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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft Elektromotor-Steuerschaltungen und insbesondere ein Verfahren zur Steuerung einer Elektromotor-Steuerschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art und ein Verfahren zum Überwachen einer elektrischen Masseisolierung der im Oberbegriff des Anspruchs 10 angegebenen Art.
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HINTERGRUND
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Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und bilden möglicherweise nicht den Stand der Technik.
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Elektrische Maschinen enthalten Rotoren, die in Ansprechen auf elektrische Wechselstromleistung (AC-Leistung), die an zugehörige Statoren angelegt wird, rotieren. Die Rotoren können mit Leistungsgetriebeeinrichtungen mechanisch gekoppelt sein, um Antriebsleistung an einen Endantrieb eines Fahrzeugs zu liefern.
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Bekannte Spannungszwischenkreisumrichter, die Gleichrichterbrückenschaltungen und zugehörige Steuerschaltungen enthalten, können elektrische Gleichstromleistung (DC-Leistung), welche von einer Hochspannungs-Energiespeichereinrichtung stammt, in Ansprechen auf Bedieneranforderungen in elektrische Wechselstromleistung (AC-Leistung) umsetzen, um Antriebsleistung zu erzeugen. Bekannte Gleichrichterbrückenschaltungen enthalten MOSFET- und IGBT-Schaltereinrichtungen. Elektrische Lastanforderungen können gegenwärtig auftretende elektrische Lasten und eine Batterieaufladung zur Befriedigung künftiger elektrischer Lasten umfassen.
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Ein Spannungszwischenkreisumrichter verwendet einen Aufbau mit einem schwebenden bzw. floatenden DC-Bus, bei dem die DC-Eingangsspannungen so ausgestaltet sind, dass sie mit Bezug auf eine Fahrwerksmasse floaten. Dieses Floaten kann durch Verwendung von Hochimpedanzwiderständen, die mit einer Fahrwerksmasse verbunden sind, gesteuert werden. Zu den Hochimpedanzwiderständen können Kondensatoren elektrisch parallel geschaltet sein, um Nebenschlusspfade mit niedriger Impedanz für elektrische Hochfrequenz-Rauschströme bereitzustellen. Bei einer Ausführungsform ist eine Hälfte der DC-Busspannung über einen positiven elektrischen Leistungsbus DC (+) an die Fahrwerksmasse angelegt und eine Hälfte der DC-Busspannung ist über einen negativen elektrischen Leistungsbus DC (-) an die Fahrwerksmasse angelegt. Eine AC-Seite des Spannungszwischenkreisumrichters floatet mit Bezug auf die Fahrwerksmasse, wobei sie im Idealfall einen unendlichen Widerstand und eine Kapazität von null aufweist.
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Wenn an einer der Phasen der AC-Seite des Spannungszwischenkreisumrichters ein Masseisolierungsfehler auftritt, fließt ein AC-Strom, der mit einer Aktivierung und Deaktivierung der Schaltereinrichtungen des Wechselrichters verbunden ist, durch die Kondensatoren, welche die Nebenschlusspfade mit niedriger Impedanz für elektrische Hochfrequenz-Rauschströme bereitstellen. Im Fall eines Masseisolierungsfehlers kann ein AC-Strom, der mit einer der Phasenspannungen der Gleichrichter/Wechselrichter, die im Folgenden als Wechselrichter bezeichnet sind, vom positiven elektrischen Leistungsbus DC (+) zum negativen elektrischen Leistungsbus DC (-) verbunden ist, einen übermäßigen elektrischen Stromfluss an die Kondensatoren verursachen, welche die Nebenschlusspfade mit niedriger Impedanz für elektrische Hochfrequenz-Rauschströme bereitstellen. Ein AC-Strom, der die Kapazität der Kondensatoren überschreitet, kann Kondensatorfehler und eine zugehörige Wechselrichterbeschädigung verursachen.
