DE102012210641A1

DE102012210641A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern eines Wechselrichters

Info

Publication number: DE102012210641A1
Application number: DE102012210641A
Authority: DE
Inventors: Andrea Deflorio
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-12-24
Also published as: CN104396134B; US9602038B2; CN104396134A; WO2013189630A1; US20150340982A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren (40) zum Ansteuern eines Wechselrichters (10) mittels Raumzeigermodulation, insbesondere zum Ansteuern einer elektrischen Maschine (14), wobei der Wechselrichter (10) eine Mehrzahl von steuerbaren Schaltern (S) und eine entsprechende Mehrzahl von Freilaufdioden (D) aufweist, und der dazu ausgebildet ist, einen mehrphasigen elektrischen Strom (IU, IV, IW) und eine mehrphasige Spannung in Form von Raumzeigern (I*, U*) bereitzustellen, insbesondere um die elektrische Maschine (14) mehrphasig mit elektrischem Strom (IU, IV, IW) zu versorgen, wobei der Wechselrichter (10) angesteuert wird, um eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Schaltzuständen (V0–V7) der Schalter (S) einzurichten, wobei der Wechselrichter (10) mittels zwei Schaltzuständen (V0, V7) in einen spannungsfrei schaltenden Schaltzustand (V0, V7) geschaltet wird, wobei eine Einschaltdauer (t0–t7) der Schaltzustände (V0–V7) in Abhängigkeit eines Belastungssollwerts (m) der Schalter (S) und/oder der Freilaufdioden (D) variiert wird, und wobei der Belastungssollwert (m) in Abhängigkeit einer Temperatur (TS, TD) wenigstens eines der Schalter (S) und/oder einer der Freilaufdioden (D) eingestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters mittels Raumzeigermodulation, insbesondere zum Ansteuern einer elektrischen Maschine, wobei der Wechselrichter eine Mehrzahl von steuerbaren Schaltern und eine entsprechende Mehrzahl von Freilaufdioden aufweist und der dazu ausgebildet ist, einen mehrphasigen elektrischen Strom und eine mehrphasige elektrische Spannung in Form von Raumzeigern bereitzustellen, insbesondere um die elektrische Maschine mehrphasig mit elektrischem Strom zu versorgen, wobei der Wechselrichter angesteuert wird, um eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Schaltzuständen der Schalter einzurichten, wobei der Wechselrichter mittels zwei Schaltzuständen in einen spannungsfrei schaltenden Schaltzustand geschaltet wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Wechselrichters, der eine Mehrzahl von steuerbaren Leistungsschaltern und eine entsprechende Mehrzahl von Freilaufdioden aufweist, die dazu angeschlossen sind, einen mehrphasigen elektrischen Strom und eine mehrphasige elektrische Spannung in Form von Raumzeigern bereitzustellen, insbesondere um die elektrische Maschine mehrphasig mit elektrischem Strom zu versorgen, mit einem Steuergerät, das dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter derart anzusteuern, dass der Wechselrichter eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Schaltzuständen der Schalter annimmt, und wobei der Wechselrichter zwei spannungsfrei schaltende Schaltzustände annehmen kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit wenigstens einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung, einem Wechselrichter zum Ansteuern der elektrischen Maschine und mit einer Vorrichtung zum Ansteuern des Wechselrichters der oben beschriebenen Art.
Stand der Technik
Auf dem technischen Gebiet der Drehstromverbraucher im Allgemeinen und der elektrischen Drehstrommaschinen im Speziellen sind unterschiedliche Ansteuerungsverfahren bekannt. Dabei wird aktuell üblicherweise das Verfahren der Raumzeigermodulation zur Ansteuerung des Drehstromverbrauchers bevorzugt. Bei diesem Ansteuerungsverfahren wird ein Raumzeiger durch aufeinander folgende Einstellung von acht Grundspannungszeigern gebildet. Um die Strangspannung bereitzustellen, werden die Grundspannungszeiger pulsweitenmoduliert geschaltet, so dass eine entsprechende Ansteuerspannung generiert wird.
