WO2023165658A1 - Einrichtung zur erkennung eines kurzschlusses und elektrisches antriebssystem - Google Patents

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WO2023165658A1
WO2023165658A1 PCT/DE2023/100167 DE2023100167W WO2023165658A1 WO 2023165658 A1 WO2023165658 A1 WO 2023165658A1 DE 2023100167 W DE2023100167 W DE 2023100167W WO 2023165658 A1 WO2023165658 A1 WO 2023165658A1
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short circuit
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capacitor
detecting
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PCT/DE2023/100167
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Inventor
Joachim Hemmer
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • G01R19/16576—Circuits and arrangements for comparing voltage or current with one or several thresholds and for indicating the result not covered by subgroups G01R19/16504, G01R19/16528, G01R19/16533 comparing DC or AC voltage with one threshold
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    • G01R31/58—Testing of lines, cables or conductors

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting a short circuit and an electric drive system which includes the device for detecting a short circuit.
  • electric drive units such as electric drive units of motor vehicles that can be driven by electric motors
  • power electronics for energizing and controlling the electric drive units.
  • Such power electronics are connected to a power electronic path.
  • the power electronics path usually includes a supply voltage interface on the control unit, an EMC filter, an inverter and an interface to the electric drive unit.
  • a current sensor is often installed in one of the two DC lines to detect such a short circuit.
  • the current sensor can detect a current with an unusually high amperage and thus detect a short circuit.
  • the integration of an EMC filter is necessary. However, this often means that due to the volume required by the EMC filter, only little space is available for arranging sensors.
  • the so-called common mode chokes included in the EMC filters have to be dimensioned very large, since their windings have to be designed for the high current.
  • EMC filters are not used in drive units in which only very little installation space is available.
  • a ferrite core or a core made of nanocrystalline material can be used.
  • such a core has to be wound around the line elements and accordingly also requires a large amount of installation space, which cannot always be made available.
  • Current sensors for short-circuit detection in the direct current path also take up a large amount of space, especially in the case of high currents, and thus compete with the EMC filter in terms of space.
  • the object of the present invention is to provide a device for detecting a short circuit and an electric drive system with which it is possible to detect an occurring short circuit in a simple, reliable, cost-effective and space-saving manner.
  • the invention relates to a device for detecting a short circuit in the power electronic direct current path of a control unit for an electric drive system.
  • This device comprises a capacitor between a positively polarized conducting element and a negatively polarized conducting element, and also comprises a detection device, with which, by comparing at least one value of a characteristic physical variable that changes when the voltage at the capacitor drops, with at least one reference value Statement regarding the existence of a short circuit between the positively polarized line and the negatively polarized line can be generated.
  • the device according to the invention for detecting a short circuit is correspondingly integrated in a direct current circuit.
  • the capacitor is electrically conductively connected to the positively poled conducting element and the negatively poled conducting element.
  • a respective guide element can be an electrical line or an electrical contact.
  • the device according to the invention for detecting a short circuit makes it possible to detect a short circuit between the conducting elements with little outlay in terms of equipment and correspondingly little installation space.
  • the physical variable can be the slope of the drop in voltage across the capacitor over time.
  • the angle of a tangent to a mathematical function that describes the drop in voltage across the capacitor over time at the time of detection is viewed as the slope here.
  • Uc(t) is the voltage across the capacitor as a function of time.
  • Uo is the voltage between the positively polarized conducting element and the negatively polarized conducting element.
  • t designates the course of time or the point in time at which the respective voltage Uc(t) is determined.
  • the capacitance of the capacitor Czk is known. Furthermore, a reference value of the slope of the drop in voltage across the capacitor is known, which was determined in a state of the electrical circuit in which it is known that there is no short circuit. In particular, this reference value can correspond to the maximum slope of the drop in voltage across the capacitor, ie in particular at the start of a voltage drop.
  • the detection device can be set up to measure the voltage and to derive the value of the physical quantity from it. Accordingly, it is provided for this embodiment that the voltage is measured and the slope of the drop in voltage derived from this measured value is compared with the reference value.
  • the reference value can be a calibration value of the physical quantity recorded before the comparison with the determined value of the physical quantity. If the physical quantity is the slope of the drop in voltage across the capacitor over time, then the reference value is correspondingly a reference slope.
  • the detection device can be set up to carry out the comparison of a value of the characteristic physical variable that changes when the voltage at the capacitor drops with a respective reference value at different defined points in time.
  • respective defined reference values can be assigned to the different defined points in time.
  • the respective slope between two measurement points can also be determined by linearly connecting these measurement points.