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Eine bekannte Lösung zum Detektieren und somit zum Verhindern eines Masseisolierungsfehlers umfasst, dass ein elektrischer Strom durch jedes der elektrischen Kabel gemessen wird, die mit den Phasen der AC-Seite des Spannungszwischenkreisumrichters verbunden sind und diese arithmetisch aufsummiert werden. Bei einem idealen System, das ohne einen Fehler arbeitet, ist die Summe der gemessenen elektrischen Ströme bei jedem beliebigen gewählten Zeitpunkt gleich null. Wenn ein Masseisolierungsfehler vorhanden ist, ist die Summe der gemessenen elektrischen Ströme ein von null verschiedener Wert. Mit dieser Lösung verbundene Probleme umfassen Messfehler, die mit Signalausgängen von den Erfassungseinrichtungen für elektrischen Strom verbunden sind, welche sich kumulieren können. Dies kann einen Fehler im Gesamtstromsignal verursachen. Außerdem kann ein Phasenstromsensor aufgrund magnetischer und elektrischer Ansprechkennlinien und einer Sensorsättigung Begrenzungen bei der Bandbreite/Sprungantwort aufweisen. Folglich kann es sein, dass ein Fehler in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf der Abtastmessung in Bezug auf Schaltereignisse, die mit dem Wechselrichter verbunden sind, nicht detektiert wird. Darüber hinaus können ein Masseisolierungsfehler und die zugehörige Impedanzänderung ein Resonanzelement enthalten, wobei eine Datenabtastung bei oder in der Nähe eines Nulldurchgangs auftritt. Somit kann ein beliebiger Fehlerstrom durch Aliasing bzw. eine Abtaststörung ausgeblendet werden. Außerdem kann, wenn sich die Impedanz null nähert, jede Stromschwingung in weniger als der Abtastzeit abgeklungen sein. Somit kann es sein, dass der Fehlerstrom nicht gemessen wird.
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Eine andere bekannte Lösung umfasst, dass eine Spannung zwischen dem positiven elektrischen Leistungsbus DC (+) und der Fahrwerksmasse gemessen wird und dass eine Spannung zwischen dem negativen elektrischen Leistungsbus DC (-) und der Fahrwerksmasse gemessen wird, um einen Masseisolierungsfehler zu detektieren. Mit dieser bekannten Lösung verbundene Probleme umfassen Messfehler in den Signalen, die berücksichtigt werden müssen, und die sich oft kumulieren. Außerdem können bekannte DC-Spannungssensoren Messbeschränkungen bei der Bandbreite und der Ansprechzeit aufweisen. Folglich kann es sein, dass ein Fehler nicht detektiert wird. Darüber hinaus kann der zeitliche Verlauf der Messabtastung relativ zu einem Fehler und einem zugehörigen Schaltereignis dazu führen, dass ein Fehler nicht aufgezeichnet wird. Außerdem kann eine Fehlerimpedanz ein Resonanzelement enthalten, wobei eine Datenabtastung bei oder in der Nähe des Nulldurchgangs auftritt. Folglich kann ein beliebiger Fehlerstrom durch Aliasing ausgeblendet werden. Wenn darüber hinaus eine dem Wechselrichter zugeordnete Schaltperiode nahe bei einem Tastverhältnis von 50% liegt, kann eine durchschnittliche Spannung immer noch in der Nähe eines erwarteten Niveaus liegen. Folglich kann es sein, dass eine Fehlerspannung nicht gemessen wird.
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Verfahren der eingangs genannten Art sind der JP H05- 316 747 A beschrieben. Dabei dient als kapazitive Nebenschlussschaltung ein Serienkreis aus zwei Kondensatoren, deren Verbindungspunkt über einen Widerstand und einer mit diesem in Reihe geschalteten Strommesseinrichtung mit Masse verbunden ist.
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Ein ähnliches Verfahren wie die der eingangs genannten Art ist auch aus der
US 6 856 137 B2 bekannt, wobei in diesem Fall jedoch anstelle einer Nebenschlussschaltung ein Serienkreis aus einem Kondensator und mehreren Widerständen vorgesehen ist, der einerseits über den Kondensator mit der positiven Gleichspannungsleitung und andererseits mit Masse verbunden ist, wobei an den mit Masse verbundenen Widerstand bei einem Masseisolierfehler ein Wechselsignal abgegriffen wird, das einem Eingang des Komparators zugeführt wird, der einen weiteren Eingang aufweist, an den eine Vergleichsspannung angelegt ist. Überschreitet das überwachte Wechselsignal einen Schwellenwert, so wird die Versorgung der elektrischen Maschine mit elektrischer Energie unterbrochen. Alternativ kann zwischen die positive Gleichspannungsleitung und Masse ein einzelner Kondensator in Reihe mit einer Seite eines Transformators geschaltet sein, dessen andere Seite dem Komparator das zu messende Wechselsignal liefert. Alternativ kann auch eine der Phasen der mehrphasigen elektrischen Maschine über einen Kondensator mit Masse verbunden sein und ein über den Kondensator fließender Wechselstrom über einen Stromwandler erfasst werden.
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Die Verwendung einer Rogowski-Spule zur Strommessung ist bereits aus der Druckschrift Rogowski, W.; Steinhaus, W.: „Die Messung der magnetischen Spannung", in: Archiv für Elektrotechnik. 1, Nr. 4, 1912, Seiten 141 - 150, Springer Online.DOI: 10.1007/BF01656479, bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung einer Elektromotor-Steuerschaltung sowie ein verbessertes Verfahren zum Überwachen einer elektrischen Masseisolierung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen die Genauigkeit bei der Messung von Masseisolierfehlern weiter erhöht wird.
