DE-102024205622-B4 - Verfahren zum Betrieb eines N-Level-Inverters, System zur Datenverarbeitung, Computerprogramm und computerlesbares Medium

Abstract

Verfahren (20) zum Betrieb eines N-Level-Inverters (7), umfassend folgende Schritte: - Empfangen von Daten, die repräsentativ sind für einen Defekt an dem N-Level-Inverter (7) oder an einer elektrischen Energiequelle, die den N-Level-Inverter (7) mit elektrischer Energie versorgt, und die zwei in Serie geschaltete Batteriestränge (6a, 6b) umfasst, wobei N≥3 entspricht, - Feststellen eines Defekts am N-Level-Inverter (7) oder an der Energiequelle in Abhängigkeit der empfangenen Daten, - Veranlassen eines Betriebs des N-Level-Inverters (7) als X-Level-Inverter, in Reaktion auf das Feststellen des Defekts, wobei X<N sowie X≥2 entspricht, wobei bei einem Defekt an einem der Batteriestränge (6a, 6b) der defekte Batteriestrang elektrisch vom dem N-Level- Inverter (7) und/oder von nicht verwendeten Leistungshalbleitern von Haupt-Halbbrücken des N-Level-Inverters getrennt wird, wobei die elektrische Trennung mittels eines dafür vorgesehenen Schützes (12a, 12b, 12c) ausgeführt wird.

Inventors

• Markus Hövermann
• Ayman Ayad

Assignees

• Schaeffler Technologies AG & Co. KG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20240618

Claims (16)