  • the slope of the voltage drop is determined in and/or between time measurement points, a decision can be made regarding the existence of a short circuit by comparing the number of situations in which the determined slope is greater than the reference slope with a previously specified limit number become.
  • the detection device can be set up to only carry out the comparison of a value of the physical variable with a reference value when the voltage across the capacitor has dropped to a value below a defined limit voltage across the capacitor.
  • the defined limit voltage can be 37% of the nominal voltage at the capacitor, for example.
  • the device according to the invention for detecting a short circuit makes it possible to carry out a method for quickly detecting a short circuit in the DC circuit of the power electronic path.
  • the detection of the short circuit is independent of whether direct current is provided to an electric drive motor for its operation, or whether the electric drive motor in generator mode converts mechanical energy into alternating current and this is in turn converted into direct current and made available by the inverter. In both cases, there is a DC voltage between the conducting elements between which the capacitor is arranged, so that the device according to the invention for detecting a short circuit can detect such a short circuit by detecting the voltage drop in the intermediate circuit.
  • a further aspect of the present invention is an electric drive system with a control device and at least one electric drive unit that can be controlled with the control device. Furthermore, the electric drive system comprises at least one device according to the invention for detecting a short circuit in the power electronic direct current path of the control device.
  • the electric drive system can have an inverter for converting the direct current provided by the control device into alternating current and alternating current for operating the electric drive unit.
  • the electric drive system is set up to drive an at least partially drivable motor vehicle. Short circuits can be detected both in engine operation and in generator operation or when recuperation is implemented.
  • the electric drive system can include a safety device which is set up to disconnect a current path between a voltage source and the electric drive unit when a short circuit is detected.
  • Other components of the electric drive system in the electronic power path can be a supply voltage interface on the control unit, an EMC filter and an electrical interface to an electric drive unit.
  • the electrical power can be up to 30 kW, for example up to 24 kW. With a 48 V supply of the electronic power path, this means currents of around 500 A. It is also possible to apply a voltage of 400 - 800 V at 500 A, and thus a power of up to 400 kW, e.g. B. in electric drives for sports vehicles.
  • the electric drive system can have the components mentioned without a current sensor on the DC side of the inverter. In this Embodiment, it makes sense to use three current sensors on the AC side of the inverter. This embodiment in particular makes it possible to integrate an adequately dimensioned EMC filter.
  • Figure 1 a possible structure of a device according to the invention
  • Figure 2 a diagram showing a typical voltage drop
  • FIG. 3 a diagram which shows a voltage drop in the device according to the invention for detecting a short circuit over a longer period of time
  • FIG. 4 a diagram which shows a voltage drop in the device according to the invention for detecting a short circuit over a shorter period of time.
  • FIG. 1 shows the power electronic architecture.
  • the device for detecting a short circuit or the electrical drive system comprises a control unit 1 which is connected to a supply voltage interface 3 by means of a positively polarized conducting element 4 and a negatively polarized conducting element 5 .
  • the two guide elements 4.5 form a direct current path 6.
  • a current sensor 7 in the negatively poled conducting element 5 which, however, does not necessarily have to be provided.
  • an EMC filter 8 is arranged in the direct current path 6 as part of the control unit 1 .
  • Figure 1 also indicates a short circuit 9 between the two guide elements 4.5.
  • a capacitor 10 is also located in the direct current path 6 .
  • a detection device 11 is assigned to the capacitor 10 and is able to detect a voltage drop across the capacitor 10 .
  • an inverter 12 is arranged in the control unit 1 for converting the direct current from the direct current path 6 into alternating current in order to then make this alternating current available to an electric drive unit 14 of the electric drive system via an electric interface 13 .
  • At least the capacitor 10 together with the detection device 11 forms the device for detecting a short circuit 2 .
  • a typical discharge curve has the course of a mathematical function 20, as is shown in FIG. 2 by way of example.
  • the mathematical function 20 is an e-function of the electrical voltage Uc over time t.
  • the capacitance of the capacitor Czk is decisive for determining the time constant Tau, as well as an equivalent existing resistance or the resistance at the capacitor R tot . If there is no short circuit 9, the resistance R tot is greater than a specific value. This value can be determined for control unit 1, for example, by a calibration process, for example by measuring the time constant Tau for various operating points.
  • This low resistance is connected in parallel with the previous resistance R ges and significantly reduces it, as a result of which the voltage across the capacitor 10 drops much faster than in situations in which there is no short circuit.
  • the drop in voltage or the slope of the drop in voltage is used to determine whether there is a short circuit.
  • a detected voltage drop or its increase is compared with a reference value that is characteristic of a situation in which there is no short circuit. If the gradient exceeds the reference value, a short circuit is detected in the system.