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Bezüglich des Verfahrens zur Steuerung einer Elektromotor-Steuerschaltung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Fehler, der mit der Wechselstromschaltung oder der elektrischen Maschine in Verbindung steht, detektiert wird, wenn der elektrische AC-Stromfluss durch die kapazitive Nebenschlussschaltung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet; und die Wechselrichterschaltung gesteuert wird, um das Fließen eines elektrischen Stroms zwischen der Wechselstromschaltung und der elektrischen Maschine infolge eines detektierten Fehlers zu unterbrechen, wobei als kapazitive Nebenschlussschaltung eine Schaltungsanordnung verwendet wird, die einen ersten Kondensator und eine dazu elektrisch parallele H-Brückenschaltung enthält, die durch weitere Kondensatoren und einen dazwischen geschalteten Widerstand als Brückenzweig gebildet und an einem zwischen zwei Kondensatoren und dem Widerstand der H-Brückenschaltung gebildeten Knoten mit einer Masse elektrisch gekoppelt ist, und durch einen von der kapazitiven Nebenschlussschaltung elektrisch isolierten Strommessgeber kontinuierlich der elektrische AC-Stromfluss durch die kapazitive Nebenschlussschaltung zur Masse überwacht wird. Bevorzugte Ausgestaltungen dieses erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bezüglich des Verfahrens zur Überwachung einer elektrischen Masseisolierung wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Masseisolierungsfehler, der mit der Wechselrichterschaltung oder der elektrischen AC-Schaltung oder der mehrphasigen elektrischen Maschine in Verbindung steht, detektiert wird, wenn die Größe des elektrischen AC-Stromflusses durch die kapazitive Nebenschlussschaltung an die Fahrwerksmasse einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet; wobei als kapazitive Nebenschlussschaltung eine Schaltungsanordnung verwendet wird, die einen ersten Kondensator und eine dazu elektrisch parallele H-Brückenschaltung enthält, die durch weitere Kondensatoren und einen dazwischen geschalteten Widerstand als Brückenzweig gebildet und an einem zwischen zwei Kondensatoren und dem Widerstand der H-Brückenschaltung gebildeten Knoten mit der Masse elektrisch gekoppelt ist, und durch einen von der kapazitiven Nebenschlussschaltung elektrisch isolierten Strommessgeber kontinuierlich der elektrische AC-Stromfluss durch die Nebenschlussschaltung zur Masse überwacht wird.
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Figurenliste
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Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
- 1 eine Elektromotor-Steuerschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch veranschaulicht, welche eine Wechselrichterschaltung enthält, die ausgestaltet ist, um elektrische Hochspannungs-Gleichstromleistung (DC-Leistung) von einer Hochspannungs-Energiespeichereinrichtung in elektrische Hochspannungs-Wechselstromleistung (AC-Leistung) zu übertragen und umzusetzen, die an eine elektrische Maschine übertragen wird;
- 2 einen Schaltplan einer elektronischen Schaltung zeigt, die den AC-Strommesswertgeber enthält, der mit einer Spitzenwerthalte-Überwachungsschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung signaltechnisch verbunden ist; und
- 3 eine Elektromotor-Steuerschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch veranschaulicht, welche eine Wechselrichterschaltung enthält, die ausgestaltet ist, um elektrische Hochspannungs-Gleichstromleistung (DC-Leistung) von einer Hochspannungs-Energiespeichereinrichtung in elektrische Hochspannungs-Wechselstromleistung (AC-Leistung) zu übertragen und umzusetzen, die an eine elektrische Maschine übertragen wird.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, in denen das Gezeigte nur zur Darstellung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zur Beschränkung derselben gedacht ist, veranschaulicht 1 auf schematische Weise eine Elektromotor-Steuerschaltung, die eine Wechselrichterschaltung 30 enthält, welche ausgestaltet ist, um elektrische Hochspannungs-Gleichstromleistung (DC-Leistung) von einer Hochspannungs-Energiespeichereinrichtung 15, beispielsweise einer Batterie, in elektrische Hochspannungs-Wechselstromleistung (AC-Leistung) zu übertragen und umzusetzen, die an eine elektrische Maschine 10 übertragen wird. Die Hochspannungs-Energiespeichereinrichtung 15 ist über einen positiven elektrischen Gleichstrom-Leistungsbus (DC-Leistungsbus) 40 und einen negativen elektrischen Gleichstrom-Leistungsbus (DC-Leistungsbus) 45 mit der Wechselrichterschaltung 30 elektrisch verbunden. Die Wechselrichterschaltung 30 ist über eine elektrische AC-Schaltung 32, die einen Kabelbaum enthält, der eine Vielzahl elektrischer Kabel 34A, 34B und 34C enthält, wobei die elektrischen Kabel 34A, 34B und 34C mit Phasen der mehrphasigen elektrischen Maschine 10 elektrisch verbunden sind, mit der elektrischen Maschine 10 elektrisch verbunden. Phasenstromsensoren 36 sind ausgestaltet, um einen elektrischen Strom, der durch jeweilige elektrische Kabel 34 fließt, zu erfassen und damit zu überwachen. Bei einer Ausführungsform überwachen die Phasenstromsensoren 36 einen elektrischen Strom durch zwei der drei elektrischen Kabel, z. B. die Kabel 34A und 34B. Bei dieser Ausführungsform kann der Phasenstrom durch das dritte der drei elektrischen Kabel, z. B. das Kabel 34C, auf der Grundlage des Phasenstroms hergeleitet werden, der durch die Kabel 34A und 34B und einen AC-Strommesswertgeber 70, der hier nachstehend beschrieben wird, gemessen wird. Alternativ können die Phasenstromsensoren 36 einen elektrischen Strom durch alle drei elektrischen Kabel, z. B. die Kabel 34A, 34B und 34C überwachen.
