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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen eines Selbsttests bei einem Gleichrichter mit aktiven Schaltern und einen Gleichrichter zur Durchführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Zur Speisung von Gleichstromsystemen aus Drehstromsystemen, wie dies bspw. beim öffentlichen Drehstromnetz erfolgt, werden im allgemeinen Gleichrichter verwendet. Diese Gleichrichter sind meist in Brückenschaltung aufgebaut, wobei als Gleichrichterelemente üblicherweise Dioden dienen. Die Dioden benötigen dabei keine weitere Ansteuerschaltung, da sie selbstständig zum richtigen Zeitpunkt in den leitenden oder sperrenden Zustand übergehen.
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Diese sogenannten Brückengleichrichter werden auch als Gleichrichter (GLR) in Kfz-Drehstromgeneratoren verwendet, wobei zu beachten ist, dass diese Generatoren einen ausgeprägten induktiven Widerstand haben.
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Aus der Druckschrift
DE 101 12 569 A1 ist ein Verfahren zur Diagnose von elektrischen Verbindungen an einer elektrischen Maschine bekannt. Die elektrische Maschine weist eine Ständerwicklung auf, die Wicklungen umfasst, und ist an einem Gleich- oder Pulswechselrichter zu betreiben. Bei dem beschriebenen Verfahren ist vorgesehen, dass die Kontaktfähigkeit der elektrischen Verbindungen durch Aufprägen definierter Spannungsmuster auf die Wicklungen und durch eine Messung der Phasenströme ermittelt wird.
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Die Druckschrift
DE 10 2004 028 213 A beschreibt ein Verfahren zur Fehlerdetektion von Halbleiterelementen in Drehstromgeneratoren. Der Generator ist mit mehreren Wicklungen versehen, die jeweils über einen Phasenanschluss verfügen. Die elektrische Maschine wird sowohl im Stillstand als auch im Betrieb überprüft, um bspw. Kurzschlüsse an einem Diodengleichrichter zu detektieren. Bei Stillstand des Generators erfolgt zur Erkennung von Kurzschlüssen die Belastung eines der Phasenanschlüsse gegen Masse oder gegen ein höheres Potential und eine Messung des sich einstellenden Potentials.
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Bei herkömmlichen Gleichrichtern ist nicht eindeutig erkennbar, wenn eine der Dioden durch eine Schädigung defekt, also permanent sperrend oder leitend, ist. Dies ist deswegen kritisch, da eine defekte Diode zu erheblicher thermischer Überlastung führen kann, die unter Umständen erhebliche Folgeschäden im Fahrzeug verursachen kann.
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Ein Gleichrichter hat eine durch die Dioden und den Ausgangsstrom vorgegebene Verlustleistung, dabei lassen sich durch schaltungstechnische Maßnahmen, wie bspw. durch Parallelschalten von Dioden, diese Verluste nur unwesentlich reduzieren. Werden die Dioden jedoch durch aktive Schalter, wie bspw. MOSFET-Transistoren, ersetzt, lassen sich diese Verluste wesentlich verringern. Der Einsatz von aktiven Schaltern erfordert jedoch eine Steuerung, die die Schalter zum richtigen Zeitpunkt ein- und ausschaltet. Auch bei aktiven Gleichrichtern ist eine Überprüfung der Schalter angestrebt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zum Durchführen eines Selbsttests bei einem aktiven Gleichrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Gleichrichter gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Bei aktiven Gleichrichtern kann somit der Mangel durch einen systeminternen Selbsttest bei stehendem Fahrzeug behoben werden. Dadurch kann über einen Bus bzw. eine Diagnoseschnittstelle und ein dafür geeignetes Fehlermanagement im Fahrzeug eine Fehlerlampe aktiviert werden, die den Fahrer zum Aufsuchen einer Werkstatt auffordert.
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Das vorgestellte Verfahren stellt einen Selbsttest für aktive Gleichrichter bereit, um die Funktionsfähigkeit im Nachlauf bei stehendem Generator zu überprüfen und gegebenenfalls bei Fehlererkennung ein Fehlersignal nach außen zu geben.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen und der Beschreibung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Ausführungsform des vorgestellten Gleichrichters.