  • a command is generated from the detection of a short circuit, which command switches the control unit or the entire electric drive system to a safe state.
  • FIG. 3 shows the voltage across the capacitor 31 in a diagram. Within a period of 1 s, there is a sudden drop in system voltage or
  • FIG. 4 shows the region A identified in FIG. 3 in an enlarged view.
  • the capacitor first discharges slowly, namely between 1.0 s and 1.00005 s, and then discharges more quickly because of the switched-on short circuit. If one now compares the value of the intermediate circuit voltage with previously determined reference values, a very rapid drop is noticed and a short circuit is detected.
  • the respective slope of the mathematical function 20 representing the voltage across the capacitor 31 is to be determined at defined points in time.
  • the slope here corresponds to the angle 22 between a tangent 21 applied to the mathematical function 20 and the abscissa of the coordinate system or the t-axis.
  • more than two points in time should be used to determine the slope in order to exclude or reduce measurement errors.
  • a high sampling rate is particularly recommended for systems with a PWM frequency of up to 20 kHz.
  • a higher PWM frequency e.g. B.
  • the presented method and the device according to the invention is also suitable, since faster scanning is possible there.
  • the device according to the invention is suitable for power electronics with a large capacitor capacity, since the voltage drops very slowly here and correspondingly many measuring points can be recorded in order to carry out an evaluation.
  • the current sensor shown in FIG. 1 is not absolutely necessary in the embodiment shown here.
  • the device according to the invention for detecting a short circuit or the electric drive system according to the invention can also do without such a current sensor 7 instead.
  • the arrangement of the current sensor 7 is recommended for systems with a high safety level, such as for example for autonomous driving, in order to implement a second short-circuit monitoring using the current sensor 7 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses und ein elektrisches Antriebssystem, welches die Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses umfasst. Die Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses (2) im leistungselektronischen Gleichstrom-Pfad (6) eines Steuergeräts (1) für ein elektrisches Antriebssystem umfasst zwischen einem positiv gepolten Leitelement (4) und einem negativ gepolten Leitelement (5) einen Kondensator (10), und umfasst weiterhin eine Detektionseinrichtung (11), mit der durch Vergleich wenigstens eines Wertes einer sich bei einem Abfall der Spannung am Kondensator (31) ändernden charakteristischen physikalischen Größe mit wenigstens einem Referenzwert eine Aussage hinsichtlich des Bestehens eines Kurzschlusses (9) zwischen der positiv gepolten Leitung (4) und der negativ gepolten Leitung (5) generierbar ist. Mit der hier vorgeschlagenen Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses sowie mit dem elektrischen Antriebssystem werden Einrichtungen zur Verfügung gestellt, mit denen in einfacher, sicherer, kostengünstiger und bauraumsparender Weise die Detektion eines auftretenden Kurzschlusses möglich ist.

Description

Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses und elektrisches Antriebssystem
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses und ein elektrisches Antriebssystem, welches die Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses umfasst.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass elektrische Antriebseinheiten, wie zum Beispiel elektrische Antriebseinheiten von elektromotorisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, eine Leistungselektronik aufweisen, zur Bestromung sowie Ansteuerung der elektrischen Antriebseinheiten. Eine derartige Leistungselektronik ist an einen leistungselektronischen Pfad angebunden. Üblicherweise umfasst der leistungselektronische Pfad eine Versorgungsspannungsschnittstelle am Steuergerät, einen EMV-Filter, einen Inverter sowie eine Schnittstelle zur elektrischen Antriebseinheit.
Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass auf der Gleichstrom-Seite des Inverters ein Kurzschluss zwischen einem elektrisch positiv gepolten Leitungselement und einem elektrisch negativ gepolten Leitungselement auftritt.