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Die elektrische Maschine 10 enthält vorzugsweise eine mehrphasige synchrone AC-Maschine, die einen Stator und einen mit dem Stator magnetisch gekoppelten Rotor enthält. Wie dargestellt ist, ist die mehrphasige elektrische Maschine 10 eine dreiphasige Maschine mit elektrischen Phasen A, B und C. Alternativ kann die elektrische Maschine 10 eine beliebige einer Vielzahl von mehrphasigen Einrichtungen enthalten, z. B. Einrichtungen mit zwei Phasen, vier Phasen, fünf Phasen und eine elektrische Maschine mit einer halben Phase. Bei einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine 10 ausgestaltet, um ein Drehmoment zu erzeugen, das über einen Rotor an einen Endantrieb für ein Fahrzeug übertragen wird.
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Die Wechselrichterschaltung 30 enthält eine Gleichrichterbrückenschaltung 35. Die Gleichrichterbrückenschaltung 35 ist mit jeder Phase A, B und C der mehrphasigen elektrischen Maschine 10 elektrisch verbunden. Die Gleichrichterbrückenschaltung 35 enthält eine Vielzahl von Schaltereinrichtungen 37, die als drei Paare von Schaltereinrichtungen 37 gezeigt sind, welche mit entsprechenden Phasen A, B, C der dargestellten mehrphasigen elektrischen Maschine 10 verbunden sind. Jede der Schaltereinrichtungen 37 enthält vorzugsweise eine Halbleitereinrichtung mit einer niedrigen Betriebsimpedanz, z. B. in der Größenordnung von Milli-Ohm. Eine beispielhafte Schaltereinrichtung 37 enthält eine Feldeffekttransistor-Einrichtung. Bei einer Ausführungsform kann dies eine MOSFET-Einrichtung sein. Alternativ können die Schaltereinrichtungen 37 IGBT-Einrichtungen, JFET-Einrichtungen und andere Einrichtungen enthalten. Die Paare von Schaltereinrichtungen 37 sind ausgestaltet, um einen elektrischen Leistungsfluss zwischen dem positiven elektrischen DC-Leistungsbus 40 und einem der Vielzahl von elektrischen Kabeln 34A, 34B und 34C der elektrischen AC-Schaltung 32, welche mit einer der Phasen A, B, C der mehrphasigen elektrischen Maschine 10 verbunden sind, und dem negativen elektrischen DC-Leistungsbus 45 zu steuern. Ein Steuermodul 20 enthält eine Schaltersteuerschaltung, um die Aktivierung und Deaktivierung jeder der Schaltereinrichtungen 37 zu steuern.
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Die Wechselrichterschaltung 30 enthält eine Widerstandsnebenschlussschaltung 50, die erste und zweite Hochimpedanzwiderstände 52 und 54 enthält, die zwischen dem positiven elektrischen DC-Leistungsbus 40 und dem negativen elektrischen DC-Leistungsbus 45 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Der Knotenpunkt 56 zwischen dem ersten und zweiten Hochimpedanzwiderstand 52 und 54 ist mit einer Fahrwerksmasse 25 elektrisch verbunden. Die Hochspannungs-Energiespeichereinrichtung 15 ist mit dem positiven elektrischen DC-Leistungsbus 40 und dem negativen elektrischen DC-Leistungsbus 45 elektrisch derart verbunden, dass die DC-Eingangsspannungen mit Bezug auf die Fahrwerksmasse 25 floaten, und wird unter Verwendung des ersten und zweiten Hochimpedanzwiderstands 52 und 54 gesteuert. Vorzugsweise wird eine Hälfte der DC-Busspannung über den positiven elektrischen DC-Leistungsbus 40 an die Fahrwerksmasse 45 angelegt und eine Hälfte der DC-Busspannung wird über den negativen elektrischen DC-Leistungsbus 45 an die Fahrwerksmasse 25 angelegt.