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2 zeigt den Gleichrichter aus 1 mit zusätzlichen Schaltern.
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3 zeigt eine Testroutine in einem Ablaufdiagramm für eine Phase.
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4 zeigt in einem Flussdiagramm eine Ausführung des beschriebenen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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In 1 ist ein Drehstromgenerator, in diesem Fall ein Klauenpolgenerator 10, dargestellt. Der Klauenpolgenerator 10 besteht aus einem Läufer mit Erregerwicklungen (nicht dargestellt) mit einer Regelung des Erregerstroms und je nach Phasenzahl aus mehreren Ständerwicklungen, in diesem Fall eine erste Wicklung 12, eine zweite Wicklung 14 und eine dritte Wicklung 16. Das Verfahren ist jedoch prinzipiell auch für höhere Phasenzahlen geeignet, wie z. B. 5, 6, 7, ... Phasen.
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Die Ständerwicklungen 12, 14 und 16 sind über einen Gleichrichter 18 mit einem Bordnetz 20 verschaltet. Die erste Wicklung 12 liefert eine Phasenspannung für eine Phase U 22 für einen ersten Zweig 32 des Gleichrichters 18, die zweite Wicklung 14 eine Phasenspannung für eine Phase V 24 für einen zweiten Zweig 34 des Gleichrichters 18 und die dritte Wicklung 16 eine Phasenspannung für eine Phase W 26 für einen dritten Zweig 36 des Gleichrichters 18.
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Der erste Zweig 32 umfasst einen ersten Highside bzw. HS-MOSFET 42, der mit einer Diode 52 und einem Schalter S2 62 dargestellt ist, und einen ersten Lowside bzw. LS-MOSFET 43, der mit einer Diode 53 und einem Schalter S3 63 dargestellt ist. In dem zweiten Zweig 34 ist ein zweiter HS-MOSFET 44 mit einer Diode 54 und einem Schalter 64 und ein zweiter LS-MOSFET 45 mit einer Diode 55 und einem Schalter 65 vorgesehen. Der dritte Zweig 36 des Gleichrichters 18 umfasst einen dritten HS-MOSFET mit einer Diode 56 und einem Schalter 66 und einen dritten LS-MOSFET 47 mit einer Diode 57 und einem Schalter 67. In der Darstellung wurden jeweils Ersatzschaltbilder für Mosfets verwendet. Das Verfahren ist aber auch für Gleichrichter mit anderen aktiven Schaltern, wie z. B. IGBT's, geeignet.
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Die Potentiale des Bordnetzes 20 sind mit B+ 70 und B– 72 gezeigt. Zwischen B+ 70 und B– 72 ist ein erster Widerstand 74 und ein zweiter Widerstand 76 dargestellt. Weiterhin ist in dem gezeigten Gleichrichter 18 ein weiterer Schalter S1 80 vorgesehen.
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Somit werden die Schalter 62, 63, 64, 65, 66 und 67 mit parallelgeschalteten Dioden 52, 53, 54, 55, 56 und 57 in dem Gleichrichter 18 durch die MOSFET-Transistoren 42, 43, 44, 45, 46 und 47 jeweils mit der integrierten Inversdiode realisiert.
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Die Ständerwicklungen 12, 14 und 16 erhalten ihren Potentialbezug im laufenden Betrieb durch die wechselweise durchgeschalteten Schalter 62, 63, 64, 65, 66 und 67 oder die leitenden Dioden 52, 53, 54, 55, 56 und 57. Bei stehendem Generator 10 und funktionalen Bauteilen ist der Ständer potentialfrei. Diese Tatsache kann auf einfache Weise zur Selbstdiagnose ausgenutzt werden. Dafür ist eine Spannungsauswertung der Phasenspannungen der Phasen U 22, V 24, W 26 notwendig, die bei dem aktiven Gleichrichter 10 zu Diagnosezwecken ohnehin oft vorliegt.
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Durch Schließen des Schalters S1 80 kann das Potential an allen Phasen auf B+/2 gezogen werden. Durch Messung der Phasenspannungen der Phasen U 22, V 24 und W 26 kann sichergestellt werden, dass keiner der Schalter 62, 63, 64, 65, 66 und 67 einen Kurzschluss aufweist.