Bei den bekannten Ansteuerungsverfahren werden die elektrischen Verbraucher mittels eines Wechselrichters mit Leistungshalbleiterschaltern angesteuert. Die Einstellung der acht aufeinander folgenden Grundspannungszeiger zur Erzeugung des Spannungsraumzeigers wird durch abwechselndes Ein- und Ausschalten bestimmter Leistungshalbleiterschalter der Wechselrichter realisiert. Bei sehr geringen Rotationsgeschwindigkeiten des Raumzeigers beziehungsweise, sofern der Drehstromverbraucher eine elektrische Maschine ist, bei geringen Drehzahlen der angesteuerten elektrischen Maschinen werden einzelne der Leistungshalbleiterschalter sehr häufig bzw. sehr lange geschaltet und somit durch einen sehr lange bzw. sehr häufig fließenden elektrischen Strom thermisch belastet. Daher müssen die Leistungshalbleiterschalter für sehr lange Einschaltzeiten und für sehr große Ströme ausgelegt werden, wodurch der Wechselrichter im Allgemeinen technisch aufwendig wird.
Um einer, insbesondere thermischen, Überbelastung der Leistungshalbleiterschalter zu begegnen, wird beispielsweise in der WO 2010/000548 A2 vorgeschlagen, einen von zwei spannungsfrei schaltenden Schaltzuständen in bestimmten Pulsweitenmodulationsperioden entfallen zu lassen, um die Schaltverluste der Leistungshalbleiterschalter zu verringern.
Da die Belastung, insbesondere die thermische Belastung, einzelner Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters abhängig von einem Phasenwinkel des bereitgestellten Stromraumzeigers ist bzw. einzelne der Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters für bestimmte Phasenwinkel des bereitgestellten Stromraumzeigers unterschiedlich belastet werden, wird beispielsweise in der DE 10393516 T1 vorgeschlagen, in bestimmten Winkelbereichen des bereitgestellten Stromraumzeigers einen bestimmten Nullvektor zu verwenden, um die Schaltverluste der Leistungshalbleiterschalter zu reduzieren.
Nachteilig dabei ist es, dass in bestimmten Ansteuerungssituationen, insbesondere bei sehr geringen Rotationsgeschwindigkeiten der Raumzeiger, die auftretenden Verluste einzelne der Leistungshalbleiterschalter und/oder einzelne der Freilaufdioden thermisch stark belasten können, wodurch eine Überlastung der Leistungshalbleiterschalter und/oder der Freilaufdioden nicht vermieden werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters mittels Raumzeigermodulation der eingangs genannten Art bereitgestellt, wobei eine Einschaltdauer der Schaltzustände in Abhängigkeit eines Belastungssollwertes der Schalter und/oder der Freilaufdioden variiert wird und wobei der Belastungssollwert in Abhängigkeit einer Temperatur wenigstens eines der Schalter und/oder der Freilaufdioden eingestellt wird.
Ferner wird daher erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Wechselrichters der eingangs genannten Art bereitgestellt, wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist, eine Einschaltdauer eines Schaltzustandes in Abhängigkeit eines Belastungssollwertes der Schalter und/oder der Freilaufdioden zu variieren, und wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist, den Belastungssollwert in Abhängigkeit einer Temperatur wenigstens eines der Schalter und/oder einer der Freilaufdioden einzustellen.
Schließlich wird erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeugantriebsstrang bereitgestellt mit wenigstens einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung, einem Wechselrichter zum Ansteuern der elektrischen Maschine und mit einer Vorrichtung zum Ansteuern des Wechselrichters der oben beschriebenen Art.
Vorteile der Erfindung
Dadurch, dass der, insbesondere thermische, Belastungssollwert in Abhängigkeit einer Temperatur eines Schalters oder einer Freilaufdiode des Wechselrichters eingestellt wird und die Verlustleistung über die Einschaltdauer der Schaltzustände entsprechend in Abhängigkeit des Belastungssollwertes variiert wird, kann die Temperatur der Schalter und/oder der Freilaufdioden gleichmäßig eingestellt werden. Die Schalter und/oder die Freilaufdioden werden mit anderen Worten gemäß dem Belastungssollwert belastet.
Dadurch kann auch für kritische Phasenwinkel der angeforderte Spannungsraumzeiger und Stromraumzeiger eine optimierte Temperaturverteilung der Schalter und/oder der Freilaufdioden gezielt eingestellt werden. Somit können thermische Spitzenwerte vermieden und die steuerbaren Schalter und/oder die Freilaufdioden im Allgemeinen für geringere thermische Belastungen ausgelegt werden, wodurch der Wechselrichter im Allgemeinen technisch weniger aufwendig und kostengünstiger gefertigt werden kann. Ferner wird durch die gleichmäßigere Belastung der Schalter und/oder der Freilaufdioden die Lebensdauer des Wechselrichters im Allgemeinen verlängert.