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Die Wechselrichterschaltung 30 enthält eine kapazitive Nebenschlussschaltung 60, die zwischen den positiven elektrischen DC-Leistungsbus 40 und den negativen elektrischen DC-Leistungsbus 45 zu der Gleichrichterbrückenschaltung 35 elektrisch parallel geschaltet ist. Die kapazitive Nebenschlussschaltung 60 stellt Nebenschlusspfade mit niedriger Impedanz für Hochfrequenz-Rauschströme bereit. Bei einer Ausführungsform enthält die kapazitive Nebenschlussschaltung 60 einen ersten Kondensator 62, der zu einer Schaltung elektrisch parallel geschaltet ist, welche eine Vielzahl von Kondensatoren 64 enthält, die eine H-Brückenschaltung mit einem dazwischen geschalteten Nebenschlusswiderstand 66 bilden. Die Kondensatoren 64 sind Präzisionskondensatoren, die vorzugsweise gleiche Kapazitätsklassifizierungen aufweisen, die passend zu der elektrischen Leistung ausgelegt sind, welche zwischen dem positiven elektrischen DC-Leistungsbus 40 und dem negativen elektrischen DC-Leistungsbus 45 übertragen wird. Bei einer Ausführungsform sind die Kondensatoren 64 auf zwei 2 µF, 10 %, 1200 V bemessen. Zwei der Kondensatoren 64 und ein erster Draht des Nebenschlusswiderstands 66 bilden einen ersten Knoten oder einen ersten Verbindungspunkt 68, der mit der Fahrwerksmasse 25 elektrisch verbunden ist. Ein zweiter Verbindungspunkt 69 ist zwischen zwei anderen Kondensatoren 64 und einem zweiten Draht des Nebenschlusswiderstands 66 ausgebildet.
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Die kapazitive Nebenschlussschaltung 60 ist eine Dämpfungsschaltung, die dazu gedacht ist, während eines fortlaufenden Betriebs eine transiente elektrische Spannung und einen transienten elektrischen Strom zu unterdrücken. Eine Spannungsunterdrückung kann erreicht werden, indem während eines Teils eines Betriebszyklus elektrische Energie im ersten Kondensator 62 und den Kondensatoren 64 gespeichert wird und die elektrische Energie während eines zweiten Teils des Betriebszyklus entladen wird. Vorzugsweise sind die Kondensatoren 62 und 64 alle Y-Kondensatoren, die einen Nebenschluss für einen elektrischen Gleichtakt-Rauschstrom bilden. Bekannte Y-Kondensatoren enthalten ein Dielektrikum mit Selbstheilungseigenschaften, um ein Lecken von Strom dort hindurch zu unterdrücken und zu verhindern, und um einen zugehörigen Massefehler zu verhindern.
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Wenn ein Fehler auftritt, der einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Fahrwerksmasse 25 und einer beliebigen aus der Wechselrichterschaltung 30, den elektrischen Kabeln 34A, 34B und 34C und der elektrischen Maschine 10 verursacht, kann eine elektrische AC-Leistung, die als ein elektrischer AC-Strom messbar ist, durch die kapazitive Nebenschlussschaltung 60 zu der Fahrwerksmasse 25 fließen. Der elektrische Leistungsfluss kann in der Form einer elektrischen Erwärmung an einer oder mehreren Komponenten, die mit der Wechselrichterschaltung 30, den elektrischen Kabeln 34A, 34B und 34C und der elektrischen Maschine 10 verbunden sind, dissipiert werden. Ein elektrischer Strom, der mit einem Fehler verbunden ist, welcher durch die kapazitive Nebenschlussschaltung 60 an die Fahrwerksmasse 25 fließt, kann in der kapazitiven Nebenschlussschaltung 60 gemessen werden.
