CN111630400A - 用于监控电力电子组件的方法和装置 - Google Patents

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CN111630400A CN201980008087.8A CN201980008087A CN111630400A CN 111630400 A CN111630400 A CN 111630400A CN 201980008087 A CN201980008087 A CN 201980008087A CN 111630400 A CN111630400 A CN 111630400A
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M·霍曼
J·克勒科
H·拉巴
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Abstract

本发明的目的在于，更高效且能更多样化使用地构造对电力电子组件的监控。该目的按照本发明通过如下方式实现，即，借助电力电子组件来转换和/或改变电参量，所述电参量首先是电输入参量，将所述电输入参量在接下来的过程中通过与电力电子组件相结合进行的转换和/或改变过程/进程而转换为至少一个电输出参量，其中，在所述转换和/或改变期间，按照本发明借助一个Delta‑Sigma调制器产生一个比特流，该比特流代表电参量、即电输入参量或至少一个电输出参量。按照本发明也可以借助多个Delta‑Sigma调制器分别产生一个比特流，所述比特流代表相应的电参量、即电输入参量和所述至少一个电输出参量。按照本发明借助这样产生的所述一个比特流/借助这样产生的所述多个比特流，于是所述比特流准备就绪，进行对电力电子组件的监控。按照本发明重要的是，不解调所述一个比特流/所述多个比特流，从而存在相应的有效信号的非常有说服力的信息。

Description

用于监控电力电子组件的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种具有按照各权利要求的特征所述的用于监控电力电子组件的方法和装置。
背景技术
按照文献WO2001031770A1对电力电子组件、例如逆变器的状态的监控是现有技术。所述文献描述了一种特定的测试顺序，其中，在偏离于逆变器的正常运行的测试运行中接通该电力电子组件的多个开关式电子构件或开关，而其他开关断开或者说打开。
例如按照文献WO1994011747A1所描述的那样，在逆变器运行之前进行测试。
按照现有技术不利的是，对具有开关式电子构件(在这里相应地为逆变器)的电力电子组件的监控不在逆变器的实际的运行期间、即不在将馈入的电流类型(直流电流)转换为相应的其他电流类型(交流电流)期间进行。因此，对逆变器的监控未实时地进行并且未确保对故障的早期识别。
发明内容
本发明的目的在于，更高效且能更多样化适用地构造对电力电子组件的监控。
该目的按照本发明通过如下方式实现，即，借助电力电子组件来转换和/或改变电参量。即，所述电参量首先是电输入参量，将所述电输入参量在接下来的过程中通过与电力电子组件相结合进行的转换和/或改变过程/进程而转换为至少一个电输出参量。在所述转换和/或改变期间，按照本发明借助一个德尔塔-西格玛(Delta-Sigma)调制器产生一个比特流，该比特流代表电参量、即电输入参量或至少一个电输出参量。当然按照本发明也可以借助多个Delta-Sigma调制器分别产生一个比特流，该比特流代表相应的电参量、即电输入参量和所述至少一个电输出参量。按照本发明借助这样产生的所述一个比特流/借助这样产生的所述多个比特流(于是所述比特流准备就绪)进行对电力电子组件的监控。按照本发明重要的是，不解调所述一个比特流/所述多个比特流，从而存在相应的有效信号的非常有说服力的信息。
因此，按照本发明能实时地对电力电子组件进行监控。按照本发明尤其是可以在包括开关式构件的电力电子组件中对其行为实时(即电力电子组件的运行期间、亦即在所述转换和/或改变过程/进程期间)地进行分析或监控。一方面在借助电力电子组件将电输入参量转换/改变为所述至少一个电输出参量期间借助按照本发明的方式获得的数据或借助所述一个比特流/所述多个比特流可以进行对组件的状态监控。但另一方面，在将电输入参量转换/改变为所述至少一个电输出参量期间根据按照本发明的方式所获得的数据或基于所述一个比特流/所述多个比特流，也能够早期识别故障。