Vorzugsweise wird der Belastungssollwert in Abhängigkeit einer Temperaturdifferenz von zwei der Schalter oder zwei der Freilaufdioden oder eines der Schalter und einer der Freilaufdioden variiert.
Dadurch kann eine gleichmäßigere thermische Belastung erzielt werden, da eine gemessene Temperaturdifferenz direkt als Regelgröße dient.
Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn ein erster der zwei Schalter bzw. eine erste der zwei Freilaufdioden einem hohen Versorgungsspannungspotenzial zugeordnet ist und ein zweiter der zwei Schalter bzw. eine zweite der zwei Freilaufdioden einem niedrigen Versorgungsspannungspotenzial zugeordnet ist.
Dadurch kann die Temperaturdifferenz zwischen einem Bauelement der oberen Seite des Wechselrichters und einem Bauelement der unteren Seite des Wechselrichters verglichen werden, so dass Temperaturunterschiede zwischen der oberen und der unteren Seite des Wechselrichters ausgeglichen werden können.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der erste der Schalter bzw. die erste der Freilaufdioden das am stärksten belastete Bauteil ist, das dem hohen Versorgungsspannungspotenzial zugeordnet ist und der zweite der Schalter bzw. die zweite der Freilaufdioden das am stärksten belastete Bauteil ist, das dem niedrigen Versorgungsspannungspotenzial zugeordnet ist.
Dadurch können thermische Belastungsspitzen des Wechselrichters vermieden werden.
Es ist weiterhin allgemein bevorzugt, wenn eine Einschaltdauer eines ersten der spannungsfrei schaltenden Schaltzustände in Abhängigkeit des Belastungssollwertes variiert wird.
Dadurch können ungleichmäßige thermische Belastungen des Wechselrichters mit einfachen Maßnahmen verhindert bzw. ausgeglichen werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Einschaltdauer der Schaltzustände pro Pulsweitenmodulationsperiode variiert wird.
Dadurch kann einer ungleichmäßigen thermischen Belastung schnell und präzise entgegengewirkt werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Einschaltdauer pro Pulsweitenmodulationsperiode eines ersten spannungsfrei schaltenden Schaltzustandes zu einer Gesamtdauer der spannungsfrei schaltenden Schaltzustände pro Pulsweitenmodulationsperiode in Abhängigkeit des Belastungssollwertes variiert wird.
Dadurch lässt sich der Belastungssollwert mit einfachen Maßnahmen präzise auf einen beliebigen Wert einstellen.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Belastungssollwert schrittweise iterativ in Abhängigkeit der Temperatur des wenigstens einen Schalters und/oder der wenigstens einen Freilaufdiode bestimmt wird.
Dadurch kann eine kontinuierliche Anpassung der thermischen Belastung des Wechselrichters bereitgestellt werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Temperatur des wenigstens einen Schalters und/oder der wenigstens einen Freilaufdiode gemessen wird.
Dadurch lässt sich die thermische Belastung des Wechselrichters präzise bestimmen.
Es ist alternativ bevorzugt, wenn die Temperatur des wenigstens einen Schalters und/oder der wenigstens einen Freilaufdiode geschätzt wird.
Dadurch lässt sich mit technisch geringem Aufwand die Temperatur und somit thermische Belastungen des Wechselrichters bestimmen.
Im Ergebnis kann durch die vorliegende Erfindung auch bei geringen Rotationsfrequenzen der Spannungsraumzeiger und/oder der Stromraumzeiger der Wechselrichter gleichmäßiger belastet werden, indem die Verlustleistung über die Einschaltdauer der Schaltzustände entsprechend variiert wird, ohne dass der bereitgestellte Spannungsraumzeiger und/oder Stromraumzeiger beeinflusst wird. Dadurch kann die thermische Belastung des Wechselrichters gleichmäßiger auf die Schalter und/oder Freilaufdioden verteilt werden, wodurch der Wechselrichter für geringere Belastung ausgelegt werden kann und wodurch die Lebensdauer des Wechselrichters erhöht werden kann.
