Titel

Verfahren zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit eines Zwischenkreises

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Zwischenkreises eines elektrischen Antriebs und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Als Antrieb von Kraftfahrzeugen werden neben Verbrennungsmotoren immer häufiger Elektromotoren als elektrische Antriebe eingesetzt, die alternativ oder ergänzend, insbesondere bei Hybridantrieben, zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren Verwendung finden.

Zu beachten ist, dass in konventionellen Fahrzeugen regelmäßig nur ein

Bordnetz existiert. Dieses besteht im Wesentlichen aus einem 12-Volt-Generator, einer 12-Volt-Batterie und 12-Volt-Verbrauchern sowie einem 12-Volt- Startsystem. In zukünftigen Bordnetztopologien, insbesondere bei der Hybridantriebstechnik für Kraftfahrzeuge, werden Mehrspannungsbordnetze mit zwei oder mehr Energiespeichern verwendet. Zum Energietransfer von einem höheren Spannungsnetz zum 12-Volt-Bordnetz oder umgekehrt wird dabei üblicherweise ein Gleichspannungswandler, der auch als DC/DC-Wandler bezeichnet wird, eingesetzt.

Es sind unterschiedliche Arten von Hybridantrieben bekannt. Als Mild- Hybridantrieb wird ein Antrieb bezeichnet, bei dem der Elektroantrieb parallel zum Verbrennungsmotor arbeitet und diesen zur Leistungssteigerung unterstützt. Ein solcher Mild-Hybridantrieb umfasst wie ein Boost-Rekuperationssystem (BRS) zwei Bordnetze, nämlich ein Hochvolt (48-V)- und ein Niedervolt (12-V)- Bordnetz. Im Hochvolt-Bordnetz bzw. auf der Hochvolt-Seite wird eine elektrische Maschine verwendet, die sowohl generatorisch als auch motorisch mit viel höherer Leistung als ein konventioneller Generator und Starter arbeitet. Zur Ansteue- rung der elektrischen Maschine in dem definierten motorischen oder generatorischen Betrieb wird in der Regel ein Inverter eingesetzt, der die Stromrichtung und Stromform zwischen Gleich- und Wechselstrom für die elektrische Maschine umrichtet. Da der konventionelle Generator für das 12-Volt-Bordnetz nicht mehr vorhanden ist, wird ein Gleichspannungswandler eingesetzt, um das 12-Volt- Bordnetz zu versorgen. Auf der Hochvolt-Seite können auch Hochvolt-Stromverbraucher neben dem Inverter angeschlossen sein. Oft wird der Gleichspannungswandler auch in umgekehrter Richtung, d. h. das dieser Energie aus dem Niedervolt-Bordnetz zu dem Hochvolt-Bordnetz wandelt, betrieben, um die Verfügbarkeit des Hochvolt- Bordnetzes bzw. Hochvolt-Systems zu verbessern.

Zu beachten ist, dass ein auf der Hochvolt-Seite verwendeter Energiespeicher bspw. als eine Li-Ion-Batterie oder auch als ein Zweischichtkondensator (DLC: Double Layer Capacitor) bzw. Supercap realisiert und möglicherweise mit einem Trennelement zum Hochvolt-Bordnetz zu- bzw. abschaltbar sein kann.

Ein Inverter besteht in der Regel aus einer Halbleiter-Brückenschaltung und einem Zwischenkreis, der als Energiepuffer die Strom- bzw. Spannungswelligkeit während des Schaltvorgangs des Inverters glättet. Bei dem genannten Zwischenkreis handelt es sich um eine elektrische Einrichtung, die aus Kondensato- ren besteht und als Energiespeicher mehrere elektrische Netze auf einer gemeinsamen Spannungsebene über Inverter elektrisch koppelt. Ein voll oder teilweise defekter Zwischenkreis wird zum Ausfall des Inverters und oft auch zum Versagen der Sicherheitsfunktion des Antriebs führen. Daher ist eine Diagnose bzw. Überprüfung der Zwischenkreiskapazität im Fahrzeug erforderlich.