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Der AC-Strommesswertgeber 70 ist in die kapazitive Nebenschlussschaltung 60 integriert, um einen elektrischen Strom, der durch die kapazitive Nebenschlussschaltung 60 an die Fahrwerksmasse 25 fließt, kontinuierlich und vorzugsweise direkt zu messen. Bei einer Ausführungsform ist der AC-Strommesswertgeber 70 ausgestaltet, um einen elektrischen Strom zu messen, der zwischen dem ersten Verbindungspunkt 68 und der Fahrwerksmasse 25 fließt. Alternativ ist der AC-Strommesswertgeber 70 ausgestaltet, um einen elektrischen Strom kontinuierlich zu messen, der zwischen dem ersten Verbindungspunkt 68 und dem zweiten Verbindungspunkt 69 durch den Nebenschlusswiderstand 66 fließt. Vorzugsweise sind der AC-Strommesswertgeber 70 und zugehörige Messschaltungen direkt in eine elektronische Platine für die Wechselrichterschaltung 30 integriert, welche die kapazitive Nebenschlussschaltung 60 enthält.
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Der AC-Strommesswertgeber 70 enthält vorzugsweise einen Rogowski-Strommesswertgeber, der auf eine integrierte Platine gedruckt ist, die eine Öffnung enthält, durch welche ein elektrisches Kabel verläuft, das zwischen dem ersten Verbindungspunkt 68 und der Fahrwerksmasse 25 verbunden ist. Alternativ enthält der AC-Strommesswertgeber 70 eine Rogowski-Spule, welche den Nebenschlusswiderstand 66, der den ersten Verbindungspunkt 68 und den zweiten Verbindungspunkt 69 verbindet, physikalisch umgibt, die alle auf einer gedruckten Verdrahtungsplatine (PWB) enthalten sind. Bei beiden Ausführungsformen misst der AC-Strommesswertgeber 70 kontinuierlich einen elektrischen AC-Strom, der durch die kapazitive Nebenschlussschaltung 60 an die Fahrwerksmasse 25 fließt.
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Der AC-Strommesswertgeber 70, der den Rogowski-Strommesswertgeber enthält, erzeugt kontinuierlich ein Analogspannungssignal, das der Größe eines elektrischen AC-Stroms, der durch die kapazitive Nebenschlussschaltung 60 an die Fahrwerksmasse 25 fließt, direkt entspricht. Bei einer Ausführungsform induziert die Änderungsrate des elektrischen AC-Stroms, der durch den AC-Strommesswertgeber 70 überwacht wird, einen Spannungssignalausgang in einem Bereich von 1 mV/Ampere. Eine Signalverarbeitungsschaltung kann das Ausgangssignal auf der Grundlage eines erwarteten Spannungsbereichs, der dem elektrischen AC-Strom zugeordnet ist, aufbereiten. Der mit einer Signalverarbeitungsschaltung gekoppelte AC-Strommesswertgeber 70 weist das Potential zur Messung eines weiten Bereichs von elektrischen Strömen ohne Sättigung auf. Außerdem weist der AC-Strommesswertgeber 70 eine große Bandbreite auf, die bei einer Ausführungsform in einem Bereich zwischen 0,1 Hz und 17 MHz mit minimaler Dämpfung liegt. Der AC-Strommesswertgeber 70 ist von der kapazitiven Nebenschlussschaltung 60 elektrisch isoliert. Bei einer Ausführungsform misst der AC-Strommesswertgeber 70 und die zugehörige Signalverarbeitungsschaltung AC-Stromänderungen mit einer Rate von 40.000 Ampere/µs.
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Der AC-Strommesswertgeber 70 zur Überwachung der kapazitiven Nebenschlussschaltung 60 ist ausgestaltet, um das Fließen eines elektrischen AC-Stroms ohne Berücksichtigung oder Störung durch irgendeinen elektrischen DC-Strom, dem der elektrische AC-Strom überlagert sein kann, zu messen. Da die kapazitive Nebenschlussschaltung 60 in Reihe geschaltete Kondensatoren enthält, gibt es nur einen minimalen oder keinen DC-Strom, der zu der Fahrwerksmasse 25 fließt, wenn beim Betrieb der elektrischen Maschine 10 kein Fehler vorliegt, der mit einem Verlust der elektrischen Masseisolierung verbunden ist. Wenn jedoch ein Fehler auftritt, der einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Fahrwerksmasse 25 und einer beliebigen aus der Wechselrichterschaltung 30, den elektrischen Kabeln 34A, 34B und 34C und der elektrischen Maschine 10 verursacht, d. h. einen Verlust der Masseisolierung, kann ein AC-Strom auf dem positiven elektrischen DC-Leistungsbus 40 oder dem negativen elektrischen DC-Leistungsbus 45 vorhanden sein und wird durch die Kondensatoren 62, 64 der kapazitiven Nebenschlussschaltung 60 hindurchfließen.