Es versteht sich, dass Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch entsprechend auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zutreffen bzw. anwendbar sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in schematischer Form einen Wechselrichter zum Ansteuern eines Drehstromverbrauchers;
2 zeigt ein komplexes Zeigerdiagramm zur Erläuterung des Raumzeigermodulationsverfahrens zum Ansteuern des Wechselrichters eines elektrischen Verbrauchers;
3 zeigt in schematischer Form einen Verlauf von drei Strangspannungen zum Einstellen unterschiedlicher Spannungsraumzeiger; und
4 zeigt in schematischer Form einen detaillierten Ablauf zum Bestimmen eines Belastungssollwertes auf der Grundlage von Temperaturen der Schalter und/oder Freilaufdioden des Wechselrichters.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein Wechselrichter zum Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere einer elektrischen Maschine schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet.
Der Wechselrichter 10 ist mit einer Gleichspannungsquelle 12 verbunden und dient dazu, den elektrischen Verbraucher 14, der in diesem Fall als elektrische Maschine 14 ausgebildet ist, dreiphasig zu bestromen. Der Wechselrichter weist drei Halbbrücken auf, die parallel zu der Gleichspannungsquelle 12 geschaltet sind und jeweils zwei steuerbare Schalter S aufweisen. Zwischen den Schaltern S ist jeweils ein Halbbrückenabgriff 16 gebildet, die jeweils mit einem Phasenleiter der Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 14 verbunden sind.
Parallel zu den Schaltern S ist jeweils eine Freilaufdiode D geschaltet, die einen Stromfluss in entgegengesetzter Richtung ermöglicht.
In 1 sind die Schalter S entsprechend der Phase U, V, W, die sie bereitstellen und entsprechend der Zuordnung zu einem hohen Potenzial der Gleichspannungsquelle 12 oder einem niedrigen Potenzial der Gleichspannungsquelle 12 mit SHA, SLA, SHB, SLB, SHC, SLC bezeichnet. Entsprechend sind die Freilaufdioden bezeichnet mit DHA, DLA, DHB, DLB, DHC, DLC.
Durch wechselndes Öffnen und Schließen der Schalter S wird zwischen den Phasenleitern U, V, W jeweils eine Ansteuerspannung angelegt, so dass sich entsprechend jeweils ein Phasenstrom IU, IV, IW einstellt, der die elektrische Maschine 14 antreibt. Der Wechselrichter 10 ist vorzugsweise mittels Halbleiterschaltern ausgebildet. Die Schalter des Wechselrichters werden mittels einer schematisch dargestellten Steuereinheit 18 wechselnd geöffnet und geschlossen, um die Phasenspannungen mit einem bestimmten Verlauf bereitzustellen, und einen rotierenden Spannungsraumzeiger bereitzustellen und die elektrische Maschine 14 entsprechend mit den Phasenströmen IU, IV, IW zu bestromen.
In 2 ist ein komplexes Zeigerdiagramm zur Erläuterung der Raumzeigermodulation zum Ansteuern des Verbrauchers 14 beziehungsweise der elektrischen Maschine 14 dargestellt und allgemein mit 20 bezeichnet.
In dem Zeigerdiagramm 20 ist ein Spannungszeiger V* mit einem Ansteuerungswinkel Alpha der elektrischen Maschine 14 dargestellt. In dem Zeigerdiagramm 20 sind ferner sechs Grundspannungszeiger V1, V2, V3, V4, V5, V6 dargestellt, die sich ergeben, wenn einzelne oder zwei der Schalter S des Wechselrichters 10 geschlossen werden und die elektrische Maschine entsprechend angesteuert wird. Um den Spannungszeiger V* mit maximaler Länge einzustellen, der in diesem Beispiel den Ansteuerwinkel Alpha zwischen den Grundspannungszeigern V1 und V2 aufweist, wird dieser durch abwechselndes Ansteuern des Wechselrichters 10 entsprechend dem Grundspannungszeiger V1 und dem Grundspannungszeiger V2 realisiert. Die beiden Grundspannungszeiger V1, V2 werden abwechselnd eingestellt mit einer vordefinierten Schaltfrequenz, so dass sich bei gleicher Einschaltdauer der Grundspannungszeiger V1, V2 der Spannungszeiger V* mit einem Phasenwinkel von 30° ergibt. Sofern ein Spannungszeiger V* mit einem größeren Ansteuerungswinkel Alpha eingestellt werden muss, wird entsprechend die Einschaltdauer des Grundspannungszeigers V2 verlängert und die Einschaltdauer des Grundspannungszeigers V1 verkürzt. Somit lässt sich durch getaktetes Ansteuern der Schalter S des Wechselrichters 10 der Spannungsraumzeiger V* mit einem beliebigen Ansteuerwinkel Alpha realisieren. Dabei wird der Spannungsraumzeiger durch den Wechselrichter 10 bereitgestellt, woraufhin sich der Stromraumzeiger in Abhängigkeit der angesteuerten Last 14 einstellt.