1. Verfahren (20) zum Betrieb eines N-Level-Inverters (7), umfassend folgende Schritte: - Empfangen von Daten, die repräsentativ sind für einen Defekt an dem N-Level-Inverter (7) oder an einer elektrischen Energiequelle, die den N-Level-Inverter (7) mit elektrischer Energie versorgt, und die zwei in Serie geschaltete Batteriestränge (6a, 6b) umfasst, wobei N≥3 entspricht, - Feststellen eines Defekts am N-Level-Inverter (7) oder an der Energiequelle in Abhängigkeit der empfangenen Daten, - Veranlassen eines Betriebs des N-Level-Inverters (7) als X-Level-Inverter, in Reaktion auf das Feststellen des Defekts, wobei X<N sowie X≥2 entspricht, wobei bei einem Defekt an einem der Batteriestränge (6a, 6b) der defekte Batteriestrang elektrisch vom dem N-Level- Inverter (7) und/oder von nicht verwendeten Leistungshalbleitern von Haupt-Halbbrücken des N-Level-Inverters getrennt wird, wobei die elektrische Trennung mittels eines dafür vorgesehenen Schützes (12a, 12b, 12c) ausgeführt wird.
2. Verfahren (20) nach Anspruch 1 , wobei es sich bei dem Defekt am N-Level-Inverter (7) um einen Defekt an einer Halbbrücke des N-Level-Inverters (7) oder eines Leistungshalbleiterschalters (11a-11f) einer Halbbrücke des N-Level-Inverters (7) handelt.
3. Verfahren (20) nach Anspruch 1 oder 2 , wobei es sich bei der Energiequelle um eine Gleichspannungsquelle handelt, die mindestens zwei in Serie geschaltete Batteriestränge (6a, 6b) umfasst, die jeweils mindestens einen Batteriepack (6) umfassen.
4. Verfahren (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem Defekt an der Energiequelle um einen Defekt an einem Batteriepack (6) oder Batteriestrang (6a, 6b) der Energiequelle handelt.
5. Verfahren (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem N-Level-Inverter (7) um einen 3-Level-Inverter handelt und wobei es sich bei dem X-Level-Inverter um einen 2-Level-Inverter handelt.
6. Verfahren (20) nach Anspruch 5 , wobei es sich bei dem 3-Level-Inverter (7) um einen 3-Level-Inverter mit t-Form-Architektur handelt.
7. Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 5 oder 6 , wobei der 3-Level-Inverter drei Haupt-Halbrücken (10) mit jeweils zwei Leistungshalbleiterschaltern (11a-11f) umfasst, wobei jeweils einer der jeweils zwei Leistungshalbleiterschalter (11a, 11b, 11c) als High-Side-Schalter ausgebildet und ielektrisch mit einem positiven elektrischen Potential der Energiequelle verbunden sind, wobei die jeweils anderen Leistungshalbleiterschalter (11d, 11e, 11f) als Low-Side-Schalter ausgebildet und jeweils elektrisch mit einem negativen elektrischen Potential der Energiequelle verbunden sind.
8. Verfahren (20) nach Anspruch 6 oder 7 , wobei der 3-Level-Inverter im t-Zweig der t-Form-Architektur drei Leistungshalbleiterschalterpaare (9) umfasst, wobei die drei Leistungshalbleiterschalterpaare (9) jeweils antiseriell zueinander geschalten sind, wobei die Leistungshalbleiterschalterpaare (9) einerseits jeweils elektrisch mit einem Neutral-Knoten (13) der Energiequelle verbunden sind, wobei das erste Leistungshalbleiterschalterpaar (9) der drei Leistungshalbleiterschalterpaare (9) andererseits mit einem ersten Knoten (15a) elektrisch verbunden ist, wobei sich der erste Knoten (15a) elektrisch zwischen zwei Leistungshalbleiterschaltern (11a, 11d) der ersten Haupt-Halbbrücke (10) befindet, wobei das zweite Leistungshalbleiterschalterpaar (9) der drei Leistungshalbleiterschalterpaare (9) andererseits mit einem zweiten Knoten (15b) elektrisch verbunden ist, wobei sich der zweite Knoten (15b) elektrisch zwischen zwei Leistungshalbleiterschaltern (11b, 11e) der zweiten Haupt-Halbbrücke (10) befindet, wobei das dritte Leistungshalbleiterschalterpaar (9) der drei Leistungshalbleiterschalterpaare (9) andererseits mit einem dritten Knoten (15c) elektrisch verbunden ist, wobei sich der dritte Knoten (15c) elektrisch zwischen zwei Leistungshalbleiterschaltern (11c, 11f) der dritten Haupt-Halbbrücke (10) befindet.
9. Verfahren (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Betrieb als X-Level-Inverter (7), in Reaktion auf das Feststellen eines Defekts an einem Batteriestrang (6a, 6b) der Energiequelle, einer Versorgung des X-Level-Inverters (7) mit elektrischer Energie mittels der Energiequelle oder eines Leistungshalbleiterschalters (11a-11f) der Haupt-Halbbrücken (10), folgendes umfasst: - Veranlassen einer elektrischen Trennung des defekten Batteriestrangs vom N-Level-Inverter (7), derart, dass der N-Level-Inverter (7) lediglich mit der Mittelspannung der Energiequelle mittels eines funktionsfähigen Batteriestrangs (6a, 6b) versorgt wird, - Veranlassen des Betriebs des N-Level-Inverters (7) als X-Level-Inverter mittels drei Alternativ-Halbbrücken (8), wobei die Alternativ-Halbbrücken (8) durch jeweils mindestens einen Leistungshalbleiterschalter (11g-11f) der drei Leistungshalbleiterschalterpaare (9) und jeweils einen Leistungshalbleiterschalter (11a-11f) der drei Haupt-Halbbrücken (10) des N-Level-Inverters (7) gebildet werden.