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2 zeigt auf schematische Weise eine elektronische Schaltung, die den AC-Strommesswertgeber 70 enthält, der signaltechnisch mit einer Spitzenwerthalte-Überwachungsschaltung 75 verbunden ist, die eine Rücksetzschaltung 76 enthält. Der Schaltplan dient zur Veranschaulichung. Die Spitzenwerthalte-Überwachungsschaltung 75 überwacht die Größe des von dem AC-Strommesswertgeber 70 ausgegebenen elektrischen AC-Stroms und detektiert eine Maximalgröße des elektrischen AC-Stromflusses in sowohl die positive Stromrichtung als auch die negative Stromrichtung. Die Spitzenwerthalte-Überwachungsschaltung 75 erzeugt einen Signalausgang, der an eine Eingangsverbindung des Steuermoduls 20 übermittelt wird. Das Steuermodul 20 überwacht den Signalausgang von der Spitzenwerthalte-Überwachungsschaltung 75. Wenn der Signalausgang von der Spitzenwerthalte-Überwachungsschaltung 75 einen vorbestimmten Schwellenwert entweder positiv oder negativ überschreitet, steuert das Steuermodul 20 die Wechselrichterschaltung 30 zur Unterbrechung des elektrischen Stromflusses zwischen der elektrischen AC-Schaltung 32 und der elektrischen Maschine 10, wodurch der Betrieb der mehrphasigen elektrischen Maschine 10 unterbrochen wird. Der Betrieb der mehrphasigen elektrischen Maschine 10 wird vorzugsweise für eine vorbestimmte Zeitspanne unterbrochen, die mit der Entschärfung des Fehlers verbunden ist. Das Steuermodul 20 sendet auch ein Signal an die Rücksetzschaltung 76, um die Spitzenwerthalte-Überwachungsschaltung 75 zurückzusetzen und einen neuen Überwachungszyklus zu beginnen. Ein Masseisolierungsfehler, der mit der elektrischen AC-Schaltung 32 oder der mehrphasigen elektrischen Maschine 10 verbunden ist, wird identifiziert, wenn die Maximalgröße des elektrischen AC-Stromflusses einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Somit ist das Steuermodul 20 in der Lage, einen AC-Spitzenstromfluss unter Verwendung einer digitalen Abtastung zu detektieren, indem es den Ausgang aus der Spitzenwerthalte-Überwachungsschaltung 75 überwacht, die mit dem AC-Strommesswertgeber 70 signaltechnisch verbunden ist.
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Steuermodul, Modul, Controller, Prozessor und ähnliche Ausdrücke bedeuten eine beliebige geeignete oder verschiedene Kombinationen aus einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), elektronischen Schaltungen, zentralen Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise Mikroprozessoren) und zugehörigem Arbeitsspeicher und Massenspeicher (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerk usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, kombinatorischen Logikschaltungen, Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Einrichtungen, geeigneten Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen geeigneten Komponenten, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Das Steuermodul weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, die residente Softwareprogrammanweisungen und Kalibrierungen enthalten, die im Arbeitsspeicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Die Algorithmen werden vorzugsweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt. Algorithmen werden ausgeführt, etwa durch eine zentrale Verarbeitungseinheit, und dienen zur Überwachung von Eingängen von Erfassungseinrichtungen und anderen Netzwerksteuermodulen und zur Ausführung von Steuer- und Diagnoseroutinen zur Steuerung des Betriebs von Stellgliedern. Schleifenzyklen können in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, zum Beispiel alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während eines fortlaufenden Betriebs des Motors und des Fahrzeugs.
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Alternativ können Algorithmen in Ansprechen auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
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Die Wechselrichterschaltung 30, welche die Gleichrichterbrückenschaltung 35, die Widerstandsnebenschlussschaltung 50 und die kapazitive Nebenschlussschaltung 60 enthält, kann jeweils als eine Anordnung diskreter Elemente oder vorzugsweise als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) implementiert sein.
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Ein Fehler in der Wechselrichterschaltung 30 kann für eine spezifische der Schaltungen, die ausgestaltet sind, um elektrische Hochspannungs-DC-Leistung von der Hochspannungs-Energiespeichereinrichtung 15 in elektrische Hochspannungs-AC-Leistung zu übertragen und umzusetzen, die an die elektrische Maschine 10 übertragen wird, lokalisiert und isoliert werden. Dies umfasst ein selektives Aktivieren, d. h. ein wiederholtes Ein- und Ausschalten einer der Schaltereinrichtungen 37 der Wechselrichterschaltung 30, und das Überwachen des elektrischen Stroms unter Verwendung des AC-Strommesswertgebers 70 in Kombination mit den Phasenstromsensoren 36, und auch das Überwachen von Spannungen an dem positiven elektrischen DC-Leistungsbus 40 und dem negativen elektrischen DC-Leistungsbus 45.