Sofern der Spannungszeiger V*, wie in dem in 2 dargestellten Fall mit einem geringeren Betrag (geringere Länge) als die Grundspannungsraumzeiger V1, V2 eingestellt werden soll, wird entsprechend ein Nullspannungszeiger V0, V7 eingestellt, bei dem die Schalter SHA, SHB, SHC auf der oberen Seite bzw. SLA, SLB, SLC auf der unteren Seite des Wechselrichters 10 geöffnet sind. Die jeweils anderen der Schalter S sind entsprechend geschlossen. Entsprechend kann der Spannungszeiger V* durch eine Kombination der Grundspannungsraumzeiger V1 und V2 und einem der Nullspannungszeiger V0, V7 realisiert werden.
In Abhängigkeit des Spannungsraumzeigers V* stellt sich ein Stromraumzeiger I* ein. Der Stromraumzeiger I* weist eine Amplitude und einen Phasenwinkel auf, die sich in Abhängigkeit des angesteuerten elektrischen Verbrauchers 14 einstellen. Der Phasenwinkel des Stromraumzeigers I* kann phasengleich mit dem Phasenwinkel α des Spannungsraumzeigers V* sein oder eine Phasenverschiebung aufweisen.
Zur Bestromung des Verbrauchers 14 beziehungsweise der elektrischen Maschine 14 wird der Spannungsraumzeiger V* bereitgestellt, indem die unterschiedlichen Grundspannungsraumzeiger V1–V6 und die Nullspannungszeiger V0, V7 in einer schnellen Abfolge hintereinander eingestellt werden. Die unterschiedlichen Schalter S und die unterschiedlichen Freilaufdioden D des Wechselrichters 10 werden bei einem schnell rotierenden Spannungsraumzeigers V* gleichmäßig belastet, insbesondere phasig gleichmäßiger belastet. Sofern die Rotationsfrequenz des Spannungsraumzeigers V* sehr gering oder null ist, zum Beispiel bei geringen Drehzahlen der elektrischen Maschine 14, werden die entsprechenden Schalter S und die Freilaufdioden D des Wechselrichters 10 einer Phase U, V, W über einen langen Zeitraum belastet, so dass eine Überlastung der entsprechenden Schalter S und der Freilaufdioden D auftreten kann und die Schalter S und die Freilaufdioden D des Wechselrichters 10 im Allgemeinen ungleichmäßig, insbesondere phasig ungleichmäßig belastet werden. Um bei eine Überlastung einzelner der Schalter S und der Freilaufdioden D zu verhindern, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die Belastung auf unterschiedliche der Schalter S und der Freilaufdioden D zu verteilen. Die elektrische Verlustleistung und somit die Temperatur der Schalter S bzw. der Freilaufdioden D ist eine Funktion des Betrages V des Spannungsraumzeigers V*, des Phasenwinkels alpha_V, des Betrages I des Stromraumzeigers I* und des Phasenwinkels alpha_I.
In 3 sind Verläufe der Phasenspannungen der drei Phasen U, V, W innerhalb einer pulsweiten Modulationsperiode T dargestellt, um die Grundspannungsraumzeiger V0, V1, V2, V7 nacheinander einzustellen. Innerhalb der pulsweiten Modulationsperiode T kann eine Einschaltdauer t0, t1, t2, t7 der einzelnen Grundspannungsraumzeiger V0, V1, V2, V7 variiert werden, um den Spannungsraumzeiger V* präzise einstellen zu können.
Da der Nullspannungszeiger V0 lediglich die Schalter SLA, SLB, SLC, die dem niedrigen Potenzial der Spannungsquelle 12 zugeordnet sind, belastet, und da entsprechend der Nullspannungszeiger V7 lediglich die Schalter SHA, SHB, SHC, die dem hohen Potenzial der Gleichspannungsquelle 12 zugeordnet sind, belastet, kann durch eine gezielte Verteilung der Nullspannungszeiger V0, V7 eine ungleichmäßige Belastung zwischen den oberen Schaltern SHA, SHB, SHC bzw. den Freilaufdioden DHA, DHB, DHC und den unteren Schaltern SLA, SLB, SLC bzw. Freilaufdioden DLA, DLB, DLC ausgeglichen werden. Ein entsprechender Belastungswert m berechnet sich durch die Formel
wobei m der Belastungswert ist, t0 die Schaltdauer des Nullspannungszeigers V0 und t7 die Schaltdauer des Nullspannungszeigers V7. Der Belastungswert m kann folglich zwischen dem Wert 1 und dem Wert 0 eingestellt werden, wobei bei einem Wert 1 die oberen Schalter SHA, SHB, SHC bzw. die oberen Freilaufdioden DHA, DHB, DHC des Wechselrichters 10 stärker belastet werden und bei einem Wert 0 die unteren Schalter SLA, SLB, SLC bzw. unteren Freilaufdioden DLA, DLB, DLC des Wechselrichters 10 stärker belastet werden. Dies gilt speziell für die Berechnung des Belastungswertes m sofern zwei Grundspannungsraumzeiger V1–V6 und wenigstens ein Nullspannungszeiger V0, V7 verwendet wird, wie beispielsweise für eine Ansteuerungssequenz nach 3.