10. Verfahren (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Betrieb als X-Level-Inverter, in Reaktion auf das Feststellen eines Defekts an der Mittelspannungsversorgung oder einem Leistungshalbleiterschalter (11g-11f) der Leistungshalbleiterschalterpaare (9), folgendes umfasst: - Veranlassen einer elektrischen Trennung der Mittelspannungsversorgung vom N-Level-Inverter (7), derart, dass der N-Level-Inverter (7) lediglich mit der Batteriespannung der Energiequelle versorgt wird, - Veranlassen einer Öffnung der drei Leistungshalbleiterschalterpaare (9), derart, dass durch die drei Leistungshalbleiterschalterpaare (9) kein Strom leitbar ist, - Veranlassung des Betriebs des N-Level-Inverters (7) als X-Level-Inverter mit lediglich den drei Haupt- Halbbrücken (10) des N-Level-Inverters (7).
11. Verfahren (20) nach Anspruch 6 oder 7 , wobei der 3-Level-Inverter im t-Zweig der t-Form-Architektur drei bidirektional schaltbare Leistungshalbleiterschalter (11g - 11l) umfasst, wobei der bidirektional schaltbaren Leistungshalbleiterschalter (11g - 11l) einerseits jeweils elektrisch mit einem Neutral-Knoten (13) der Energiequelle verbunden sind, wobei der erste bidirektional schaltbare Leistungshalbleiterschalter (11g - 11l) der drei bidirektional schaltbare Leistungshalbleiterschalter (11g - 11l) andererseits mit einem ersten Knoten (15a) elektrisch verbunden ist, wobei sich der erste Knoten (15a) elektrisch zwischen zwei Leistungshalbleiterschaltern (11a, 11d) der ersten Haupt-Halbbrücke (10) befindet, wobei der zweite bidirektional schaltbare Leistungshalbleiterschalter (11g - 11l) andererseits mit einem zweiten Knoten (15b) elektrisch verbunden ist, wobei sich der zweite Knoten (15b) elektrisch zwischen zwei Leistungshalbleiterschaltern (11b, 11e) der zweiten Haupt-Halbbrücke (10) befindet, wobei der dritte bidirektional schaltbare Leistungshalbleiterschalter (11g - 11l) andererseits mit einem dritten Knoten (15c) elektrisch verbunden ist, wobei sich der dritte Knoten (15c) elektrisch zwischen zwei Leistungshalbleiterschaltern (11c, 11f) der dritten Haupt-Halbbrücke (10) befindet.
12. Verfahren (20) nach Anspruch 11 , wobei der Betrieb als X-Level-Inverter, in Reaktion auf das Feststellen eines Defekts an einem Batteriestrang (6a, 6b) der Energiequelle, einer Versorgung des X-Level-Inverters mit elektrischer Energie mittels der Energiequelle oder eines Leistungshalbleiterschalters (11a-11f) der Haupt-Halbbrücken (10), folgendes umfasst: - Veranlassen einer elektrischen Trennung des defekten Batteriestrangs vom N-Level-Inverter (7), derart, dass der N-Level-Inverter (7) lediglich mit der Mittelspannung der Energiequelle mittels eines funktionsfähigen Batteriestrangs (6a, 6b) versorgt wird, - Veranlassen des Betriebs des N-Level-Inverters (7) als X-Level-Inverter mittels drei Alternativ-Halbbrücken (8), wobei die Alternativ-Halbbrücken (8) durch jeweils einen der bidirektional schaltbaren Leistungshalbleiterschalter (11g - l) und jeweils einen Leistungshalbleiterschalter (11a-11f) der drei Haupt-Halbbrücken (10) des N-Level-Inverters (7) gebildet werden.
13. Verfahren (20) nach Anspruch 11 oder 12 , wobei der Betrieb als X-Level-Inverter, in Reaktion auf das Feststellen eines Defekts an der Mittelspannungsversorgung oder einem der bidirektional schaltbaren Leistungshalbleiterschalter (11g-11l), folgendes umfasst: - Veranlassen einer elektrischen Trennung der Mittelspannungsversorgung vom N-Level-Inverter (7), derart, dass der N-Level-Inverter (7) lediglich mit der Batteriespannung der Energiequelle versorgt wird, - Veranlassen einer Öffnung der drei bidirektional schaltbaren Leistungshalbleiterschalter (11g - 111), derart, dass durch die drei bidirektional schaltbare Leistungshalbleiterschalter (11g - 111) kein Strom leitbar ist, - Veranlassung des Betriebs des N-Level-Inverters (7) als X-Level-Inverter mit lediglich den drei Haupt- Halbbrücken (10) des N-Level-Inverters (7).
14. System (1) zur Datenverarbeitung, umfassend Mittel zur Ausführung des Verfahrens (20) nach einem der vorherigen Ansprüche.
15. Computerprogramm (5), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms (5) durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.
16. Computerlesbares Medium (4), umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.

