Titel

Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Stromrich ters, bei dem mittels getakteter Ansteuerung von Schaltelementen mit einer Takt frequenz eine Gleichspannung in eine Wechselspannung gewandelt wird, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.

Stand der Technik

Elektrische Maschinen können, insbesondere bei einem Einsatz in einem Fahr zeug, motorisch an einem Wechselrichter bzw. Inverter betrieben werden, der von einem Gleichspannungskreis gespeist wird. Üblich für solche Inverter, auch als Traktionsinverter bezeichnet, ist eine getaktete Ansteuerung, insbesondere eine Pulsbreitenmodulation (PWM), von Schaltelementen, insbesondere Halb leiterschaltelementen wie MOSFETs. Dies dient insbesondere dazu, einen ge wünschten, beispielsweise möglichst sinus-förmigen, Spannungsverlauf zu erhal ten.

Aus der DE 102017 113 886 A1 ist es bekannt, eine Taktfrequenz einer solchen Ansteuerung von Schaltelementen zu erhöhen, um eine Überhitzung der elektri schen Maschine zu vermeiden. Um jedoch eine Überhitzung der Halbleiterschal ter im Inverter zu vermeiden, wird die Taktfrequenz reduziert.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters so wie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters, insbe sondere eines Wechselrichters (bzw. Inverters), bei dem mittels getakteter An steuerung von Schaltelementen mit einer Taktfrequenz eine Gleichspannung in eine Wechselspannung gewandelt wird. Eine typische Taktfrequenz liegt bei spielsweise bei ca. 10 kHz, beispielsweise bei ca. 10 bis 12 kHz, jedoch funktio niert das vorgeschlagene Verfahren auch mit anderen Taktfrequenzen.

Eine solche getaktete Ansteuerung der Schaltelemente, bei denen es sich zweckmäßigerweise um Halbleiterschalter wie MOSFETs oder IGBTs handelt, wird bevorzugt verwendet, um eine sinus-förmige Wechselspannung zu erzeu gen. Hierzu kann beispielsweise eine sog. Sinus-Dreieck-Modulation oder ein sog. Flat-Top-Modulation zum Einsatz kommen.

Weiterhin wird eine für eine Temperatur eines Zwischenkreiskondensators des Stromrichters charakteristische Größe ermittelt. Hierbei handelt es sich insbe sondere um die Temperatur des Zwischenkreiskondensators selbst, oder um ei ne Temperatur, die mit der Temperatur des Zwischenkreiskondensators in einer bestimmbaren Beziehung steht, beispielsweise die Temperatur eines Kühlkör pers. Zur Erfassung hierzu kann zweckmäßigerweise ein Temperatursensor, ty pischerweise am Zwischenkreiskondensator oder Kühlkörper usw. angebracht, verwendet werden.

Anhand der ermittelten Größe wird dann bestimmt, ob eine Frequenzreduzie rungssituation vorliegt. Dazu kann insbesondere die ermittelte Größe mit einem Schwellwert verglichen werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Gradient der ermittelten Größe, insbesondere ein zeitlicher oder ggf. auch ein räumlicher Temperaturgradient, also ein eine für einen Temperaturanstieg des Zwischen kreiskondensators charakteristische Größe, ermittelt und mit einem Schwellwert verglichen werden. Insbesondere kann somit erkannt werden, ob die Temperatur des Zwischenkreiskondensators zu hoch ist, zu hoch zu werden droht bzw. zu schnell steigt.

Ein jeweils konkreter Schwellwert kann insbesondere in Abhängigkeit von dem konkreten Verfahren der getakteten Ansteuerung bzw. der entsprechenden Puls breitenmodulation, also beispielsweise der Sinus-Dreieck-Modulation oder der Flat-Top-Modulation, erfolgen. Ein entsprechender Schwellwert kann dabei auf geeignete Weise appliziert werden. Ebenso können für verschiedene Betriebs punkte des Stromrichters oder ggf. auch einer damit angesteuerten elektrischen Maschine verschiedene Schwellwerte verwendet werden. Geeignete Schwellwer te können hierzu beispielsweise im Rahmen eines Testlaufs ermittelt und dann appliziert bzw. in einem Kennfeld oder dergleichen hinterlegt werden.

