Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuervorrichtung mit Kurzschlussschutz zur An steuerung eines Elektromotors einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektronische Steuervorrichtungen mit Kurzschlussschutz zur Ansteuerung von Elektromoto ren weisen einen Schutzmechanismus auf, um die Steuervorrichtung im Falle eines Kurz schlusses innerhalb der Steuervorrichtung von der angeschlossenen Leistungsquelle zu trennen. Ein solcher Schutzmechanismus ist insbesondere von Vorteil, wenn die Steuervor richtung unabhängig vom Stromnetz durch eine mobile Leistungsquelle, wie beispielsweise eine Batterie, gespeist wird. So kann ein Kurzschluss in einem Steuergerät eines Kraftfahr zeugs, beispielsweise in der Steuervorrichtung einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglen kung, zu einem Abfall der Spannung der Fahrzeugbatterie führen und diese innerhalb kurzer Zeit so weit entladen, dass auch die übrigen elektrischen Komponenten des Bordnetzes nicht mehr ordnungsgemäß betrieben werden können.

Elektronische Steuervorrichtungen zur Ansteuerung eines Elektromotors einer elektromecha nischen Kraftfahrzeuglenkung weisen üblicherweise einen 3-Phasen- Wechselrichter zur Ver sorgung eines als Drehstrommotor ausgebildeten Elektromotors und mindestens einen dazu parallel geschalteten Ladekondensator auf, um den schnell schwankenden Strombedarf des Wechselrichters zu decken. Hauptursachen für einen Kurzschluss in der Steuervorrichtung sind Fehler der im Wechselrichter verwendeten Schaltelemente oder in den Ladekondensa toren, wodurch sich diese Bauteile wie niederohmige Widerstände (oftmals im Bereich von nur wenigen Milliohm) verhalten, die eine direkte Verbindung zwischen den Polen der Fahr zeugbatterie hersteilen. Um einen Spannungsabfall und eine Entladung der Fahrzeugbatterie zu verhindern, sollte die Steuervorrichtung deshalb in der Lage sein, diese Fehler zu detek- tieren und darauf zu reagieren.

Hierfür ist es bekannt, dass der für die Ansteuerung des Wechselrichters vorgesehene inte grierte Schaltkreis, die Gate-Treibereinheit (GDU), eine eingebaute Überwachung des an den Schaltelementen auftretenden Spannungsabfalls zwischen Drain- und Source-Elektrode aufweist. Eine solche Überwachung ist jedoch insbesondere im Bereich der Hochleistungs elektronik nicht so genau und zuverlässig, wie sie sein sollte, da die in diesem Bereich als Schaltelemente verwendeten MOSFETs einen Einschaltwiderstand im Bereich von wenigen Milliohm aufweisen und parasitäre Leitungswiderstände sowie Unterschiede zwischen den verschiedenen Phasen auftreten, die das Messergebnis beeinflussen. Außerdem bietet diese Art der Überwachung keinen Schutz vor Kurzschlüssen in den Ladekondensatoren, da diese nicht erkannt werden können.

Aus DE 10 2014 114 716 A1 ist eine Überwachungsvorrichtung für einen Leistungsversor gungsstrom zum Überwachen der Stärke eines Leistungsversorgungsstroms bei einer Trei berschaltung für einen Elektromotor bekannt. Die Überwachungsvorrichtung weist einen Stö- rungsbestimmer und eine Leistungsversorgungsrelaissteuerung auf. Der Störungsbestimmer bestimmt basierend auf einer Spannung über einem Nebenschlusswiderstand, durch den der Leistungsversorgungsstrom fließt, ob eine Kurzschlussstörung auftritt. Die Leistungsversor gungsrelaissteuerung öffnet und schließt ein Leistungsversorgungsrelais, um den Wechsel richter von einem Leistungsversorgungsweg zu trennen und mit demselben zu verbinden.

