Wechselrichteranordnung und Verfahren zum Detektieren eines Brückenkurzschlusses in einem Halbbrückenzweig eines Wechselrichters

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichteranordnung und ein Verfahren zum De- tektieren eines Brückenkurzschlusses in einem Halbbrückenzweig eines Wechselrichters.

Stand der Technik Für den Antrieb in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen werden in der Regel elektrische Maschinen in Form von Drehfeldmaschinen eingesetzt, welche in Verbindung mit Wechselrichtern - häufig auch als Inverter bezeichnet - betrieben werden. Die elektrischen Maschinen werden dabei wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben. Im Motorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine ein An- triebsmoment, welches beim Einsatz in einem Hybridfahrzeug einen Verbrennungsmotor, zum Beispiel in einer Beschleunigungsphase, unterstützt. Im Generatorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine elektrische Energie, die in einem Energiespeicher, wie zum Beispiel einer Batterie oder einem Super-Cab gespeichert wird. Betriebsart und Leistung der elektrischen Maschine werden über den Wechselrichter eingestellt.

Bekannte Wechselrichter umfassen eine Reihe von Schaltelementen, mit denen die einzelnen Phasen (U, V, W) der elektrischen Maschine wahlweise gegen ein hohes Versorgungsspannungspotential oder gegen ein niedriges Versorgungs- spannungspotential geschaltet werden. Dabei bilden jeweils zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente einen Halbbrückenzweig, wobei ein erstes Schaltelement mit dem hohen Versorgungsspannungspotential und ein zweites Schaltelement mit dem niedrigen Versorgungsspannungspotential verbunden sind. Jede Phase der elektrischen Maschine ist dann mit jeweils einem Halbbrücken- zweig verbunden. Die Schaltelemente werden von einem externen Steuergerät angesteuert, das in Abhängigkeit vom Fahrerwunsch (Beschleunigen oder Brem- sen) einen Soll-Betriebspunkt für die elektrische Maschine berechnet. Der Wechselrichter ist mit dem Steuergerät verbunden und erhält von diesem die entsprechenden Betriebsdaten bzw. Steuerbefehle. Um einen Brückenkurzschluss, bei welchem beide Schaltelemente eines Halbbrückenzweiges gleichzeitig eingeschaltet sind und somit ein direkter Kurz- schluss zwischen dem hohen und dem niedrigen Versorgungsspannungspotenti- al hergestellt wird, zu erkennen, wird herkömmlicher Weise eine Kollektor- Emitter-Spannung an den Schaltelementen überwacht. Diese Spannung ist ein Maß für den Strom durch das entsprechende Schaltelement. Überschreitet diese

Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert, so wird ein Brückenkurzschluss detektiert, woraufhin geeignete Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung schafft eine Wechselrichteranordnung mit einem Wechselrichter, insbesondere einem Pulswechselrichter, welcher mindestens einen Halbbrückenzweig umfasst, der eine Reihenschaltung von zwei Schaltelementen um- fasst, wobei ein erstes Schaltelement mit einem hohen Versorgungsspannungs- potential und ein zweites Schaltelement mit einem niedrigen Versorgungsspan- nungspotential verbunden ist. Erfindungsgemäß weist jeder Halbbrückenzweig mindestens einen Stromsensor auf, welcher einen Strom in dem Halbbrückenzweig oder eine diesen Strom charakterisierende Größe ermittelt.

Die Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Detektieren eines Brücken- kurschlusses in einem Halbbrückenzweig eines Wechselrichters, wobei der Halbbrückenzweig eine Reihenschaltung von zwei Schaltelementen umfasst, von denen ein erstes Schaltelement mit einem hohen Versorgungsspannungspotential und ein zweites Schaltelement mit einem niedrigen Versorgungsspannungspotential verbunden ist. Dabei wird in dem Halbbrückenzweig ein Strom oder eine diesen Strom charakterisierende Größe ermittelt. Auf Basis des ermittelten Stromes oder der ermittelten Größe wird eine Stromänderungsgeschwindigkeit ermittelt. Übersteigt die Stromänderungsgeschwindigkeit einen vorgebbaren Schwellenwert, so wird ein Brückenkurzschluss in dem entsprechenden Halbbrückenzweig detektiert. Vorteile der Erfindung