此外按照本发明规定，在所述电输入参量的转换/改变期间借助按照本发明的方式获得的数据或基于所述一个比特流/所述多个比特流来实施模式识别。
在此，所述模式识别的结果可以是涉及电力电子组件的负载指标。根据所述负载指标，按照本发明又可以形成涉及电力电子组件的使用寿命指标，所述使用寿命指标在电力电子组件的运行时间上减小。该使用寿命指标按照本发明也可以根据多个负载指标形成。另一个负载指标例如是逆变器的半桥的损耗功率并且按照本发明借助所述一个比特流/所述多个比特流形成，所述一个比特流/所述多个比特流分别借助Delta-Sigma调制器提供。又一个负载指标可以是设置在逆变器的中间电路中的电容器的损耗功率。按照本发明可以将各个负载指标对使用寿命指标的影响进行加权，即，一个负载指标可能比另外的负载指标更强地作用到所述使用寿命指标上。
按照本发明也提出一种用于实施所述方法的装置，所述装置包括要监控的电力电子组件以及至少一个Delta-Sigma调制器。
本发明其他有利的设计方案从后续的实施例以及各从属权利要求中得出。在此，示例性地说明Delta-Sigma脉宽调制的应用。然而按照本发明的方案也可结合常规的脉宽调制应用。
具体实施方式
电力电子组件1尤其是就是包括开关式构件的电力电子调整元件，其中，借助所述电力电子组件1将电输入参量转换为至少一个电输出参量，因此例如将直流电压转换为单相或多相的交流电压。亦即，影响电输入参量，从而至少一个与所述电输入参量不同或者说与所述电输入参量区分开的电输出参量准备就绪，尤其是涉及电流类型(直流电流、交流电流)和/或参量(如幅值、频率和/或相的数量)。如在图1中示出的那样，例如结合机电一体化的***的运行来使用以及按照本发明地监视包括开关式电子构件的电力电子组件1。所述电力电子组件1在此涉及包括功率半导体(IGBT、MOSFET、GTO…)的整流器/转换器。众所周知，整流器/转换器是以将电输入参量/所馈入的电流类型(直流交流、交流电流)转换为电输出参量/相应的其它电流类型为目的或以改变特征性的参量(如相的数量、电压和频率)为目的的电力电子组件1。
在当前的示例中，所述机电一体化的***包括电机2。所述电机2例如涉及永久激励的包括三相的同步电机。按照图1的机电一体化的***优选用于驱动车辆。对电机2的控制或调节或整流器的运行例如结合Delta-Sigma脉宽调制器3(“Delta-Sigma-PWM-Modulator”)进行，所述Delta-Sigma脉宽调制器提供具有改变的开关频率的脉宽调制(PWM)信号S1–S6，从而这样进行对逆变器的功率半导体的操纵，使得在高度和频率方面可调节的相电位ux准备就绪并且引起所属的相电流ix。这样的Delta-Sigma脉宽调制器3的构造和工作方式对于本领域技术人员例如按照DE102014108667A1、WO2015193439A1或Homann,Michael:Hochdynamische Strom-und Spannungsregelung vonpermanenterregten Synchronmaschinen auf Basis von Delta-Sigma
Figure BDA0002579030310000041
2016已知。就这点而言就此注意的是，将这些文献的全部内容纳入到本公开内容中。当然对电机2的控制和/或调节或整流器的运行也可以结合常规的脉宽调制进行。优选地，所述Delta-Sigma脉宽调制器3是第一处理单元3a的组成部分或结合这样的第一处理单元3a实现。所述第一处理单元3a尤其是FPGA(现场可编程门阵列，Field Programmable GateArray)。
如所阐述的那样，所述整流器/逆变器对应于包括开关式电子构件(在这里为被输送所描述的信号S1–S6的功率半导体)的电力电子组件1。借助所述逆变器将直流电压UDC/电输入参量转换/变换/改变为一个交流电压u/电输出参量、或多个交流电压ux/多个电输出参量。例如借助蓄能器来提供所述直流电压UDC并且所述一个交流电压u/所述多个交流电压ux用于驱动电机2。当然也可以借助整流器来提供所述直流电压UDC。