Generell kann auch ein allgemeiner Belastungswert lsm auf der Grundlage der allgemeinen Einschaltzeit t eines der Schalter S bestimmt werden. Dabei wird einer der Schalter S ausgewählt, wie z. B. der, der am stärksten belastet ist. Der Belastungswert lsm wird dabei für einen der Schalter SHA, SHB, SHC der oberen Seite des Wechselrichters 10 berechnet durch:
und für einen der Schalter SLA, SLB, SLC der unteren Seite des Wechselrichters 10 durch:
wobei t_min die minimal mögliche Einschaltdauer des Schalters S, t_max die maximal mögliche Einschaltdauer des Schalters S ist, um den aktuellen Spannungsraumzeiger V* einzustellen und t_on die aktuelle Einschaltdauer in der entsprechenden Pulsweitenmodulationsperiode T ist, die den aktuellen Spannungsraumzeiger V* einstellt. Dadurch entsteht ein weiterer Freiheitsgrad, um lsm einstellen zu können. Dabei ist anzumerken, dass der allgemeine Belastungswert lsm gleich bleibt, unabhängig davon welcher der Schalter zur Berechnung herangezogen wird. Dadurch kann die Belastung eines Schalters S des Wechselrichters 10 berücksichtigt werden, um einen neuen Belastungssollwert einzustellen. Dabei kann der Belastungswert m durch den allgemeinen Belastungswert lsm ersetzt werden.
In 4 ist ein Verfahren dargestellt, um den Belastungswert m auf der Grundlage einer geschätzten oder gemessenen Temperatur T_D, T_S der Schalter S und/oder der Freilaufdioden D zu bestimmen und einen neuen Belastungssollwert m einzustellen. In 4 ist das Verfahren allgemein mit 40 bezeichnet.
Als Eingangsgröße der Verfahrens 40 dienen allgemein die Temperaturen T_D, T_S der Schalter S und der Freilaufdioden D. Bei 42 wird über die Temperaturen T_D, T_S der am stärksten belastete obere Schalter SH, die am stärksten belastete obere Diode DH, der am stärksten belastete untere Schalter SL und die am stärksten belastete untere Diode DL ermittelt. Mit anderen Worten wird das jeweilige Bauelement ermittelt, das die höchste Temperatur aufweist. Aus diesen Temperaturen wird bei 44 und 46 die maximale Temperatur T_H der oberen Schalter SH oder der oberen Freilaufdioden T_H und die maximale Temperatur T_L der unteren Schalter SL oder Freilaufdioden DL ermittelt. Da die Freilaufdioden D und die Schalter S unterschiedliche Belastungsgrenzen aufweisen bzw. für unterschiedliche maximale Belastungstemperaturen ausgelegt sind, müssen für die Temperaturen T_D der Freilaufdioden D entsprechende Vergleichswerte bestimmt werden, damit sie mit den Temperaturen T_S der Schalter S verglichen werden können, und zwar mit der Formel T_DV = c·T_D wobei T_DV der Vergleichswert der Temperatur der Freilaufdiode D, T_D die Temperatur der Freilaufdiode D und der Faktor c eine Konstante sind. In einer besonderen Ausführungsform kann der Faktor c auch eine Funktion der Temperatur T_D der Freilaufdiode sein. Entsprechend wird die Temperatur T_D der Freilaufdioden D mit der oben genannten Formel faktorisiert, um die Temperaturen T_S der Schalter S und die Temperaturen T_D der Freilaufdioden D vergleichen zu können, wie es bei 48 gezeigt ist. An einem Summationspunkt 50 wird die Differenz dT zwischen der maximalen Temperatur T_H der oberen Seite und der maximalen Temperatur T_L der unteren Seite ermittelt. Bei 52 wird in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz dT ein geänderter Belastungssollwert m bestimmt, um die Temperaturdifferenz dT entsprechend auszugleichen. Sofern die Temperaturdifferenz dT > 0 ist, wird der Belastungssollwert m reduziert und sofern die Temperaturdifferenz dT < 0 ist, wird der Belastungssollwert m erhöht. In Abhängigkeit des so bestimmten Belastungssollwertes m werden bei 54 neue Einschaltdauern t0–t7 für die folgende Pulsweitenmodulationsperiode T bestimmt. Nach der neuen Pulsweitenmodulationsperiode T werden geänderte Temperaturen T_D, T_S der Schalter S und der Freilaufdioden