Zur Erkennung eines derartigen Kurzschlusses wird oftmals ein Stromsensor in einer der beiden Gleichstrom-Leitungen eingebaut. Der Stromsensor kann einen Strom mit ungewöhnlich hoher Stromstärke erkennen und somit einen Kurzschluss detektieren. Insbesondere bei der Anwendung in elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen bestehen strenge Restriktionen hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Bauraums. Um Grenzwerte einzuhalten, die im Automotive-Sektor vorgeschrieben sind, ist die Integration eines EMV Filters notwendig. Dies führt jedoch oftmals dazu, dass aufgrund des vom EMV-Filter benötigten Volumens nur noch wenig Raum zur Verfügung steht, um Sensoren anzuordnen. Jedoch müssen bei anliegenden Stromstärken von bis zu 500 A die von den EMV-Filtern umfassten sogenannten Common Mode Chokes sehr groß dimensioniert sein, da deren Wicklungen für die hohe Stromstärke ausgelegt sein müssen. Entsprechend entfallen derartige EMV- Filter in Antriebseinheiten, in denen nur sehr wenig Bauraum zur Verfügung steht. Als Alternative hinsichtlich der Common Mode Chokes kann ein Ferritkern oder ein Kem aus nanokristallinem Material verwendet werden. Allerdings muss ein solcher Kem um die Leitungselemente gewickelt werden und benötigt entsprechend ebenfalls einen großen Bauraum, der nicht immer zur Verfügung gestellt werden kann. Stromsensoren zur Kurzschlusserkennung im Gleichstrom-Pfad nehmen ebenfalls und besonders bei hohen Strömen einen großen Bauraum in Anspruch und konkurrieren so hinsichtlich des Bauraums mit dem EMV-Filter.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses sowie ein elektrisches Antriebssystem zur Verfügung zu stellen, mit denen in einfacher, sicherer, kostengünstiger und bauraumsparender Weise die Detektion eines auftretenden Kurzschlusses möglich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses gemäß Anspruch 1 sowie durch das elektrische Antriebssystem gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben. Eine vorteilhafte Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems ist im Anspruch 10 angegeben.
Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses im leistungselektronischen Gleichstrom-Pfad eines Steuergeräts für ein elektrisches Antriebssystem. Diese Einrichtung umfasst zwischen einem positiv gepolten Leitelement und einem negativ gepolten Leitelement einen Kondensator, und umfasst weiterhin eine Detektionseinrichtung, mit der durch Vergleich wenigstens eines Wertes einer sich bei einem Abfall der Spannung am Kondensator ändernden charakteristischen physikalischen Größe mit wenigstens einem Referenzwert eine Aussage hinsichtlich des Bestehens eines Kurzschlusses zwischen der positiv gepolten Leitung und der negativ gepolten Leitung generierbar ist.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses ist entsprechend in einem Gleichstrom-Stromkreis integriert.
Der Kondensator ist elektrisch leitfähig mit dem positiv gepolten Leitelement und dem negativ gepolten Leitelement verbunden. Dabei kann ein jeweiliges Leitelement eine elektrische Leitung sein, oder ein elektrischer Kontakt.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses ermöglicht mit geringem gerätetechnischem Aufwand und entsprechend geringem Bauraumbedarf die Erkennung eines Kurzschlusses zwischen den Leitelementen.
Insbesondere kann die physikalische Größe die Steigung des Abfalls der Spannung am Kondensator über der Zeit sein.
Als Steigung wird hier der Winkel einer Tangente an einer mathematischen Funktion, die den Abfall der Spannung am Kondensator über der Zeit beschreibt, im Detektionszeitpunkt angesehen.
Überschreitet die Steigung den Referenzwert der Steigung, wird ein Kurzschluss erkannt.
Es gilt die Bedingung:
Uc(t) = Uo * e_t/Tau
Uc(t) ist die Spannung am Kondensator in Abhängigkeit von der Zeit.
Uo ist die Spannung zwischen dem positiv gepolten Leitelement und dem negativ gepolten Leitelement.
Dabei bezeichnet t den Zeitverlauf bzw. den Zeitpunkt der Ermittlung der jeweiligen Spannung Uc(t).
Tau ist eine Zeitkonstante beim Abklingen der Spannung, wobei gilt: Tau = Rges * Czk. Rges ist der Widerstand am Kondensator; und Czk ist die Kapazität des Kondensators. Das bedeutet, dass die Spannung am Kondensator Uc(t) exponentiell abklingt, und zwar in Abhängigkeit von der Zeitkonstante Tau. Diese Zeitkonstante Tau ist wiederum abhängig vom Widerstand am Kondensator Rges sowie von der Kapazität des Kondensators Czk.
Die Kapazität des Kondensators Czk ist bekannt. Des Weiteren ist ein Referenzwert der Steigung des Abfalls der Spannung am Kondensator bekannt, der in einem Zustand der elektrischen Schaltung ermittelt wurde, von dem bekannt ist, dass kein Kurzschluss vorliegt. Insbesondere kann dieser Referenzwert der maximalen Steigung des Abfalls der Spannung am Kondensator entsprechen, also insbesondere bei Beginn eines Spannungsabfalls.
Wird nun ein starker Abfall der Spannung am Kondensator llc(t) erkannt, dessen Steigung größer ist als der Referenzwert der Steigung, so wird das Vorliegen eines Kurzschlusses erkannt.