Wenn dann bestimmt wird, dass eine Frequenzreduzierungssituation vorliegt, wird die Taktfrequenz reduziert.

Wie schon erwähnt, ist es bekannt, diese Taktfrequenz zu erhöhen, um eine Überhitzung der elektrischen Maschine (also insbesondere der Statorwicklungen) zu vermeiden, und die Taktfrequenz zu reduzieren, um eine Überhitzung der Halbleiterschalter im Inverter zu vermeiden. Überraschenderweise hat sich nun jedoch herausgestellt, dass eine hohe Taktfrequenz auch einen nennenswerten Einfluss auf den Zwischenkreiskondensator, insbesondere im Falle eines sog. Folienkondensators, hat, und zwar zu einer gewissen Überhitzung führt. Wie sich gezeigt hat, kann auch hier durch eine Reduzierung der Taktfrequenz eine über mäßige Überhitzung verhindert werden, sodass ein etwaiger Derating-Modus (zur Verlustleistungsreduzierung) des Inverters oder gar ein Ausfall vermieden oder aber zumindest zeitlich hinausgezögert werden kann. Dies gilt insbesondere für einen Dauerbetrieb des Stromrichters. Damit kann insbesondere auch der Fall vermieden werden, dass etwaige gewünschte oder geforderte Momente durch eine elektrische Maschine nicht mehr gestellt werden.

Eine zweckmäßige Reduzierung der Taktfrequenz kann beispielsweise um einen Wert zwischen 15% und 30% erfolgen, z.B. von 12 kHz auf 10 kHz oder von 10 kHz auf 7 kHz. Damit ist - zumindest zeitweise - immer noch ein hinreichend gu ter Betrieb beispielsweise einer elektrischen Maschine möglich.

Zweckmäßig ist zudem auch, wenn die Taktfrequenz wieder auf den ursprüngli chen Wert erhöht wird, wenn bestimmt wird, dass keine Frequenzreduzierungssi tuation mehr vorliegt.

Ebenfalls zweckmäßig kann eine zeitliche Bedingung zur Reduzierung der Takt frequenz dahingehend sein, dass beispielsweise nach einer gewissen Zeitdauer im Dauerbetrieb die Taktfrequenz (automatisch) entsprechend reduziert - und später ggf. wieder erhöht - wird. Somit kann einer Überhitzung ebenfalls vorge beugt werden.

Weiterhin ist es bevorzugt, wenn weiterhin eine für eine Temperatur einer mit dem Stromrichter angesteuerten elektrischen Maschine charakteristische Größe ermittelt wird, wobei die Taktfrequenz in Abhängigkeit von der für die Temperatur der elektrischen Maschine charakteristischen Größe oder einer für einen Tempe raturanstieg der elektrischen Maschine charakteristischen Größe reduziert wird.

In diesem Sinne kann es zweckmäßig sein, eine Reduzierung der Taktfrequenz zeitlich (nach hinten) zu verschieben, wenn beispielsweise eine Überhitzung der elektrischen Maschine droht und in diesem Zusammenhang eine Erhöhung der Taktfrequenz erfolgen sollte.