如在图1中示出的那样，例如分别借助Delta-Sigma调制器4a、4b来检测相电位u1和所属的所引起的相电流i1。即借助Delta-Sigma调制器4a将模拟的相电压u1转化为数字的比特流u1_b并且借助Delta-Sigma调制器4b将模拟的相电流i1转化为数字的比特流i1_b。当然可以或在实际应用的范围内以这种方式来查明/转化/测量/产生全部的相电位ux/相电流ix，从而数字的比特流ux_b、ix_b相应地准备就绪，然而这在这里为了更好的清晰性不描述/说明。众所周知，通过相应的Delta-Sigma调制器4a、4b的封闭的调节回路实现：Delta-Sigma调制器4a、4b的相关的输出u1_b、i1_b跟随相应的模拟的输入、亦即在当前情况下跟随模拟的相电压u1或模拟的相电流i1。
因此高分辨率的、高采样的或过采样的比特流u1_b、i1_b准备就绪，所述比特流分别代表相电压u1或相电流i1。因为相应的Delta-Sigma调制器4a、4b高频地或者说以非常高的采样率/时钟频率、尤其是以在10至100MHz的范围内的频率、优选以50MHz的频率扫描所属的模拟输入u1、i1，所以在所述Delta-Sigma调制器的输出端上分别产生高频的、脉冲(密集的)调制的比特流u1_b、i1_b。因此，在相应的比特流u1_b、i1_b中存在相应的有效信号u1、i1的有说服力的信息。按照本发明首先不进行对所述Delta-Sigma调制器4a或Delta-Sigma调制器4b的输出(即相应的比特流u1_b、i1_b)的解调，从而立即/直接处理相应的输出，以用于监控电力电子组件1/整流器/逆变器。按照在这里处理的示例(应用Delta-Sigma脉宽调制)同样基于比特流u1_b、i1_b来运行整流器或控制和/或调节电机2、即形成信号S1–S6，所述比特流借助Delta-Sigma调制器4a、4b提供并且输送给Delta-Sigma脉宽调制器3。如在图1中示出的那样，借助第一处理单元3a、优选借助是所述第一处理单元3a的组成部分的另一个处理单元3b来处理用于监控逆变器的比特流u1_b、i1_b。换句话说，所述比特流u1_b、i1_b代表与在这里所基于的机电一体化的***或所基于的电力电子组件1的运行相关的状态或实际参量。
就这点而言，按照本发明尤其是如下进行对比特流u1_b、i1_b的处理，使得在比特流u1_b、i1_b中识别出特定的相似性和/或重复。因此按照本发明，对比特流u1_b、i1_b的处理、即对电力电子组件1的监控在于模式识别，即，识别所基于的电力电子组件1/整流器/逆变器的已改变的或正在改变的行为。按照本发明借助在Delta-Sigma调制器4a、4b的输出端上准备就绪的比特流u1_b、i1_b综合地实施用于模式识别的合适的方法。在进一步描述在图1中的所基于关系之后还具体地探讨该模式识别的细节和其他与监控所基于的电力电子组件1相关的指标/特征参量/结果R的形成。
此外，如在图1中示出的那样，借助又一个Delta-Sigma调制器4c同样将模拟的中间电路/直流电压UDC转化为数字的比特流UDC_b。如在图1中示出的那样，对所述比特流UDC_b的处理同样借助第一处理单元3a、优选借助是所述第一处理单元3a的组成部分的另一个处理单元3b进行。所述比特流UDC_b同样可供用于形成其他与监控所基于的电力电子组件1相关的指标/特征参量/结果R。
在接下来的过程中，将模式识别的所述至少一个结果R输送给又一个处理单元5。即，将借助模式识别形成的、与监控所基于的电力电子组件1相关的指标/特征参量/结果R传输给处理单元5/在那里读入。所述处理单元5尤其是就是微控制器。借助所述处理单元5进行对模式识别的所传输的结果R的分析/评价。此外，在接下来的过程中借助结合所述处理单元5所实现的诊断/监控功能，引入故障反应F(故障显示)和/或替代反应E(转换到紧急运行)。
此外，如在图1中同样示出的那样，尤其是借助合适的低通滤波器6a、6b进行对比特流u1_b、i1_b的解调。然后，可以任意地进一步处理该减少到特定的有效频率、例如10kHz的信号，然而尤其是在相关的机电一体化的***的控制/调节的范围内使用所述信号。