Die Detektionseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Spannung zu messen und den Wert der physikalischen Größe daraus abzuleiten. Entsprechend ist für diese Ausführungsform vorgesehen, dass eine Messung der Spannung und ein Vergleich der aus diesem Messwert abgeleiteten Steigung des Abfalls der Spannung mit dem Referenzwert stattfindet.
Der der Referenzwert kann ein vor dem Vergleich mit dem ermittelten Wert der physikalischen Größe erfasster Kalibrierungswert der physikalischen Größe sein. Wenn die physikalische Größe die Steigung des Abfalls der Spannung am Kondensator über der Zeit ist, dann ist der Referenzwert entsprechend eine Referenzsteigung.
Weiterhin kann die Detektionseinrichtung dazu eingerichtet sein, zu unterschiedlichen definierten Zeitpunkten den Vergleich eines Wertes der sich bei einem Abfall der Spannung am Kondensator ändernden charakteristischen physikalischen Größe mit einem jeweiligen Referenzwert durchzuführen.
Dabei können den unterschiedlichen definierten Zeitpunkten jeweilige definierte Referenzwerte zugeordnet sein.
Entsprechend ist vorgesehen, dass der Vergleich eines Wertes der sich bei einem Abfall der Spannung am Kondensator ändernden charakteristischen physikalischen Größe zu einem definierten Zeitpunkt mit einem diesem Zeitpunkt zugeordneten Referenzwert erfolgt. Ab einem ersten Zeitpunkt, an dem ein erster Vergleich durchgeführt wird, können weitere Zeitpunkte zum Beispiel in einem Abstand von 0,01 ms definiert sein.
Dabei können alle oder auch einzelne in den einzelnen Zeitpunkten erfassten Steigungen zur Generierung einer Aussage hinsichtlich des Bestehens eines Kurzschlusses erfasst und verwertet werden.
In alternativer Ausführungsform oder hinzukommend kann auch die jeweilige Steigung zwischen zwei Messpunkten ermittelt werden, durch lineare Verbindung dieser Messpunkte.
Wenn in und/ oder zwischen zeitlichen Messpunkten die Steigung des Spannungsabfalls bestimmt wird, kann durch Vergleich der Anzahl der Situationen, in denen die ermittelte Steigung größer ist als die Referenzsteigung, mit einer vorher festgelegten Grenz-Anzahl bestimmt werden, hinsichtlich der Existenz eines Kurzschlusses entschieden werden.
Sind beispielsweise vier Messungen vorgenommen worden und in drei Messungen erkannt worden, dass die Steigung des Spannungsabfalls größer ist als die Referenzsteigung, und ist die vorher festgelegte Grenz-Anzahl zwei, so wird das Vorliegen eines Kurzschlusses erkannt.
Sollte jedoch die Grenz-Anzahl drei betragen, so wird keine Information hinsichtlich des Vorliegens eines Kurzschlusses generiert.
Weiterhin kann die Detektionseinrichtung dazu eingerichtet sein, den Vergleich eines Wertes der physikalischen Größe mit einem Referenzwert erst durchzuführen, wenn die Spannung am Kondensator auf einen Wert unterhalb einer definierten Grenzspannung am Kondensator gesunken ist.
Die definierte Grenzspannung kann beispielsweise 37% der Nennspannung am Kondensator betragen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses ermöglicht die Durchführung eines Verfahrens zur schnellen Kurzschlusserkennung im Gleichstromkreis des leistungselektronischen Pfades. Die Erkennung des Kurzschlusses ist dabei unabhängig davon, ob Gleichstrom einem elektrischen Antriebsmotor zu dessen Betrieb zur Verfügung gestellt wird, oder aber ob der elektrische Antriebsmotor im Generatorbetrieb mechanische Energie in Wechselstrom umwandelt und dieser vom Inverter wiederum in Gleichstrom umgewandelt und zur Verfügung gestellt wird. In beiden Fällen existiert eine Gleichspannung zwischen den Leitelementen, zwischen denen der Kondensator angeordnet ist, sodass durch die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses ein solcher durch Detektion des Spannungsabfalls am Zwischenkreis detektierbar ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisches Antriebssystem mit einem Steuergerät und zumindest einer mit dem Steuergerät steuerbaren elektrischen Antriebseinheit. Des Weiteren umfasst das elektrische Antriebssystem zumindest eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses im leistungselektronischen Gleichstrom-Pfad des Steuergeräts.
Des Weiteren kann das elektrische Antriebssystem einen Inverter aufweisen, zur Umwandlung der mit dem Steuergerät bereitgestellten Gleichspannung in Wechselspannung und Wechselstrom zum Betrieb der elektrischen Antriebseinheit. Insbesondere ist das elektrische Antriebssystem zum Antrieb eines zumindest teilweise antreibbaren Kraftfahrzeugs eingerichtet. Dabei können Kurzschlüsse sowohl im Motorbetrieb, als auch im Generatorbetrieb bzw. bei einer realisierten Rekuperation erkannt werden.