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Wenn kein Fehler vorliegt, wird kein Stromfluss über den AC-Strommesswertgeber 70 detektiert werden. Wenn ein Fehler behoben wurde, d. h. nicht länger vorhanden ist, wird kein Stromfluss über den AC-Strommesswertgeber 70 detektiert werden. Wenn ein Fehler in der Schaltung 35 vorliegt, aber kein Fehler in der Schaltung vorliegt, die mit der aktivierten Schaltereinrichtung 37 verbunden ist, kann ein geringer Stromfluss mit einem niederfrequenten Signal über dem AC-Strommesswertgeber 70 detektiert werden. Wenn ein Fehler in der Schaltung 35 und in der Schaltung, die mit der aktivierten Schaltereinrichtung 37 verbunden ist, vorliegt, wird ein hoher Stromfluss mit einem hochfrequenten Signal über dem AC-Strommesswertgeber 70 detektiert werden. Wenn der Fehler mit dem positiven elektrischen DC-Leistungsbus 40 oder dem negativen elektrischen DC-Leistungsbus 45 verbunden ist, kann der Massefehler detektiert werden, indem die Spannung zwischen dem positiven elektrischen DC-Leistungsbus 40 und der Fahrwerksmasse 25 überwacht wird und die Spannung zwischen dem negativen elektrischen DC-Leistungsbus 45 und der Fahrwerksmasse 25 überwacht wird, um einen Fehler in der Isolierung der Fahrwerksmasse 25 zu detektieren.
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3 veranschaulicht auf schematische Weise eine andere Ausführungsform der Elektromotor-Steuerschaltung, welche die Wechselrichterschaltung 30 enthält, die ausgestaltet ist, um elektrische Hochspannungs-DC-Leistung von der Hochspannungs-Energiespeichereinrichtung 15 in elektrische Hochspannungs-AC-Leistung zu übertragen und umzusetzen, die an die elektrische Maschine 10 übertragen wird. Die Hochspannungs-Energiespeichereinrichtung 15 ist über den positiven elektrischen DC-Leistungsbus 40 und den negativen elektrischen DC-Leistungsbus 45 mit der Wechselrichterschaltung 30 elektrisch verbunden. Die Wechselrichterschaltung 30 ist über die elektrische AC-Schaltung 32, welche einen Kabelbaum enthält, der eine Vielzahl elektrischer Kabel 34A, 34B und 34C enthält, mit der elektrischen Maschine 10 elektrisch verbunden, wobei die elektrischen Kabel 34A, 34B und 34C mit individuellen Phasen der mehrphasigen elektrischen Maschine 10 elektrisch verbunden sind. Phasenstromsensoren 36 sind ausgestaltet, um einen elektrischen Strom, der durch zwei der drei Elektrokabel 34, z. B. die Kabel 34A und 34B, fließt, zu erfassen und somit zu überwachen. Ein AC-Strommesswertgeber 70 ist ausgestaltet, um einen AC-Strom durch die elektrische AC-Schaltung 32 zu überwachen, welche den Kabelbaum enthält, der die Vielzahl der elektrischen Kabel 34A, 34B und 34C enthält, die mit Phasen der mehrphasigen elektrischen Maschine 10 elektrisch verbunden sind.
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Während eines Normalbetriebs werden die Schaltereinrichtungen 37 der Wechselrichterschaltung 30 gesteuert, um einen elektrischen Stromfluss zwischen der Hochspannungs-Energiespeichereinrichtung 15 und der elektrischen Maschine 10 über den positiven elektrischen DC-Leistungsbus 40 und den negativen elektrischen DC-Leistungsbus 45 zu steuern. Die Phasenstromsensoren 36 überwachen einen elektrischen Strom, der durch zwei der drei Elektrokabel 34, z. B. die Kabel 34A und 34B fließt, und der AC-Strommesswertgeber 70 misst einen AC-Gesamtstrom, der durch alle individuellen elektrischen Kabel der elektrischen AC-Schaltung 32 fließt.
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Ein Masseisolierungsfehler führt zu einer Abweichung bei dem AC-Gesamtstrom, der durch die elektrische AC-Schaltung 32 fließt, welche unter Verwendung des AC-Strommesswertgebers 70' detektiert werden kann. In Abhängigkeit vom Ort eines Masseisolierungsfehlers können Signalausgänge von den Signalausgängen der Phasenstromsensoren 36 und des AC-Strommesswertgebers 70 verwendet werden, um den Fehler zu detektieren. Dies umfasst, dass ein Masseisolierungsfehler detektiert wird, der zu einem Gleichtaktstrom in zwei oder mehr der elektrischen Kabel 34A, 34B und 34C führt.
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Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Modifikationen dazu beschrieben. Beim Lesen und Verstehen der Beschreibung können anderen weitere Modifikationen und Veränderungen begegnen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, die als die beste Art zum Ausführen dieser Offenbarung angesehen werden, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen enthält, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