Im Gegensatz zu einer Überwachung der Kollektor-Emitter-Spannungen an den Schaltelementen kann durch die Ermittlung und Auswertung der Ströme unmit- telbar in den Halbbrückenzweigen ein Brückenkurschluss auch dann sicher de- tektiert werden, wenn die Ansteuerung nicht aktiv, beschädigt oder selbst die Ursache für den Brückenkurzschluss ist.

Bei herkömmlichen über einen Wechselrichter gesteuerten elektrischen Maschi- nen werden die Phasenströme anhand von Ausgangssignalen von Stromsensoren geregelt, welche den Strom in den Verbindungsleitungen zwischen dem Wechselrichter und den einzelnen Phasen der elektrischen Maschine ermitteln. Diese Stromsensoren können durch die erfindungsgemäß in den Halbbrückenzweigen angeordneten Stromsensoren ersetzt werden, das heißt die Ausgangs- Signale der erfindungsgemäß angeordneten Stromsensoren können unmittelbar auch zur Regelung der Maschinenströme verwendet werden.

Dazu kann eine Auswerteeinheit vorgesehen sein, welche auf Basis des ermittelten Stromes oder der ermittelten, den Strom charakterisierenden Größe die Stromänderungsgeschwindigkeit (Stromgradient) ermittelt und einen Brückenkurzschluss detektiert, wenn die Stromänderungsgeschwindigkeit einen vorgebbaren Schwellenwert übersteigt. Dabei macht man sich zunutze, dass bei Auftreten eines Brückenkurzschlusses der Strom in dem Halbbrückenzweig deutlich schneller ansteigt, als es im normalen Betrieb des Wechselrichters möglich ist.

Um einen höheren Sicherheitsintegritätslevel zu erreichen, können die erfindungsgemäß angeordneten Stromsensoren aber auch zusätzlich zu herkömmlichen Stromsensoren in den Verbindungsleitungen zwischen dem Wechselrichter und den einzelnen Phasen der elektrischen Maschine vorgesehen werden und als Redundanz für diese dienen.

Die eingesetzten Stromsensoren können z.B. als Stromdurchflusswandler oder auch als Messwiderstand ausgebildet sein. Die Stromsensoren können auch direkt im Halbleiter der Schaltelemente implementiert sein. Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügte Figur, welche ein schematisches Blockschaltbild einer an eine elektrische Maschine angeschlossenen erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung zeigt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 1 , welche beispielsweise als Synchron-, Asynchron- oder Reluktanz- Maschine ausgeführt sein kann, mit einem daran angeschlossenen Pulswechselrichter 2. Der Pulswechselrichter 2 umfasst Schaltelemente 3a-3f in Form von Leistungsschaltern, welche mit einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 verbunden sind und die Phasen U, V, W entweder gegen ein hohes Versorgungsspannungspotential T+ oder ein niedriges Versorgungsspannungs- potential T- schalten. Die mit dem hohen Versorgungsspannungspotential T+ verbundenen Schaltelemente 3a-3c werden dabei auch als„High-Side-Schalter" und die mit dem niedrigen Versorgungsspannungspotential T- verbundenen Schalter 3d-3f als„Low-Side-Schalter" bezeichnet und können beispielsweise als

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) oder als Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) ausgeführt sein. Der Pulswechselrichter 2 umfasst ferner mehrere Freilaufdioden 4a-4f, welche jeweils parallel zu einem der Schaltelemente 3a-3f angeordnet sind. Die Schaltelemente 3a und 3d, 3b und 3e sowie 3c und 3f bilden dabei jeweils eine Halbbrücke 10a, 10b bzw. 10f, welche jeweils einer der Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 zugeordnet sind.