Um einen beispielsweise durch ein Rauschen oder einen Kurzschluss aufgrund eines vor übergehenden Schaltungskontakts verursachten Erfassungsfehler zu eliminieren wird ein sich wiederholendes Überwachungsverfahren ausgeführt, bei dem das Leistungsversor gungsrelais, nachdem eine Überstrombedingung einmal erfasst wurde, wiederholt EIN- und AUS-geschaltet wird. Nachteilig an dieser Überwachungsvorrichtung ist, dass die Strommes sung im Leistungsversorgungsweg zu ohmschen Verlusten führt und keine Unterscheidung zwischen verschiedenen Kurzschlussursachen erlaubt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektronische Steuervorrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors mit einem verbesserten Kurzschlussschutz anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektronische Steuervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hierdurch wird eine elektronische Steuervorrichtung für einen Elektromotor einer elektrome chanischen Kraftfahrzeuglenkung geschaffen, deren Kurzschlussschutz auf der Auswertung des Stromflusses durch mindestens einen zum Wechselrichter parallel geschalteten Konden sator beruht. Die Strommesseinrichtung ist folglich in Reihe zu dem mindestens einen Kon densator und parallel zu dem Wechselrichter angeordnet. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der durch den Kondensator fließende Strom im Normalbetrieb der Steuervor richtung ein Rippelstrom ist, dessen Frequenz von der Schaltfrequenz der im Wechselrichter verwendeten Schaltelemente abhängt. Der Gleichstromanteil des gemessenen Stromes ist im Normalbetrieb nahezu null. Im Falle eines Kurzschlusses tritt jedoch eine Gleichstrom komponente des gemessenen Stromes auf und zwar sowohl wenn der Kondensator als auch wenn ein Schaltelement des Wechselrichters den Kurzschluss verursacht hat. Ein Störzu stand im Leistungsmodul kann daher unabhängig von der Ursache über die Gleichstromkom ponente des durch den Kondensator fließenden Stroms sicher erkannt werden. Ein Kurz schluss-Fehlersignal kann beispielsweise dann von der Strommesseinrichtung ausgegeben werden, wenn der Gleichstromanteil ein vorgebbares Toleranzintervall verlässt.

Ferner wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Strommesseinrichtung parallel zum Wechselrichter erreicht, dass im Normalbetrieb nur ein kleiner Teil des zur Versorgung des Elektromotors verwendeten Leistungsstroms die Messeinrichtung durchfließt, so dass die ohmschen Verluste der Steuervorrichtung reduziert sind.

Die erfindungsgemäße Messanordnung erlaubt es zudem, die beiden vorgenannten Kurz schlussursachen anhand der Stromrichtung der Gleichstromkomponente voneinander zu un terscheiden. Bei einem Kurzschluss in dem mindestens einen Kondensator tritt ein Lade strom des Kondensators ungehindert durch den Kondensator hindurch, während bei einem fehlerhaften Schaltelement des Wechselrichters der Kurzschluss zu einem Entladestrom im Kondensator führt. Die Strommesseinrichtung ist daher vorzugsweise dazu ausgebildet, ein Kurzschluss-Fehlersignal auszugeben, das die Stromrichtung des Gleichstromanteils enthält. In diesem Fall kann das Kurzschluss-Fehlersignal für eine differenzierte Fehlerdiagnose her angezogen werden.

Vorzugsweise enthält die Steuereinheit einen Speicher zur Abspeicherung des Kurzschluss- Fehlersignals. Der Speicher kann dann nach der Trennung der elektronischen Steuervorrich tung von der Leistungsquelle ausgelesen werden, um auch nachträglich noch die Ursache des Kurzschlusses feststellen zu können. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Un teransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild schematisch den Aufbau einer erfindungsgemä ßen elektronischen Steuervorrichtung, und

Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild schematisch den Aufbau der elektronischen

Steuervorrichtung gemäß Fig. 1 in detaillierterer Form.

In Fig. 1 ist schematisch der Aufbau einer elektronischen Steuervorrichtung mit Kurzschluss schutz zur Ansteuerung eines Elektromotors einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglen kung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Steuervorrichtung kann dabei beispielsweise als ein separates oder auch als ein in den Elektromotor integrier tes Steuergerät ausgebildet sein.

Die elektronische Steuervorrichtung 10 umfasst eine Schalteinrichtung 2, ein Leistungsmodul 3, eine Strommesseinrichtung 4 und eine Steuereinheit 5. Die elektronische Steuervorrich tung 10 ist über die Schalteinrichtung 2 mit einer Leistungsquelle 1 verbunden. Innerhalb der Steuervorrichtung 10 ist das Leistungsmodul 3 an die Schalteinrichtung 2 angeschlossen. An das Leistungsmodul 3 ist ein Elektromotor 33 (vgl. Fig. 2) für dessen Versorgung mit elektri scher Leistung anschließbar. Das Leistungsmodul 3 enthält einen Wechselrichter 31 und mindestens einen zu dem Wechselrichter 31 parallel geschalteten Kondensator 30 (vgl.