通过处理比特流u1_b、i1_b(即相关的Delta-Sigma调制器4a、4b的输出)，按照本发明例如通过如下方式来进行用于监控所基于的电力电子组件1(即在这里所考察的逆变器)的模式识别，即，鉴于可能的改变来分析开关式构件、亦即功率半导体的行为。换句话说监控逆变器的开关的开关行为。在此例如通过比较理论值和实际值例如在定义的第一时间段内识别已改变的行为(短期观察)或例如在另外的定义的时间段内识别正在改变的行为(长期观察)，其中，所述第一时间段相对于所述另外的时间段更短，所述实际值是按照本发明(还)未解调的比特流u1_b、i1_b或ux_b、ix_b。因此，这样的比较例如可以涉及一个或多个相电压ux和/或相电流ix和/或停机时间。这样的比较例如也可以涉及逆变器的半桥的彼此的对称性，尤其是在此涉及在半桥的一个开关上的(电流和/或电压)实际值与在该半桥的另一个开关上的(电流和/或电压)实际值的比较或涉及对整流的分析，其中，分别基于按照本发明(还)未解调的比特流u1_b、i1_b或ux_b、ix_b。对已改变的或正在改变的行为的识别按照本发明可以不通过或不仅通过比较理论值与实际值来进行，而是备选或附加地通过形成在(时间上的)理想/参考曲线与按照本发明为了进一步处理准备就绪的比特流ux_b、ix_b或u1_b、i1_b之间的差别D来进行。在此可能的是，所述差别D由理论和实际电压或理论和实际电流以带符号和/或按照数值的方式形成，并且因此必要时获得模式识别的相应至少一个结果R的两种变型，或开辟如下可能性，即，在带符号的观察中抵消差别D的部分消除，这可以通过(并行的)按照数值的观察来实现。
这样的模式识别通过形成在理想/参考曲线(如相电压u1_s的理论值的在图2中示意性借助虚线示出的曲线)与相电压u1_b的实际值的借助实线示出的曲线(亦即借助Delta-Sigma调制器4a高分辨率地扫描的比特流u1_b)之间的差别D来进行。当然也可以形成在相电流i1_s的理论值的理想/参考曲线/曲线与相电流i1_b的实际值的曲线(亦即借助Delta-Sigma调制器4b高分辨率地扫描的比特流i1_b)之间的差别D。如按照图2可看出的那样，在相电压u1_s的理论值的曲线与相电压u1_b的实际值的曲线之间存在差别D，因为相电压u1_b的实际值的曲线具有由于接通逆变器的相关的半桥的开关所引起电压峰值us。这些电压峰值us只在非常短的1至2微秒的时间段上出现并且此外无规律地在该时间段内非常频繁地改变，即，相电压u1_b在该时间段内以高的频率振荡，然而这在图2中未示出。借助尤其是在定义的时间上或多个开关过程中以平均的方式进行差别形成D，当所述差别D的值或数值与阈值或极限值相比较时，超过阈值/违反极限值则由此得出模式识别的结果R。然后将所述结果R输送给处理单元5或诊断/监控功能并且在此基础上引入故障反应F(故障显示)和/或替代反应E(转换到紧急运行)。按照本发明在所述模式识别中考虑环境条件。尤其是考虑所测量的/模型化的温度值。
如所说明的由模式识别得出的结果R可以解释为电力电子组件1或该组件1的构造元件的负载指标。换句话说，所述结果R是代表电力电子组件1或所述组件1的构造元件的特定的负载的特征参量。尤其是可以结合处理单元5根据所述结果R/该特征参量来形成使用寿命指标。该使用寿命指标这样形成，使得所述使用寿命指标在时间上或在运行时间中减小。
在本发明的一种实施方式中，根据多个负载指标来形成所述使用寿命指标。即，除了借助模式识别/所述至少一个结果R形成的第一负载指标之外，还基于其他的负载指标来形成所述使用寿命指标。换句话说，按照本发明将多个负载指标组合成一个使用寿命指标。各个负载指标对使用寿命指标的影响可以不同地表现或单独地确定。还换句话说，对是形成使用寿命指标的基础的负载指标进行加权。
每个单独的负载指标涉及如下特征参量，所述特征参量代表电力电子组件1或所述组件1的构造元件的特定的负载。另一个负载指标是或者说涉及与整流器/逆变器的半桥有关的损耗功率。该损耗功率在此尤其是根据在至少一个开关上的相电流ix和电压或相关的半桥的相电压ux形成。按照本发明有利地，该损耗功率的形成同样基于借助Delta-Sigma调制器4a、4b提供的(高分辨率的)比特流ux_b、ix_b或u1_b、i1_b。实际上在此将这些参量在高频网格中的比特流层级上相乘，从而确定在开关过程中的损耗功率，其中，对于在图1中示出的上面的开关分别得出由UDC_b减去ux_b的电压降。这样的差别形成仅由于按照本发明的方案是可能的，因为高分辨率的比特流准备就绪。按照本发明有利的是，不对涉及相电流ix的比特流ix_b或涉及相电压ux的比特流ux_b在将这些参量相乘之前进行滤波，因为这由于电压降仅会提供静态的损耗。按照本发明在确定涉及特定的负载/损耗功率的负载指标时同样考虑环境条件。尤其是考虑所测量的/模型化的温度值。即，只要可供使用，则将电力电子装置在壳体中或在电路板上的温度测量值用作负载指标。这些温度测量值影响涉及半桥的损耗功率的负载指标，因为环境越热，由于损耗功率的影响应越强地加权。