Daher werden Verfahren zur Diagnose der Zwischenkreiskapazität seitens des Inverters eingesetzt. Ein solches Verfahren ist bspw. in der Druckschrift DE 10 201 1 076 709 A1 beschrieben. Die Druckschrift beschreibt ein Verfahren zur Strommessung bei einer mehrphasigen Maschine, die einen mit einem Zwi- schenkreiskondensator versehenen Zwischenkreis und pro Phase einen

Highside- und Lowside-Schalter aufweist. Die Strommessung wird dabei im Zwi- schenkreis vorgenommen. Aufgrund vieler technischer Einschränkungen innerhalb des Inverters ist das Verfahren jedoch nur bedingt einsetzbar.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung. Mit dem vorgestellten Verfahren ist es möglich, in einem Mehrspannungsnetz bzw. Mehrspannungsbordnetz mit Hilfe des Gleichspannungswandlers den Zwischenkreis des elektrischen Antriebs zu diagnostizieren und damit dessen Funktionsfähigkeit zu überprüfen. Das Mehrspannungsnetz umfasst dabei zumindest ein Niedervolt- und ein Hochvoltnetz bzw. -Bordnetz.

Weiterhin können bei dem vorgestellten Verfahren alle an dem Hochvolt- Bordnetz angeschlossenen Kapazitäten in die Diagnose miteinbezogen werden, wenn deren eigene Zwischenkreiskapazität bzw. Eingangskapazität bekannt ist. Dies sind bspw. angeschlossene Hochvolt-Verbraucher oder auch ein als Puffer- Speicher verwendeter Zweischichtkondensator. Dadurch wird sich die entsprechend zu diagnostizierende Zwischenkreiskapazität erhöhen.

Die Kapazität eines Kondensators kann grundsätzlich mit der folgenden Gleichung berechnet werden:

C =—— (1 ) dU /dt

Mit einem konstanten Ladestrom kann der Ausdruck dU/dt in diskreter Form gebildet werden, d. h. dU _ AU _ U ₂ - U _{l (2)} dt At t ₂ - t _j

Mit Hilfe der Funktion Rückspeisung mit Stromregelmöglichkeit des Gleichspannungswandlers kann die Diagnose des Gesamt-Zwischenkreises realisiert wer- den. Dabei ist das Verfahren einfach zu implementieren. Außerdem kann die

Messgenauigkeit erhöht werden. In Ausführung des vorgestellten Verfahrens führt der Gleichspannungswandler die Diagnose des Zwischenkreises wie folgt aus:

- Der Gleichspannungswandler stellt einen festen Strom ein, bspw. 20 A, mit dem der Zwischenkreis beaufschlagt wird.

- Der Gleichspannungswandler misst mehrmals die Spannung L , die Spannung im Zwischenkreis, und die Zeitabstände zwischen den Abtastpunkten bei dem eingestellten Strom l _H v, dem Strom im Zwischenkreis.

- Der Gleichspannungswandler berechnet aus den Spannungsmessungen und Zeitabständen die Ableitung der Spannungsänderung.

- Der Gleichspannungswandler berechnet die Kapazität des Zwischenkreises nach der folgenden Gleichung:

C ₇ (3) u HV - Ist die berechnete Kapazität kleiner als der definierte Schwellenwert x, so wird der Gleichspannungswandler einen Fehler des Zwischenkreises melden.

Es ist weiterhin zu berücksichtigen, dass die Kapazität eines Kondensators in der Regel eine Herstellungstoleranz, eine Temperaturabhängigkeit und altersbeding- te Veränderungen aufweist. Ein Schwellenwert wird nach dem kleinstmöglichen

Wert der Kapazität unter den definierten Randbedingungen festgelegt. Der Zwischenkreis ist defekt, wenn seine Kapazität kleiner als dieser Schwellenwert x ist.