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Danach können durch einzelnes Schließen der Schalter 62, 63, 64, 65, 66 und 67 die jeweiligen Potentiale festgelegt werden, bspw. wird bei Schließen des Schalters S2 62 das Potential der Phase U 22 auf B+ 70 gezogen. Bei Schließen des Schalters S3 63 wird das Potential der Phase U 22 auf B– 72 gezogen, um zu testen, ob eine Unterbrechung vorliegt.
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In gleicher Weise können die Schalter für die Phasen V 24 und W 26 bzw. auch weitere Phasen getestet werden. Zu beachten ist, dass durch Betätigen bzw. Schließen des Schalters S1 80 sämtliche Phasen U 22, V 24 und W 26 auf das Potential B+/2 gezogen werden.
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In 2 ist der Gleichrichter 10 aus 1 dargestellt, wobei dieser einen ersten zusätzlicher Schalter S4 90 und einen zweiten zusätzlichen Schalter S5 92 aufweist. Durch Implementierung der zusätzlichen Schalter S4 90 und/oder S5 92 anstelle des Schalters S1 80 oder in Kombination mit dem Schalter S1 80 kann der Ruhestromverbrauch reduziert werden, indem mindestens einer der beiden zusätzlichen Schalter S4 90 und S5 92 geöffnet wird.
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Bei weiteren möglichen Ausführungen ist auch eine Lösung ohne die Schalter S1 80, S4 90 und S5 92 denkbar. Dies führt jedoch zu entsprechend hohen Widerständen 74, 76 in der Dimensionierung und entsprechend längeren Einschwingdauern und Durchlaufzeiten.
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Die Widerstände 74, 76 sind vorzugsweise so auszuführen, dass einerseits eine Festlegung des Potentials sicher erfolgt und andererseits keine unnötige Verlustleistung erzeugt wird. Typischerweise ist ein Bereich von 1 kOhm bis 1 Mohm sinnvoll. Durch Einsatz der Schalter S4 90 und S5 92 wird die Verlustleistung über den Parallelpfad R nur im Falle der Messung wirksam.
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Das beschriebene Verfahren kann sowohl bei einem aktiven Gleichrichter als auch in einem riemengetriebenen Startergenerator sowie in integrierten Startergeneratoren eingesetzt werden. Es ist lediglich eine aktive B6-Brücke notwendig.
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Mögliche Anbauorte sind dabei direkt an der elektrischen Maschine. Ebenso denkbar ist ein Wegbausteuergerät mit entsprechendem Verkabelungsaufwand.
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Alternativ ist ebenfalls eine Fehlerreaktionsmöglichkeit bei einem offenen Schalter durchführbar. Hierbei wird bei Erkennen eines offenen Schalters der jeweils gegenüberliegende Schalter dauerhaft geschlossen, um Überspannungen mit hohen thermischen Verlusten mit einer möglicherweise folgenden Zerstörung zu vermeiden.
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In 3 ist ein Ablaufdiagramm beispielhaft für die Phase U dargestellt. Auf gleiche Weise können die Potentiale für V und W getestet werden. Der dargestellte Selbsttest erfolgt bei stehendem Generator zur Überprüfung der Funktionalität der MOSFET-Transistoren einer Phase, in diesem Fall der Phase U.
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Das Diagramm zeigt das Potential B+ 100, das Potential B+/2 102 und das Potential B– 103. Die Stellung des Schalters S1 ist mit einer Kurve 104, der Schalter S2 mit einer Kurve 106 und der Schalter S3 mit einer Kurve 108 dargestellt. Die Spannung an der Phase U ist mit einem Verlauf 110 wiedergegeben.
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Durch Schließen des Schalters S1 stellt sich zu einem ersten Zeitpunkt 120 das Potential bzw. die Phasenspannung B+/2 102 an der Phase U ein. Durch Schließen des Schalters S2 zu einem zweiten Zeitpunkt 122 ergibt sich die Phasenspannung B+ 100 an der Phase U. Das Öffnen des Schalters S2 zu einem dritten Zeitpunkt 124 ergibt wiederum die Phasenspannung B+/2 102. Zu einem vierten Zeitpunkt 126 wird dann der Schalter S3 geschlossen, so dass sich die Phasenspannung B– 103 ergibt.
