand des einen gemäß c) erzeugten Bitstroms (ux_b, ix_b, UDC_b) erfolgt oder anhand mehrerer gemäß c) erzeugter
Bitströme (ux_b, ix_b, UDC_b) erfolgt,
e) der Bitstrom (ux_b, ix_b, UDC_b) gemäß c) und d) nicht demoduliert ist oder die Bitströme (ux_b, ix_b, UDC_b) gemäß c) und d) nicht demoduliert sind.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , wobei die Überwachung der leistungselektronischen
Baugruppe (1) dadurch erfolgt, dass anhand des Bitstroms (ux_b, ix_b, UDC_b) gemäß
Patentanspruch 1 e) oder anhand der Bitströme (ux_b, ix_b, UDC_b) gemäß Patentanspruch 1 e) eine Mustererkennung erfolgt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 2, wobei die Mustererkennung dadurch erfolgt, dass Sollwerte und Istwerte miteinander verglichen werden, wobei die Istwerte dem Bitstrom (ux_b, ix_b, UDC_b) gemäß Patentanspruch 1 e) oder den Bitströmen (ux_b, ix_b, UDC_b) gemäß Patentanspruch 1 e) entsprechen.
4. Verfahren nach Patentanspruch 2 oder 3, wobei in Abhängigkeit eines Ergebnisses (R) der Mustererkennung ein Belastungsindikator betreffend die leistungselektronische Baugruppe (1) gebildet wird und in Abhängigkeit des Belastungsindikators ein Lebensdauerindikator betreffend die leistungselektronische Baugruppe (1) gebildet wird, der über der Betriebszeit der
leistungselektronischen Baugruppe (1) abnimmt.
5. Verfahren nach Patentanspruch 4, wobei der Lebensdauerindikator in Abhängigkeit mehrerer Belastungsindikatoren gebildet wird.
6. Verfahren nach Patentanspruch 5, wobei ein weiterer Belastungsindikator einer Verlustleistung einer Halbbrücke eines Wechselrichters entspricht, welcher anhand des Bitstroms (ux_b, ix_b, UDC_b) gemäß Patentanspruch 1 e) oder anhand der Bitströme (ux_b, ix_b, UDC_b) gemäß Patentanspruch 1 e) gebildet wird.
7. Verfahren nach Patentanspruch 5 oder 6, wobei ein noch weiterer Belastungsindikator eine Ripple-Strom-Belastung eines Kondensators ist, der im Zwischenkreis eines Wechselrichters angeordnet ist.
8. Verfahren nach Patentanspruch 5 bis 7, wobei der Einfluss der einzelnen Belastungsindikatoren auf den Lebensdauerindikator gewichtet wird.
9. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 8 ausgestaltet ist.
10. Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach Patentanspruch 9.
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