Das vorgestellte Verfahren weist, zumindest in einigen der Ausführungen, folgende Vorteile auf:

- Die Erfassung der Zwischenkapazität ist viel genauer, da der Gleichspannungswandler den Ladestrom selbst einstellen und gleichzeitig die Spannungsänderung messen kann. Außerdem ist die Messtechnik besser beherrschbar als bei anderen Verfahren. Dadurch wird die fehlerhafte Diagnose vermindert und gleichzeitig die Sicherheit erhöht.

- Die Diagnose der Zwischenkreiskapazität ist zudem genauer, da der Innenwi- derstand der Kondensatoren, der sich in der Regel altersbedingt und temperaturabhängig verändert, keinen Einfluss auf die Messung der Kapazität bei dem vorgeschlagenen Verfahren hat.

- Das Verfahren ist weniger komplex als bekannte Verfahren. Der konstante Strom wird vom Gleichspannungswandler geregelt und nach Bedarf eingestellt.

Den Spannungsverlauf kann der Gleichspannungswandler exakt beobachten und den günstigen Messpunkt auswählen. Außerdem ist keine komplexe Signalfilterung erforderlich. Vielmehr ist eine einfache Mittelwertbildung zur Erhöhung der Messsicherheit ausreichend.

- Der Messvorgang des vorgeschlagenen Verfahrens ist kürzer als derjenige anderer Verfahren. Zumal kann die Diagnose in der Zeitphase des Aufladen des Zwischenkreises bzw. Pre-Charging durchgeführt werden, ohne eine spezielle Diagnosezeit vorzuhalten. Diese Phase ist notwendig, um zu hohe Ströme wäh- rend der Zuschaltung von Hochvolt-Energiespeichern in den Zwischenkreiskon- densator aufgrund hoher Differenzspannung zu vermeiden. Deshalb wird vor Zuschaltung auf einen gewissen Wert aufgeladen und die Differenzspannung verringert. - Gerade weil die Diagnose des Zwischenkreises in der Zeitphase des Aufladens bzw. Hochlaufens durchgeführt werden kann, kann die mögliche Gefährdung aufgrund des defekten Zwischenkreises besser abgewandt bzw. die Sicherheitsfunktion besser gewährleistet werden. Der Fehler in der sicherheitsrelevanten Situation wird frühzeitig verhindert, bevor das Fahrzeug in Bewegung gesetzt wird.

- Die Diagnose des Zwischenkreises mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann ebenfalls in der Zeitphase des Nachlaufs durchgeführt werden. Der Gleichspannungswandler arbeitet in dem normalen Modus "Wandlung vom Hochvolt- ins Niedervolt-Bordnetz" mit dem geregelten Entladestrom. Der Zwischenkreis wird dadurch geregelt entladen. Mit dem gleichen Algorithmus kann ebenfalls die Zwischenkapazität berechnet werden. - Das geregelte Entladen des Zwischenkreises kann auch gleichzeitig als eine Sicherheitsfunktion, um den Hochvolt-Zwischenkreis mit einer Hochspannung von höher als 60 V beim Ausschalten schnell zu entladen, verwendet werden.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht zur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt in einem Flussdiagramm eine mögliche Ausführung des beschriebenen Verfahrens.

Figur 2 zeigt eine Ausführung der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens in ei nem Mehrspannungsbordnetz.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.

Figur 1 zeigt einen möglichen Ablauf des vorgestellten Verfahrens in einem

Flussdiagramm. In einem ersten Schritt 10 wird ein Strom eingestellt, mit dem ein Zwischenkreis eines Hochvoltnetzes in einem Mehrspannungsnetz beaufschlagt wird. Das bedeutet, dass je nach Betriebssituation der Zwischenkreis mit diesem Strom aufgeladen oder entladen wird. Das Einstellen des Stroms kann von einem Gleichspannungswandler bzw. von einer Einheit in diesem Gleichspannungswandler vorgenommen werden. In einem nächsten Schritt 12 wird eine Messung der Spannung im Zwischenkreis vorgenommen werden. Diese Messung wird n-mal wiederholt (Pfeil 14), wobei n eine ganze Zahl ist, die vorab vorgegeben werden kann. Jeder Messung ist ein Abtastpunkt zugeordnet, n kann aber auch in Abhängigkeit der erfassten Spannungswerte während des Ablaufs des Verfahrens angepasst werden. Die zeitlichen Abstände zwischen den Abtastpunkten sind vorgegeben oder werden gemessen.