Der Pulswechselrichter 2 bestimmt Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 1 und wird von einem nicht dargestellten Steuergerät, welches auch in den Wechselrichter 2 integriert sein kann, entsprechend angesteuert. Die elektrische Maschine 1 kann dabei wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrie- ben werden.

Der Pulswechselrichter 2 kann außerdem einen nicht dargestellten sogenannten Zwischenkreis-Kondensator umfassen, welcher im Wesentlichen zur Stabilisierung einer Spannung eines Energiespeichers, also beispielsweise einer Batterie- Spannung dient. Parallel zum Zwischenkreis-Kondensator kann dann beispiels- weise das Bordnetz eines Fahrzeugs mit einem Energiespeicher in Form einer Batterie geschaltet sein.

Die elektrische Maschine 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel dreiphasig ausgeführt, kann aber auch weniger oder mehr als drei Phasen aufweisen. Dem entsprechend kann der Wechselrichter 2 auch weniger oder mehr als drei Halbbrückenzweige 10 umfassen.

In jedem Halbbrückenzweig 10a, 10b, 10c ist an dem, dem positiven Versor- gungsspannungspotential T+ abgewandeten Ausgang des High-Side-Schalters 3a bzw. 3b bzw. 3c, also am Emitter-Ausgang, ein Stromsensor 1 1a bzw. 11 b bzw. 1 1c, z.B. in Form eines Stromdurchflusswandlers oder eines Messwiderstandes oder auch im Halbleiter des Schalters implementiert, vorgesehen, welcher den Strom oder zumindest eine den Strom charakterisierende Größe an dieser Stelle ermittelt. Die ermittelten Stromwerte werden dann einerseits zur Regelung der Ströme in der elektrischen Maschine 1 genutzt werden. Andererseits werden die ermittelten Ströme oder die sie charakterisierenden Größen aber auch einer Auswerteeinheit 12 zugeführt, welche in Figur 1 lediglich schematisch dargestellt ist, zugeführt. Die Auswerteinheit 12 ermittelt dann auf Basis des ermittelten Stromes oder der ermittelten Größe eine Stromänderungsgeschwindigkeit (di/dt), das heißt eine Veränderung der Stromstärke über der Zeit, für die einzelnen Halbbrückenzweige 10a, 10b, 10c und detektiert einen Brü- ckenkurzschluss in dem entsprechenden Halbbrückenzweige 10a, 10b, 10c, wenn die Stromänderungsgeschwindigkeit einen vorgebbaren Schwellenwert übersteigt.

Die in Figur 1 dargestellte Anordnung der Stromsensoren 11 a, 11 b und 1 1 c an den dem positiven Versorgungsspannungspotential T+ abgewandeten Ausgängen der High-Side-Schalter 3a bzw. 3b bzw. 3c ist dabei lediglich als beispielhaft anzusehen. Die Stromsensoren 11 a, 1 1 b und 1 1c können auch an beliebigen anderen Stellen innerhalb der Halbbrückenzweige 10a bzw. 10b bzw. 10c angeordnet sein. Auch ist es denkbar in den Halbbrückenzweigen mehr als einen Stromsensor vorzusehen, um auf diese Weise eine zusätzliche Redundanz zu schaffen. In Verbindungsleitungen 12-U, 12-V und 12W zwischen den Halbbrückenzweigen 10a bzw. 10b bzw. 10c und den Phasen U bzw. V bzw. W der elektrischen Maschine können optional auch zusätzliche nicht dargestellte Stromsensoren vorgesehen sein, um auf diese Weise einen höheren Sicherheitsintegritätslevel zu erreichen.

Selbstverständlich kann zusätzlich zum erfindungsgemäßen Detektionsverfahren auch die Kollektor-Emitter-Spannung an den Schaltelementen 3a-3f überwacht werden.

Wrd ein Brückenkurzschluss detektiert, können geeignete, an sich bekannte Maßnahmen ergriffen werden, um die einzelnen Schaltungselemente vor einer dauerhaften Beschädigung zu schützen.