Fig. 2). Mit dem Leistungsmodul 3 ist eine Strommesseinrichtung 4 verbunden, die dazu aus gebildet ist, in Abhängigkeit von der Stromstärke eines in dem Leistungsmodul 3 auftreten den elektrischen Stromes ein Kurzschluss-Fehlersignal auszugeben. Mit der Strommessein richtung 4 ist eine Steuereinheit 5 zur Steuerung der Schalteinrichtung 2 verbunden, wobei die Steuereinheit 5 dazu ausgebildet ist, bei Empfang des Kurzschluss-Fehlersignals eine Trennung des Leistungsmoduls 3 von der Leistungsquelle 1 mittels der Schalteinrichtung 2 auszulösen. Die Strommesseinrichtung 4 ist ferner dazu ausgebildet, einen durch den Kon densator 30 fließenden elektrischen Strom zu messen und das Kurzschluss-Fehlersignal ba sierend auf einem Gleichstromanteil des gemessenen Stromes auszugeben. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann die Steuerung der Schalteinrichtung 2 durch die Steuereinheit 5 vorzugs weise mit Hilfe einer Treiberschaltung 6 erfolgen. Wie in Fig. 2 dargestellt ist die elektronische Steuervorrichtung 10 zwischen einer Leistungs quelle 1 , vorzugsweise einer Gleichspannungsquelle, wie beispielsweise einer Fahrzeugbat terie, und einem anzusteuernden, vorzugsweise mehrphasigen, Elektromotor 33, der als Teil einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung der Unterstützung einer Lenkbewegung eines Fahrers dient. Die Leistungsquelle 1 ist über die Schalteinrichtung 2 mit dem Leis tungsmodul 3 verbunden, an das der Elektromotor 33 angeschlossen ist. Die Schalteinrich tung 2 kann vorzugsweise mindestens zwei in Reihe geschaltete Halbleiter-Schaltelemente enthalten, die über die Treiberschaltung 6 angesteuert werden. Alternativ kann die Schaltein richtung 2 aber beispielsweise auch als Schaltrelais ausgebildet sein.

Das Leistungsmodul 3 umfasst neben dem mindestens einen Kondensator 30 und dem Wechselrichter 31 eine Gate-Treibereinheit (GDU) 32, die die Schaltelemente des Wechsel richters 31 ansteuert. Als Schaltelemente sind vorzugsweise Halbleiterschaltelemente, insbe sondere MOSFETs oder IGBTs vorgesehen.

Der mindestens eine Kondensator 30 dient als Ladekondensator der Glättung der am Wech selrichter 31 anliegenden Eingangsspannung. Der Kondensator 30 kann somit den schwan kenden Strombedarf des Wechselrichters ausgleichen. Um den durch den Kondensator 30 fließenden Strom zu messen, ist die Strommesseinrichtung 4 in Reihe mit dem Kondensator 30 angeordnet. Die Strommesseinrichtung 4 umfasst vorzugsweise eine Strommesseinheit 41 , die den zu messenden Strom in ein Spannungssignal wandelt. Die Strommesseinheit 41 kann beispielsweise zur Bestimmung eines Spannungsabfalls an einem mit dem Kondensa tor 30 in Reihe geschalteten Shunt-Widerstand ausgebildet sein. Alternativ kann die Strom messeinheit den durch den Kondensator fließenden Strom auch mittels anderer Messprinzi pien, beispielsweise über das von dem zu messenden Strom hervorgerufene Magnetfeld, bestimmen.

Vorzugsweise umfasst die Strommesseinrichtung 4 ferner ein Tiefpassfilter 40 zur Bestim mung des Gleichstromanteils des zu messenden Stroms. Das Tiefpassfilter 40 filtert die Wechselstromkomponenten des durch die Ansteuerung des Elektromotors 33 im Kondensa tor 30 fließenden Rippelstromes heraus. Da der durch den Kondensator 30 fließende Strom im Normalbetrieb nahezu keine Gleichstromkomponente aufweist, liegt das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 40 innerhalb einer Toleranz um null. Vorzugsweise ist das Tiefpassfilter 40 ein aktives Tiefpassfilter mit Gleichspannungskorrektur. Die Gleichspannungskorrektur kann durch Anlegen einer einstellbaren Offset-Spannung erfolgen, durch die das Ausgangs signal des Tiefpassfilters 40 im Normalbetrieb im Wesentlichen auf null kalibriert ist. Das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 40 kann, wie in Fig. 2 dargestellt, einem Fenster komparator 42 der Messeinrichtung 4 zugeführt werden, der ein Kurzschluss-Fehlersignal ausgibt, wenn das Signal außerhalb eines vorgebbaren Toleranzintervalls liegt. Das Kurz schluss-Fehlersignal kann anschließend einem durch einen Mikrocontroller 50 gesteuerten D-Flipflop 51 der Steuereinheit 5 zugeleitet werden. Mit Hilfe des D-Flipflops kann das Kurz schluss-Fehlersignal als Fehlerzustand gespeichert werden. Dies ist vorteilhaft, um ein Wie dereinschalten der Schalteinrichtung 2 zu verhindern, wenn der am Kondensator 30 gemes sene Strom und damit das Kurzschluss-Fehlersignal nach dem Ausschalten der Schaltein richtung 2 wegfällt.