Auch ist es zweckmäßig, wenn weiterhin eine für eine Temperatur der Schalt elemente des Stromrichters charakteristische Größe ermittelt wird, wobei die Taktfrequenz in Abhängigkeit von der für die Temperatur der Schaltelemente des Stromrichters charakteristischen Größe oder einer für einen Temperaturanstieg der Schaltelemente des Stromrichters charakteristischen Größe reduziert wird. In diesem Sinne kann es zweckmäßig sein, eine Reduzierung der Taktfrequenz zeitlich vorzuziehen, wenn beispielsweise eine Überhitzung der Schaltelemente droht und in diesem Zusammenhang bereits eine Reduzierung der Taktfrequenz erfolgen sollte. Insgesamt kann oder muss also bei dem Ausmaß und dem Zeitpunkt der Redu zierung der Taktfrequenz ein Kompromiss zwischen einer Überhitzung der elektrischen Maschine und der Schaltelemente des Stromrichters sowie der ma ximal möglichen Verfügbarkeit des Zwischenkreiskondensators gefunden wer den. Insbesondere durch das Einbeziehen der Temperatur des Zwischenkreis kondensators kann die Verfügbarkeit insgesamt nochmals erhöht werden.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahr zeugs oder eine Steuereinheit oder eine Leistungselektronik einer elektrischen Maschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfin dungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Da tenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magne tische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computer netze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schema tisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt schematisch einen Stromrichter, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Figur 2 zeigt verschiedene Größen zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.

Figur 3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.

Ausführungsform(en) der Erfindung

In Figur 1 ist schematisch ein beispielhaft als Brückenwechselrichter ausgebilde ter Stromrichter 110 dargestellt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist und der zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine 100 dient.

Der Stromrichter 110 weist zwei Gleichspannungsanschlüsse 131, 132 auf, die auf übliche Weise, neben einem insbesondere als Folienkondensator ausgebilde ten Zwischenkreiskondensator 135, mit beispielhaft sechs Halbleiterschaltern 120, beispielsweise MOSFETs, verbunden sind. Zwischen jeweils zwei der Halb leiterschalter 120 ist eine Phase der elektrischen Maschine 100 angebunden.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass es sich bei dem Stromrichter nicht nur um ei nen Wechselrichter, sondern insbesondere auch um einen Stromrichter handeln kann, der auch als Gleichrichter betrieben werden kann, sodass die elektrische Maschine insgesamt sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ist.

Weiterhin ist der Stromrichter 110 mit seinen Gleichspannungsanschlüssen 131, 132 an ein Bordnetz 170, beispielsweise in einem Fahrzeug, angeschlossen. An das Bordnetz 170 wiederum sind typischerweise weitere Komponenten bzw. Verbraucher angebunden, die hier der Übersichtlichkeit halber jedoch nicht ge zeigt sind.

Während eines Betriebs des Stromrichters 110 werden die einzelnen Halbleiter schalter 120 nun mittels einer Ansteuerschaltung bzw. einer Ansteuereinheit 150 auf geeignete Weise zum Öffnen bzw. Schließen angesteuert. Dies erfolgt insbe sondere mit einer bestimmten Taktfrequenz von beispielsweise 12 kHz. Bei einer üblichen Ansteuerung ist beispielsweise immer je Zweig ein Schalter geschlos- sen und der andere geöffnet. Dabei wird eine Gleichspannung U _dc in eine Wech selspannung gewandelt. Hierzu kann beispielsweise die sog. Sinus-Dreieck- Modulation oder eine sog. Flat-Top-Modulation zum Einsatz kommen.

Im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens wird nun beispielsweise eine Tem peratur des Zwischenkreiskondensators 135 ermittelt bzw. gemessen. Beispiels weise kann hierzu ein entsprechender Temperatursensor 136 verwendet werden. Zudem können auch weitere Temperatursensoren 126 und 106 vorgesehen sein, um die Temperaturen der Schaltelemente 120 bzw. der elektrischen Maschine 100 zu messen.

Der Stromrichter 110 und die Ansteuereinheit 150 können dabei zusammen eine Leistungselektronik 140 für die elektrische Maschine 100 bilden oder Teil einer solchen Leistungselektronik sein. Insbesondere kann auch die erwähnte Mes sung des Stromflusses damit erfolgen.