Das elektrische Antriebssystem kann eine Sicherheitseinrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, bei Erkennung eines Kurzschlusses einen Strompfad zwischen einer Spannungsquelle und der elektrischen Antriebseinheit zu trennen.
Weitere Bestandteile des elektrischen Antriebssystems können im leistungselektronischen Pfad eine Versorgungsspannungsschnittstelle am Steuergerät, ein EMV-Filter sowie eine elektrische Schnittstelle zu einer elektrischen Antriebseinheit sein. Die elektrische Leistung kann bis zu 30 kW, beispielsweise bis zu 24 kW betragen. Dies bedeutet bei 48 V Versorgung des leistungselektronischen Pfades Ströme von etwa 500 A. Ebenfalls ist die Anlage einer Spannung von 400 - 800 V bei 500 A möglich, und damit einer Leistung bis zu 400 kW, z. B. bei Elektroantrieben für Sportfahrzeuge.
Das elektrische Antriebssystem kann dabei die genannten Komponenten aufweisen, ohne einen Stromsensor auf der Gleichstrom-Seite des Inverters. In dieser Ausführungsform bietet es sich an, auf der Wechselstrom-Seite des Inverters drei Stromsensoren zu verwenden. Insbesondere diese Ausführungsform ermöglicht es, einen ausreichend dimensionierten EMV- Filter zu integrieren.
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
Figur 1 : einen möglichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur
Erkennung eines Kurzschlusses in einem elektrischen Antriebssystem,
Figur 2: ein Diagramm, welches einen typischen Spannungsabfall darstellt,
Figur 3: ein Diagramm, welches einen Spannungsabfall in der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses über einen längeren Zeitraum darstellt, und
Figur 4: ein Diagramm, welches einen Spannungsabfall in der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses über einen kürzeren Zeitraum darstellt.
Zunächst wird der Aufbau der Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses und des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems anhand von Figur 1 erläutert, die die leistungselektronische Architektur darstellt.
Hier ist ersichtlich, dass die Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses bzw. das elektrische Antriebssystem ein Steuergerät 1 umfasst, welches an eine Versorgungsspannungsschnittstelle 3 mittels eines positiv gepolten Leitelements 4 und eines negativ gepolten Leitelements 5 angeschlossen ist. Die beiden Leitelemente 4,5 bilden einen Gleichstrom-Pfad 6 aus. In der hier dargestellten Ausführungsform befindet sich im negativ gepolten Leitelement 5 ein Stromsensor 7, der jedoch nicht zwingend vorgesehen sein muss. Weiterhin ist als Bestandteil des Steuergeräts 1 ein EMV-Filter 8 in Gleichstrom-Pfad 6 angeordnet.
Figur 1 deutet hier zusätzlich einen Kurzschluss 9 zwischen den beiden Leitelementen 4,5 an. Ebenfalls im Gleichstrom-Pfad 6 befindet sich ein Kondensator 10. Dem Kondensator 10 ist eine Detektionseinrichtung 11 zugeordnet, die in der Lage ist, einen Spannungsabfall am Kondensator 10 zu erfassen. Des Weiteren ist in dem Steuergerät 1 ein Inverter 12 angeordnet, zur Umwandlung des Gleichstroms aus dem Gleichstrom-Pfad 6 in Wechselstrom, um dann über eine elektrische Schnittstelle 13 diesen Wechselstrom einer elektrischen Antriebseinheit 14 des elektrischen Antriebssystems zur Verfügung zu stellen.
Wenigstens der Kondensator 10 zusammen mit der Detektionseinrichtung 11 bildet dabei die Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses 2 aus.
Die Funktionsweise der Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses 2 wird anhand der Figuren 2-4 erläutert.
Eine typische Entladekurve hat den Verlauf einer mathematischen Funktion 20, wie sie beispielhaft in Figur 2 gezeigt ist. Hier ist die mathematische Funktion 20 eine e- Funktion der elektrischen Spannung Uc über der Zeit t.
In einem Fall, in dem im System kein Kurzschluss besteht, sinkt die Spannung beim Abschalten einer Spannungsquelle ab. Dies kann der Fall sein, wenn beispielsweise eine Batterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs vom System getrennt wird, oder aber auch wenn eine elektrische Antriebseinheit, welche als Generator betrieben wird, den Rekuperationsbetrieb einstellt. Ebenfalls ist aber auch ein Spannungsabfall zu verzeichnen, wenn der Kondensator 10 kurzgeschlossen wird.