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Ein mehrphasiges System kann entsprechend getestet werden. Dabei können die Tests von einer Ablaufsteuerung in einem ASIC oder in einem Mikrocontroller durchgeführt werden. Üblicherweise erfolgt der Test in einer Nachlaufphase, wenn keine Spannung in den Phasen induziert wird. Alternativ erfolgt der Test vor Durchführung eines Schlüsselstarts, um ggf. Starts zu verriegeln. Prinzipiell ist auch ein Test im laufenden Betrieb möglich, sofern eine fremderregte Maschine verwendet wird, die nicht erregt ist und die Maschine keinen Strom ins Bordnetz abgibt.
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In 4 ist in einem Flussdiagramm ein möglicher Ablauf des beschriebenen Verfahrens mit Fehlerreaktionsmöglichkeiten einer Testroutine dargestellt, in dem auch potentielle weitere Abhilfemaßnahmen hinterlegt sind.
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In einem ersten Schritt 200 erfolgt das Setzen des Schalters S1. In einem zweiten Schritt 202 werden die Phasenspannungen gemessen. In einem darauffolgenden Schritt 204 wird überprüft, ob die gemessene Spannung gleich UBAT/2 unter Berücksichtigung einer Toleranz ist. Ist dies nicht der Fall, dann liegt ein Kurschluss eines Schalters vor und es erfolgt in einem Schritt 206 eine entsprechende Fehlerreaktion.
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Diese Fehlerreaktion kann eine Information an ein übergeordnetes Steuergerät per CAN, LIN oder vergleichbaren BUS-Systemen, ein Aktivieren einer Fehlerlampe und das Einleiten einer Fehlerstrategie umfassen.
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Diese Fehlerstrategie kann bspw. einen Betrieb mit reduziertem Erregerstrom, eine Begrenzung des maximalen Erregerstroms, eine Deaktivierung des Generators durch Kurzschließen aller IS- oder HS-Schalter und/oder ein Deaktivieren des Generators durch einen Erregerstrom von 0 A umfassen.
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Wird in dem Schritt 204 festgestellt, dass die Spannung gleich UBAT/2 ist, erfolgt in einem weiteren Schritt 210 das zyklische Setzen der HS-Schalter. Dann wird in einem Schritt 212 überprüft, ob die gemessene Spannung gleich UBAT unter Berücksichtigung einer Toleranz ist. Ist dies nicht der Fall, dann wird in einem Schritt 218 ein offener Schalter detektiert und eine geeignete Fehlerreaktion eingeleitet.
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Diese Fehlerreaktion kann eine Information an ein übergeordnetes Steuergerät per CAN, LIN oder vergleichbaren BUS-Systemen, ein Aktivieren einer Fehlerlampe und ein Einleiten einer Abhilfestrategie umfassen.
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Diese Abhilfestrategie kann einen Betrieb mit reduziertem Erregerstrom, eine Begrenzung des maximalen Erregerstroms, eine Deaktivierung des Generators durch Kurzschließen aller IS- oder HS-Schalter, ein Deaktivieren des Generators durch einen Erregerstrom von 0 A und/oder ein Deaktivieren einer Phase durch Durchsteuerung des gegenüberliegenden Schalters umfassen.
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Ergibt Schritt 212, dass die Spannung gleich UBAT, dann erfolgt in einem darauffolgenden Schritt 216 ein zyklisches Setzen der LS-Schalter. Dann wird in einem Schritt 220 überprüft, ob die Spannung gleich –UBAT unter Berücksichtigung einer Toleranz ist. Ist dies nicht der Fall erfolgt ein Sprung zu Schritt 218. Andernfalls wird der Schalter S1 deaktiviert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10112569 A1 [0004]
- DE 19837796 A1 [0005]
- DE 3436776 A1 [0005]
- DE 102004028213 A [0006]