In Figur 2 wird anhand verschiedener Größen ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform erläutert. Hierzu sind eine Taktfrequenz f zur Ansteuerung der Schaltelemente, eine Temperatur T des Zwischenkreiskon densators sowie Leistungsverluste P im Zwischenkreiskondensator jeweils über der Zeit t aufgetragen.

Zunächst beträgt die Taktfrequenz f beispielhaft 12 kHz. Hierbei ist zu erkennen, dass die Temperatur T des Zwischenkreiskondensators ansteigt, und zwar zu nächst etwas schneller und später mit einem Sättigungsverhalten.

Zum Zeitpunkt to wird die Taktfrequenz f auf einen Wert von beispielsweise 10 kHz abgesenkt bzw. reduziert. Hierbei ist auch zu erkennen, dass die Tempera tur daraufhin absinkt, und nach kurzer Zeit einen Sättigungswert erreicht, der um DT geringer ist als der Sättigungswert bei der Taktfrequenz f von 12 kHz.

Anhand des zugehörigen Verlaufs der Leistungsverluste P im Zwischenkreiskon densator ist zu erkennen, dass mit geringerer Taktfrequenz auch die Leistungs verluste sinken bzw. abnehmen. Die Verluste im Zwischenkreiskondensator, ins- besondere im Folienkondensator, setzten sich aus einer Faltung der ESR-Kurve (ESR steht dabei für "Equivalent Series Resistance") und dem Stromspektrum zusammen, sodass sich das Stromspektrum bei geringeren Taktfrequenzen auf der ESR-Kurve in Richtung kleiner Frequenzen verschiebt.

In Figur 3 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in ei ner bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Zunächst werden in einem Schritt 300 im Rahmen eines regulären Betriebs des Stromrichters dessen Schaltele mente mit einer Taktfrequenz f von beispielsweise 12 kHz angesteuert. In einem Schritt 310 - und immer noch während des regulären Betriebs - wird eine Tem peratur T des Zwischenkreiskondensators als eine für die Temperatur des Zwi schenkreiskondensators charakteristische Größe ermittelt bzw. überwacht. Zu dem können hierbei auch die Temperatur T _E der elektrischen Maschine als eine für die Temperatur der elektrischen Maschine charakteristische Größe und die Temperatur Ts der Schaltelemente des Stromrichters als eine für die Temperatur der Schaltelemente charakteristische Größe überwacht bzw. ermittelt werden.

Sobald hierbei festgestellt wird, dass die Temperatur T einen Schwel Iwert T ^' o überschreitet, wird bestimmt, dass eine Frequenzreduzierungssituation vorliegt und die Taktfrequenz f wird in einem Schritt 320 auf einen niedrigeren Wert f von beispielsweise 10 kHz reduziert bzw. abgesenkt. Der Stromrichter wird dann mit dieser reduzierten Taktfrequenz betrieben.

Es kann vorgesehen sein, dabei auch die Temperaturen T _E und Ts zu berück sichtigen, beispielsweise derart, dass der Schwellwert To in Abhängigkeit von T _E und/oder Ts verändert wird oder dass bei Überschreiten des Schwellwerts To noch eine gewisse zeitliche Verzögerung bis zur Reduzierung der Taktfrequenz - z.B. in Abhängigkeit von beispielsweise der Temperatur T _E der elektrischen Ma schine - erfolgt.

Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Temperatur T weiterhin überwacht wird und die Taktfrequenz bei einem weiteren Anstieg von T noch weiter abgesenkt wird. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Temperatur T weiterhin überwacht wird und, wenn diese wieder unter den (oder ggf. einen weiteren) Schwellwert abfällt, bestimmt wird, dass keine Frequenzreduzierungssituation mehr vorliegt und die Taktfrequenz wieder auf den Wert f oder auf einen Wert zwischen f und f erhöht wird.

Insgesamt kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren die Verfügbarkeit des Zwi schenkreiskondensators - und damit des Stromrichters und einer ggf. damit an gesteuerten elektrischen Maschine - erhöht werden.