Anschließend wird in einem Schritt 16 die Kapazität des Zwischenkreises berechnet. Die berechnete Kapazität wird in einem darauffolgenden Schritt 18 mit einem Schwellenwert verglichen. Wird der Schwellenwert überschritten, erfolgt eine Fehlermeldung in Schritt 20. Andernfalls kann das Verfahren wieder mit Schritt 10 begonnen werden, wie dies mit Pfeil 22 verdeutlicht ist.

Der Vorgang wird beendet, sobald die definierte obere bzw. untere Spannungsschwelle des Zwischenkreises erreicht wird oder eine Anweisung zum Beenden der Diagnose aus dem übergeordneten System angekommen ist.

Es werden somit an zeitlich aufeinanderfolgenden Abtastpunkten Spannungswerte ermittelt.

Das Verfahren zur Diagnose des Zwischenkreises mit Hilfe des Gleichspannungswandlers kann in zwei unterschiedlichen Situationen durchgeführt werden.

1 . In der Zeitphase Aufladens des Zwischenkreises:

Voraussetzungen für die Diagnose mit dem Verfahren:

- Die Hochvolt-Batterie ist noch nicht an dem Hochvolt-Bord netz eingeschaltet.

- Der Gleichspannungswandler ist betriebsbereit nach der aktiven Weckbedingung.

- Das Hochvolt-Bordnetz ist bereits entladen, d. h. die Zwischenkreisspannung ist kleiner als 5 V. - Die Leistungsverbraucher im Hochvolt-Bordnetz sind im ausgeschalteten Zustand bzw. vom Bordnetz getrennt oder deren eigene Zwischenkreiskapazitat bedingt durch ihre Eingangskondensatoren ist bekannt und kann in die Berechnung mit einbezogen werden.

- Der Inverter ist noch im ausgeschalteten Zustand oder im Standby-Zustand, d. h. keine Leistungsbelastung ist aktiviert. Der Logikstromverbrauch für den Inverter kann gegenüber dem Ladestrom vernachlässigt werden.

- Eine Forderung zum Aufladen des Zwischenkreises vom übergeordneten System, z. B. dem Elektrischen Energie-Management (EEM), ist bereits angekommen, unabhängig davon, über welchen Kommunikationsweg der Befehl am Gleichspannungswandler vorgegeben wird.

Danach aktiviert der Gleichspannungswandler die Betriebsart "Wandlung von Niedervolt- ins Hochvolt-Netz" mit der Stromregelung. Der Zwischenkreis wird mit einem konstant geregelten Strom von bspw. 20 A aufgeladen.

Der MikroController tastet die Zwischenkreisspannung über eine Spannungsmesseinrichtung ab und nimmt den Messwert mit dem zugehörigen Zeitstempel auf. Gemäß der Gleichung (2) werden die zeitlichen Ableitungen der Zwischenkreisspannung hintereinander berechnet. Nachdem die Zwischenkreisspannung eine definierte Schwelle erreicht hat oder die definierte Abtastzahl erreicht wird, stoppt die Messung. Im Mikrocontroller des Gleichspannungswandler oder alternativ im Controller des anderen Systems, z. B. dem Inverter, wenn die Messdaten dorthin übertragen werden, wird der Mittelwert der Spannungsableitung gebildet und die Zwischenkreiskapazität gemäß der Gleichung (3) berechnet. Sollte die berechnete Zwischenkreiskapazität die definierte minimale Kapazitätsgrenze unterschreiten, so wird eine Fehlermeldung über den Zwischenkreis gemeldet.

2. In der Zeitphase des Entladens des Zwischenkreises:

Voraussetzung für die Diagnose mit dem Verfahren:

- Die Hochvolt-Batterie ist vom Hochvolt-Bord netz abgetrennt. - Der Gleichspannungswandler ist noch aktiv.