Allerdings sind in beiden Fällen die Steigungen der den Spannungsabfall darstellenden mathematischen Funktionen unterschiedlich.
Eine solche-Funktion klingt mit der Zeitkonstanten Tau= Rges * Czk ab.
Das bedeutet, dass hier die Kapazität des Kondensators Czk maßgeblich für die Bestimmung der Zeitkonstanten Tau ist, sowie ein äquivalenter existierender Widerstand bzw. der Widerstand am Kondensator Rges. Liegt nun kein Kurzschluss 9 an, so ist der Widerstand Rges größer als ein bestimmter Wert. Dieser Wert kann beispielsweise durch einen Kalibriervorgang, etwa durch Messung der Zeitkonstanten Tau für verschiedene Arbeitspunkte, für das Steuergerät 1 ermittelt werden.
Liegt nun ein Kurzschluss 9 parallel zum Kondensator 10 an, wie in Figur 1 angedeutet, so ändert sich die Zeitkonstante Tau stark.
Es ist davon auszugehen, dass im Falle der Existenz eines Kurzschlusses 9 ein sehr kleiner Widerstand parallel zum Kondensator 10 existiert, welcher beispielsweise weniger als 10 mOhm beträgt. Dieser Widerstand kann beispielsweise zwischen 1 mOhm, 5 mOhm und 10 mOhm variieren.
Dieser geringe Widerstand ist dem bisherigen Widerstand Rges parallelgeschaltet und reduziert diesen deutlich, dadurch sinkt die Spannung am Kondensator 10 wesentlich schneller ab als in Situationen, in denen kein Kurzschluss vorhanden ist.
Der Abfall der Spannung bzw. die Steigung des Abfalls der Spannung wird genutzt, um festzustellen, ob ein Kurzschluss vorhanden ist.
Ein detektierter Spannungsabfall bzw. dessen Steigung wird mit einem Referenzwert verglichen, der charakteristisch ist für eine Situation, in der kein Kurzschluss vorhanden ist. Überschreitet die Steigung den Referenzwert, dann wird im System ein Kurzschluss detektiert. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass aus der Erkennung eines Kurzschlusses ein Befehl generiert wird, welcher das Steuergerät bzw. das gesamte elektrische Antriebssystem in einen sicheren Zustand schaltet.
Figur 3 zeigt in einem Diagramm den der Spannung am Kondensator 31 . Es ist hier bei einer Zeit von 1 s ein schlagartiger Abfall einer Systemspannung bzw.
Batteriespannung zu verzeichnen.
Eine Folge davon ist eine Minderung der
Spannung am Kondensator 31, wie anhand von Figur 4 beschrieben wird. Zur besseren Verdeutlichung des Abfall-Verhaltens der Spannung am Kondensator 31 zeigt Figur 4 den in Figur 3 gekennzeichneten Bereich A in einer vergrößerten Ansicht.
In Figur 4 ist ersichtlich, dass nach dem Abfall der Systemspannung im Punkt ti bei t = 1 ,0 s die Spannung am Kondensator 31 über eine Zeitspanne von 0,05 ms nahezu linear abfällt, bis zum Punkt t2bei einer Zeit von t = 1 ,00005 s. Danach erfolgt ein exponentieller Spannungsabfall, wie durch die mehreren Graphen, die für unterschiedliche Entladungssituationen den Abfall der Spannung am Kondensator 31 symbolisieren sollen, dargestellt ist.
Dies deutet auf die Existenz eines Kurzschlusses hin.
In den Figuren 3 und 4 ist also zu erkennen, dass sich der Kondensator erst langsam entlädt, nämlich zwischen 1 ,0 s und 1 ,00005 s und dann aufgrund des zugeschalteten Kurzschlusses schneller entlädt. Vergleicht man nun jeweils den Wert der Zwischenkreisspannung mit vorher ermittelten Referenzwerten, so fällt ein sehr schneller Abfall auf und es wird ein Kurzschluss detektiert.
Die jeweilige Steigung der die Spannung am Kondensator 31 darstellenden mathematischen Funktion 20 ist zu definierten Zeitpunkten zu ermitteln. Die Steigung entspricht hier dem Winkel 22 zwischen einer an die mathematische Funktion 20 angelegten Tangente 21 und der Abszisse des Koordinatensystems bzw. der t-Achse. Zur Ermittlung der Steigung sollten in einer vorteilhaften Ausführungsform mehr als zwei Zeitpunkte herangezogen werden, um Messfehler auszuschließen bzw. zu reduzieren. Eine hohe Abtastrate ist insbesondere bei Systemen mit bis zu 20 kHz PWM Frequenz zu empfehlen. Für Systeme mit einer höheren PWM Frequenz, z. B. für Systeme mit Siliziumkarbid- oder Galliumnitrid-Halbleitern eignet sich das vorgestellte Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Einrichtung ebenfalls, da dort eine schnellere Abtastung möglich ist.