按照本发明，又一个负载指标涉及设置在整流器/逆变器的中间电路中的电容器的纹波电流负载。优选根据在中间电路中的直流电流IDC来确定所述纹波电流。所述直流电流要么可以借助又一个Delta-Sigma调制器来测量，然而所述又一个Delta-Sigma调制器在图1中按更好地概述的意义未示出，从而数字的比特流IDC_b准备就绪、所述直流电流要么借助开关模式由相电流ix_b的叠加来确定。于是所述纹波电流通过数字的比特流IDC_b与在一个周期上的IDC的平均值来(高频地)形成差别。随后优选确定纹波电流的RMS值并且将其用作负载指标。尤其是如结合图1所说明的那样，结合Delta-Sigma脉宽调制器3的使用，在确定该损耗功率时，应注意可变的开关频率或必须在开关频率方面进行纹波的评价。即，开关频率越大，则纹波越小。因此适宜的是，将纹波作为开关频率的函数确定。按照本发明在查明涉及中间电路电容器的损耗功率的负载指标时，同样考虑环境条件。尤其是考虑所测量的/模型化的温度值。即，只要可供使用，则将电力电子装置的在壳体中或在组件1的电路板上的温度测量值用作负载指标。
综上，在形成使用寿命指标时明显有利地起作用的是，处理(还未解调的)比特流、即Delta-Sigma调制器的相应的输出，因为以这种方式能非常精确地对机电一体化的***/电力电子组件1进行持续的监控。

Claims (10)

1.用于监控电力电子组件(1)的方法，其中
a)借助所述电力电子组件(1)转换电参量，
b)按照a)的电参量是电输入参量(UDC)，将所述电输入参量转换为至少一个电输出参量(ux、ix)，
c)在按照a)的转换期间，借助一个Delta-Sigma调制器(4a、4b、4c)产生一个比特流(ux_b、ix_b、UDC_b)，所述一个比特流代表按照b)的一个电参量，或借助多个Delta-Sigma调制器(4a、4b、4c)分别产生一个比特流(ux_b、ix_b、UDC_b)，所述比特流分别代表按照b)的一个电参量，
d)借助所述一个按照c)产生的比特流(ux_b、ix_b、UDC_b)或借助多个按照c)产生的比特流(ux_b、ix_b、UDC_b)进行对所述电力电子组件(1)的监控，
e)不解调按照c)和d)的所述一个比特流(ux_b、ix_b、UDC_b)或不解调按照c)和d)的所述多个比特流(ux_b、ix_b、UDC_b)。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，对电力电子组件(1)的监控通过如下方式进行，即，借助按照权利要求1e)的所述一个比特流(ux_b、ix_b、UDC_b)或借助按照权利要求1e)的所述多个比特流(ux_b、ix_b、UDC_b)进行模式识别。
3.按照权利要求2所述的方法，其中，所述模式识别通过如下方式进行，即，将理论值与实际值相互比较，所述实际值是按照权利要求1e)的所述一个比特流(ux_b、ix_b、UDC_b)或按照权利要求1e)的所述多个比特流(ux_b、ix_b、UDC_b)。
4.按照权利要求2或3所述的方法，其中，根据所述模式识别的结果(R)形成涉及电力电子组件(1)的负载指标，并且根据所述负载指标形成涉及电力电子组件(1)的使用寿命指标，所述使用寿命指标在电力电子组件(1)的运行时间上减小。
5.按照权利要求4所述的方法，其中，根据多个负载指标形成所述使用寿命指标。
6.按照权利要求5所述的方法，其中，另一个负载指标是逆变器的半桥的损耗功率，所述另一个负载指标借助按照权利要求1e)的所述一个比特流(ux_b、ix_b、UDC_b)或借助按照权利要求1e)的所述多个比特流(ux_b、ix_b、UDC_b)形成。
7.按照权利要求5或6所述的方法，其中，又一个负载指标是设置在逆变器的中间电路中的电容器的纹波电流负载。
8.按照权利要求5至7所述的方法，其中，将所述各个负载指标对使用寿命指标的影响进行加权。
9.按照权利要求1至8所述的装置，其特征在于，所述装置设计用于实施按照权利要求1至8之一所述的方法。
10.车辆，所述车辆包括按照权利要求9所述的装置。
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