D ermittelt, wie es bei 56 gezeigt ist und als neue Eingangsgrößen für das Verfahren 14 bereitgestellt, wie es durch die Rückführung 58 angedeutet ist. Dadurch kann auf der Grundlage der gemessenen oder geschätzten Temperatur der Schalter S und/oder der Freilaufdioden D für jede Pulsweitenmodulationsperiode T ein neuer Belastungssollwert m bestimmt werden, um die entsprechenden Schalter S und Freilaufdioden D gleichmäßig zu belasten. Durch den Vergleich der Temperatur der Bauelemente der oberen Seite und der unteren Seite und durch die Anpassung des Belastungswertes m kann somit eine gleichmäßigere Belastung der Bauelemente der oberen Seite relativ zu den Bauelementen der unteren Seite erreicht werden.
Bei 52 und 54 kann auch in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz dT eine vordefinierte Ansteuerungssequenz ausgewählt werden, wobei bei dT > 0 eine Sequenz mit einem geringen Belastungswert m ausgewählt wird und bei dT < 0 eine Sequenz mit einem höheren Belastungswert m ausgewählt wird. Dabei ist V* die diese Sequenzen einstellen jeweils gleich ist. Dadurch können die Schaltverluste in dem Wechselrichter 10 reduziert werden. Die vordefinierten Sequenzen sind vorzugsweise in einem Kennfeld gespeichert.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens 40 werden zur Bestimmung des Belastungssollwertes m anstatt der Temperaturen der Bauelemente S, D Verlustwerte verwendet, die durch Integration der Verlustleistung des jeweiligen Bauelementes S, D oder durch Integration des elektrischen Stroms I in dem jeweiligen Bauelement S, D und/oder durch Integration des Quadrates des elektrischen Stroms I² in dem jeweiligen Bauelement S, D über einen vordefinierten Zeitraum ermittelt bzw. bestimmt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens 40 werden zur Bestimmung des Belastungssollwertes m anstatt der Temperaturen der Bauelemente S, D die elektrischen Verluste P oder der elektrische Strom I in dem jeweiligen Bauelement S, D und/oder das Quadrat des elektrischen Strom I² in dem jeweiligen Bauelement S, D verwendet, die jeweils mittels eines Tiefpassfilter gefiltert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/000548 A2 [0006]
DE 10393516 T1 [0007]

Claims

Verfahren (40) zum Ansteuern eines Wechselrichters (10) mittels Raumzeigermodulation, insbesondere zum Ansteuern einer elektrischen Maschine (14), wobei der Wechselrichter (10) eine Mehrzahl von steuerbaren Schaltern (S) und eine entsprechende Mehrzahl von Freilaufdioden (D) aufweist, und der dazu ausgebildet ist, einen mehrphasigen elektrischen Strom (IU, IV, IW) und eine mehrphasige Spannung in Form von Raumzeigern (I*, U*) bereitzustellen, insbesondere um die elektrische Maschine (14) mehrphasig mit elektrischem Strom (IU, IV, IW) zu versorgen, wobei der Wechselrichter (10) angesteuert wird, um eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Schaltzuständen (V0–V7) der Schalter (S) einzurichten, wobei der Wechselrichter (10) mittels zwei Schaltzuständen (V0, V7) in einen spannungsfrei schaltenden Schaltzustand (V0, V7) geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einschaltdauer (t0–t7) der Schaltzustände (V0–V7) in Abhängigkeit eines Belastungssollwerts (m) der Schalter (S) und/oder der Freilaufdioden (D) variiert wird, und wobei der Belastungssollwert (m) in Abhängigkeit einer Temperatur (T_S, T_D) wenigstens eines der Schalter (S) und/oder einer der Freilaufdioden (D) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Belastungssollwert (m) in Abhängigkeit einer Temperaturdifferenz (dT) von zwei der Schalter (S) oder zwei der Freilaufdioden (D) oder eines der Schalter (S) und einer der Freilaufdioden (D) variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein erster der zwei Schalter (S) bzw. eine erste der zwei Freilaufdioden (D) einem hohen Versorgungsspannungspotential zugeordnet