Außerdem eignet sich die erfindungsgemäße Einrichtung für Leistungselektroniken mit großer Kondensator-Kapazität, da hier die Spannung sehr langsam abfällt und dementsprechend viele Messpunkte aufgenommen werden können, um eine Bewertung durchzuführen.
Wie oben erwähnt, ist der in Figur 1 dargestellte Stromsensor in der hier dargestellten Ausführungsform nicht zwingend notwendig. Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses bzw. das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem kann stattdessen auch auf einen derartigen Stromsensor 7 verzichten. Die Anordnung des Stromsensors 7 ist jedoch für Systeme mit einem hohen Sicherheitslevel, wie zum Beispiel für autonomes Fahren, zu empfehlen, um mit dem Stromsensor 7 eine zweite Kurzschluss-Überwachung zu implementieren.
Mit der hier vorgeschlagenen Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses sowie mit dem elektrischen Antriebssystem werden Einrichtungen zur Verfügung gestellt, mit denen in einfacher, sicherer, kostengünstiger und bauraumsparender Weise die Detektion eines auftretenden Kurzschlusses möglich ist.
Bezuqszeichenliste
1 Steuergerät
2 Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses
3 Versorgungsspannungsschnittstelle
4 positiv gepoltes Leitelement
5 negativ gepoltes Leitelement
6 Gleichstrom-Pfad
7 Stromsensor
8 EMV-Filter
9 Kurzschluss
10 Kondensator
11 Detektionseinrichtung
12 Inverter
13 elektrische Schnittstelle
14 elektrische Antriebseinheit
20 mathematischen Funktion
21 Tangente
22 Winkel
31 Spannung am Kondensator ti Zeitpunkt Wegfall Systemspannung t2 Zeitpunkt Detektion Kurzschluss

Claims

Patentansprüche Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses (2) im leistungselektronischen Gleichstrom-Pfad (6) eines Steuergeräts (1 ) für ein elektrisches Antriebssystem, umfassend zwischen einem positiv gepolten Leitelement (4) und einem negativ gepolten Leitelement (5) einen Kondensator (10), sowie umfassend eine Detektionseinrichtung (11 ), mit der durch Vergleich wenigstens eines Wertes einer sich bei einem Abfall der Spannung am Kondensator (31 ) ändernden charakteristischen physikalischen Größe mit wenigstens einem Referenzwert eine Aussage hinsichtlich des Bestehens eines Kurzschlusses (9) zwischen der positiv gepolten Leitung (4) und der negativ gepolten Leitung (5) generierbar ist. Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Größe die Steigung des Abfalls der Spannung am Kondensator (31 ) über der Zeit ist. Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (11 ) dazu eingerichtet ist, die Spannung am Kondensator zu messen und den Wert der physikalischen Größe daraus abzuleiten. Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert ein vor dem Vergleich mit dem ermittelten Wert der physikalischen Größe erfasster Kalibrierungswert der physikalischen Größe ist. Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (11 ) dazu eingerichtet ist, zu unterschiedlichen definierten Zeitpunkten den Vergleich eines Wertes der sich bei einem Abfall der Spannung am Kondensator (31 ) ändernden charakteristischen physikalischen Größe mit einem jeweiligen Referenzwert durchzuführen. Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den unterschiedlichen definierten Zeitpunkten jeweilige definierte Referenzwerte zugeordnet sind. Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (11 ) dazu eingerichtet ist, den Vergleich eines Wertes der physikalischen Größe mit einem Referenzwert erst durchzuführen, wenn die Spannung am Kondensator (31) auf einen Wert unterhalb einer definierten Grenzspannung am Kondensator gesunken ist. Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Grenzspannung 37% der Nennspannung am Kondensator beträgt. Elektrisches Antriebssystem, umfassend ein Steuergerät und zumindest eine mit dem Steuergerät 1 steuerbare elektrische Antriebseinheit (14) sowie zumindest eine Einrichtung zur Erkennung eines Kurzschlusses (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 im leistungselektronischen Gleichstrom -Pfad (6) des Steuergeräts (1). Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Antriebssystem eine Sicherheitseinrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, bei Erkennung eines Kurzschlusses (9) einen Strompfad zwischen einer Spannungsquelle und der elektrischen Antriebseinheit (14) zu trennen.
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