- Die Leistungsverbraucher im Hochvolt-Bordnetz sind ausgeschaltet bzw. vom Bordnetz abgetrennt oder deren eigene Zwischenkreiskapazitat bedingt durch ih re Eingangskondensatoren ist bekannt und kann in die Berechnung mit einbezogen werden.

- Der Inverter ist ausgeschaltet oder im Standby-Zustand, d. h. alle Leistungsbelastungen sind deaktiviert. Der Logikstromverbrauch für den Inverter kann gegenüber den Entladestrom vernachlässigt werden.

- Eine Forderung zum Entladen des Zwischenkreises vom übergeordneten System, bspw. dem Elektrischen Energie-Management (EEM), ist bereits angekommen, unabhängig davon, über welchen Kommunikationsweg der Befehl an den Gleichspannungswandler vorgegeben wird.

Der Gleichspannungswandler stellt die Betriebsart "Wandlung von Hochvolt- ins Niedervolt-Bordnetz" ein und regelt einen konstanten Entladestrom vom Zwischenkreis. Der Mikrocontroller des Gleichspannungswandler tastet die Zwi- schenkreisspannung über eine Spannungsmesseinrichtung ab und nimmt den Messwert mit dem zugehörigen Zeitstempel auf. Gemäß der Gleichung (2) werden die zeitlichen Ableitungen der Zwischenkreisspannung hintereinander berechnet. Nachdem die Zwischenkreisspannung eine definierte Schwelle unterschritten hat oder die definierte Abtastzahl erreicht wird, stoppt die Messung. Im Mikrocontroller des Gleichspannungswandler oder alternativ im Controller des anderen Systems, z. B. des Inverters, wenn die Messdaten dorthin übertragen werden, wird der Mittelwert der Spannungsableitung gebildet und die Zwischen- kreiskapazität gemäß Gleichung (3) berechnet. Sollte die berechnete Zwischen- kreiskapazität die definierte minimale Kapazitätsgrenze unterschreiten, so wird eine Fehlermeldung über den Zwischenkreis gemeldet.

Zur weiteren Steigung der Messgenauigkeit können die Strommessung und Spannungsmessung mit Temperaturkompensation vorgesehen werden. In diesem Fall sind Temperatursensoren an dem entsprechenden Strom- und Spannungssensor zu platzieren. Das Verfahren ist leicht realisierbar. Eine mögliche Anwendung ist in einem Boost-Rekuperationssystem gegeben.

Figur 2 zeigt ein Mehrspannungsnetz, in diesem Fall ein Mehrspannungsbord- netz, das insgesamt mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet ist. Dieses Mehrspannungsnetz 50 umfasst ein Niedervoltnetz 52 und ein Hochvoltnetz 54, die über einen Gleichspannunsgwandler 56 miteinander verbunden ist. Dieser Gleichspannungswandler 56 ist mit Klemme 31 , mit Bezugsziffer 58 bezeichnet, eines Kraftfahrzeugs verbunden.

Das Hochvoltnetz 54 umfasst einen Zwischenkreis 60 in einem Inverter 62, dem eine Kapazität C _Z K 64 zugeordnet ist, eine elektrische Maschine 66, die als Motor oder Generator betrieben wird, einen Hochvoltspeicher 68 und einen Hochleistungsverbraucher 70. Das Niedervoltnetz 52 umfasst einen Niedervoltspeicher 72, eine Reihe von Widerständen 74, von denen hier nur drei gezeigt sind, und einen optionalen Starter 76.

In dem Gleichspannungswandler 56 ist eine erste Einheit 80 zum Einstellen eines festen Stroms bzw. Stromwerts vorgesehen, mit dem das Hochvoltnetz 54 beauf- schlagt werden kann. Weiterhin ist eine zweite Einheit 82 zum Messen von

Spannungen im Hochvoltnetz 54 und eine dritte Einheit 84 zum Berechnen der Kapazität 64 des Zwischenkreises 60 vorgesehen. Diese Einheiten 80, 82 und 84 können auch außerhalb des Gleichspannungswandlers 56 vorgesehen sein.