ist und ein zweiter der zwei Schalter (S) bzw. eine zweite der zwei Freilaufdioden (D) einem niedrigen Versorgungsspannungspotential zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der erste der Schalter (S) bzw. die erste der Freilaufdioden (D) das am stärksten belastete Bauteil ist, das dem hohen Versorgungsspannungspotential zugeordnet ist und der zweite der Schalter (S) bzw. die zweite der Freilaufdioden (D) das am stärksten belastete Bauteil ist, das dem niedrigen Versorgungsspannungspotential zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Einschaltdauer (t0, t7) eines ersten der spannungsfrei schaltenden Schaltzustände (V0, V7) in Abhängigkeit des Belstungsollwertes (m) variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Einschaltdauer (t0–t7) der Schaltzustände (V0–V7) innerhalb einer Pulsweitenmodulationsperiode (T) variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Einschaltdauer (t0, t7) pro Pulsweitenmodulationsperiode (T) eines ersten spannungsfrei schaltenden Schaltzustandes (V0, V7) zu einer Gesamtdauer der spannungsfrei schaltenden Schaltzustände (V0, V7) pro Pulsweitenmodulationsperiode (T) in Abhängigkeit des Belastungssollwertes (m) variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Belastungssollwert (m) schrittweise iterativ in Abhängigkeit der Temperatur (T_S, T_D) des wenigstens einen Schalters (S) und/oder der wenigstens einen Freilaufdiode (D) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Temperatur (T_S, T_D) des wenigstens einen Schalters (S) und/oder der wenigstens einen Freilaufdiode (D) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Temperatur (T_S, T_D) des wenigstens einen Schalters (S) und/oder der wenigstens einen Freilaufdiode (D) geschätzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Belastungssollwert (m) zum Einstellen des Spannungsraumzeigers (V*) oder der Stromraumzeigers (I*) in Abhängigkeit von maximal und minimal möglichen Verlusten (P_Hmax, P_Hmin) eines Schalters (S) und/oder einer Freilaufdiode (D), der bzw. die dem hohen Versorgungsspannungspotential zugeordnet sind, und in Abhängigkeit der maximal und minimal möglichen Verluste (P_Lmax, P_Lmin) eines Schalters (S) und/oder einer Freilaufdiode (D), der bzw. die dem niedrigen Versorgungsspannungspotential zugeordnet sind, bestimmt wird.
Vorrichtung (18) zum Ansteuern eines Wechselrichters (10), der eine Mehrzahl von steuerbaren Leistungsschaltern (S) und eine entsprechende Mehrzahl von Freilaufdioden (D) aufweist, die dazu angeschlossen sind, einen mehrphasigen elektrischen Strom (IU, IV, IW) und eine mehrphasige Spannung in Form von Raumzeigern (I*, V*) bereitzustellen, insbesondere um die elektrische Maschine (14) mehrphasig mit elektrischem Strom zu versorgen, mit einem Steuergerät (18), das dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter (10) derart anzusteuern, dass der Wechselrichter (10) eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Schaltzuständen der Schalter (S) annimmt, und wobei der Wechselrichter (10) zwei spannungsfrei schaltende Schaltzustände (V0, V7) annehmen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) dazu ausgebildet ist, eine Einschaltdauer (t0–t7) wenigstens eines Schaltzustandes (V0–V7) in Abhängigkeit eines Belastungssollwert (m) der Schalter (S) und/oder der Freilaufdioden (D) zu variieren, und wobei das Steuergerät (18) dazu ausgebildet ist, den Belastungssollwert (m) in Anhängigkeit einer Temperatur (T_S, T_D) wenigstens eines der Schalter (S) und/oder einer der Freilaufdioden (D) einzustellen.
Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit wenigstens einer elektrischen Maschine (14) zum Bereitstellen von Antriebsleistung, einem Wechselrichter (10) zum Ansteuern der elektrischen Maschine (14) und mit einer Vorrichtung (18) zum Ansteuern des Wechselrichters (10) nach Anspruch 12.