Durch die Verarbeitung des Kurzschluss-Fehlersignals in der Steuereinheit 5 können außer dem erwartbare Kurzschluss-Fehlersignale von tatsächlichen Kurzschluss-Fehlern unter schieden werden, um Fehlöffnungen der Schalteinrichtung 2 zu vermeiden. Wrd der Kon densator 30 beispielsweise beim Einschalten der Zündung erstmals geladen, stellt die Strommesseinrichtung 4 einen durch den Kondensator 30 fließenden Gleichstromanteil fest, der nicht auf einem Kurzschlussfehler beruht. Der Mikrocontroller 50 kann deshalb das D- Flipflop vorzugsweise erst mit einer Einschaltverzögerung nach einem Einschalten der Steu ervorrichtung 10 aktivieren.

Gemäß einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Steuereinheit zusätzlich einen Speicher zur Abspeicherung des Kurzschluss-Fehlersignals enthalten. Dieser Speicher ist vorzugsweise als nicht- flüchtiger Speicher ausgebildet, der beispielsweise zur Wartung und/oder Reparatur der Steuervorrichtung ausgelesen werden kann. Vorteilhaft ist ferner, wenn das Kurzschluss-Fehlersignal die Stromrichtung des Gleichstromanteils enthält. In die sem Fall können durch die Auswertung des Kurzschluss-Fehlersignals Diagnoseinformatio nen darüber gewonnen werden, welches Bauteil den Kurzschlussfehler verursacht hat.

Auf Basis des Ausgangssignals der Steuereinheit 5 wird die Schalteinrichtung 2, wie in Fig. 2 dargestellt, über eine Treiberschaltung 6 angesteuert, um das Leistungsmodul 3 von der Leistungsquelle 1 zu trennen. Hierfür umfasst die Treiberschaltung 6 vorzugsweise einen High-Side Gate-Treiber 61 , der dazu ausgebildet ist das Leistungsmodul 3 auch unter Last von dem Leistungsquelle 1 zu trennen, und einen Aufwärtswandler 60 zur Versorgung des High-Side Gate Treibers 61 mit der für die Schalteinrichtung 2 erforderlichen Schaltspan nung.

Während des Betriebs der elektronischen Steuervorrichtung 10 wird somit kontinuierlich ein Überwachungsverfahren ausgeführt, in dem die Strommesseinrichtung 4 den Gleichstroman- teil des durch den Kondensator 30 fließenden elektrischen Stroms überwacht, die Strom messeinrichtung 4 ein Kurzschluss-Fehlersignal an die Steuereinheit 5 ausgibt, wenn der Gleichstromanteil ein vorgegebenes Toleranzintervall verlässt und die Steuereinheit 5 die Schalteinrichtung 2 zur Trennung des Leistungsmoduls 3 von der Leistungsquelle 1 bei Emp- fang des Kurzschluss-Fehlersignals auslöst. In der Folge wird das fehlerhafte Leistungsmo dul 3 von der Leistungsquelle isoliert, so dass ein Spannungsabfall der Leistungsquelle 1 verhindert wird und andere Verbraucher weiterhin ordnungsgemäß an der Leistungsquelle 1 betrieben werden können. Vorzugsweise speichert Steuereinrichtung 5 das Auftreten des Kurzschluss-Fehlersignal als Fehlerzustand, um ein Wiedereinschalten der Schalteinrichtung 2 nach Wegfall des Kurzschluss-Fehlersignals zu verhindern.

Bezugszeichenliste

1 Leistungsquelle

2 Schalteinrichtung

3 Leistungsmodul

4 Strommesseinrichtung

5 Steuereinheit

6 Treiberschaltung

30 Kondensator

31 Wechselrichter

32 Gate-Treibereinheit (GDU)

33 Elektromotor

40 Tiefpassfilter

41 Strommesseinheit

42 Fensterkomparator

50 Mikrocontroller

51 D-Flipflop

60 Aufwärtswandler

61 High-Side Gate-Treiber