Description

Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines N-Level-Inverters, ein System zur Datenverarbeitung, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium. Stand der Technik Die Druckschriften US 2010 / 0 039 843 A1, EP 2 770 624 A1 und WO 2023 / 175 116 A1 offenbaren 3-Level-Inverter mit t-Form-Architektur. Dies gilt auch für die nachveröffentlichte Druckschrift DE 10 2023 127 375 A1, die für den Fehlerfall die Abtrennung eines Versorgungspotentials durch einen Inverter-Transistor vorschlägt. Auch die Druckschrift US 2014 / 0 247 634 A1 betrifft einen 3-Level-Inverter, der jedoch im Fehlerfall keine Abtrennung der äußeren Potentiale der Versorgungsspannung vorsieht. Die Druckschrift CN 1 15 955 097 A beschreibt die Verwendung von Thyristoren, um im Fehlerfall über diese eine Versorgungsspannung an Teile einer Inverterschaltung anzulegen, jedoch keine Trennung. Den Druckschriften ist gemein, dass keine dezidierte Abtrennung vom äußeren Versorgungspotential vorgesehen ist und somit im Fehlerfall die Ansteuerung von Halbleiterschaltern einen gewünschten Deaktivierungszustand herstellt. Jedoch erfordert dies eine sehr geringe Ausfallsicherheit der Halbleiteransteuerung (incl. Treiber etc.), die ggf. mit zusätzlichen Steuermitteln erlangt werden muss. Nachteilig an den Vorrichtungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass hoher Aufwand betrieben werden muss, um bei derartigen Invertern eine Funktionssicherheit zu gewährleisten. Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile Es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine alternative technische Lösung zu schaffen, welche sich insbesondere durch ihre einfache und kostengünstige Funktionssicherheit auszeichnet. Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Bei dem Verfahren handelt es sich vorzugsweise, um ein Verfahren zum Betrieb eines N-Level-Inverters, umfassend folgende Schritte:- Empfangen von Daten, die repräsentativ für einen Defekt an einem oder dem N-Level-Inverter oder an einer elektrischen Energiequelle, die den N-Level-Inverter mit elektrischer Energie versorgt, sind, wobei N≥3 entspricht,- Feststellen eines Defekts am N-Level-Inverter oder an der Energiequelle in Abhängigkeit der empfangenen Daten,- Veranlassung eines Betriebs des N-Level-Inverters als X-Level-Inverter, in Reaktion auf das Feststellen des Defekts, wobei X<N sowie X≥2 entspricht. Auf diese Weise können die funktionsfähigen Bestandteile der elektrischen Schaltung oder der Energiequelle dazu genutzt werden, um den Inverter weiter nutzen zu können. Hierdurch wird eine besonders kostengünstige Funktionssicherheit für den Inverter implementiert. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Betrieb des N-Level-Inverters als X-Level-Inverter um einen Backup-Betrieb und/oder einen Funktionssicherheitsbetrieb. Beispielsweise könnte ein Fahrzeug mit einem Elektroantrieb von einem derartigen Verfahren profitieren, indem das erfindungsgemäße Verfahren beim Auftreten eines Defekts zum Einsatz kommt, wodurch die Funktionssicherheit des Inverters und eines durch den Inverter angetriebenen Elektroantrieb gewährleistet ist. Bei dem Defekt kann es sich beispielsweise um einen kurzgeschlossenen oder ungewollt geöffneten Leistungshalbleiterschalter des N-Level-Inverters oder um eine kurzgeschlossene oder offene elektrische Leitung des N-Level-Inverters zur elektrischen Energiequelle handeln. Vorzugsweise werden die Defekte mittels Sensorik oder mindestens eines Sensors erkannt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn es sich bei dem Verfahren um ein computerimplementiertes Verfahren handelt. Ferner ist es bevorzugt, wenn es sich bei den Zahlen, die für die variablen N und X infrage kommen, um natürliche Zahlen, insbesondere größer 0, handelt. Auch ist es vorteilhaft, wenn die Daten als analoge oder digitale Daten vorliegen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Defekt am N-Level-Inverter um einen Defekt an einer Halbbrücke des N-Level-Inverters oder eines Leistungshalbleiterschalters einer Halbbrücke des N-Level-Inverters handelt. Im Fall, dass es sich bei dem N-Level-Inverter um einen 3-Level-Inverter mit t-form-Architektur handelt, ist es bevorzugt, wenn es sich bei der Halbbrücke um eine Haupt-Halbbrücke handelt oder wenn es sich bei dem Leistungshalbleiterschalter um einen Leistungshalbleiterschalter eines Leistungshalbleiterschalterpaars im t-Zweig der t-form-Architektur. Bei der Energiequelle handelt es sich um eine Gleichspannungsquelle, insbesondere Batterie, die mindestens zwei in Serie geschaltete Batteriestränge umfasst, die jeweils mindestens einen Batteriepack umfassen. Zwischen den Strängen ist vorzugsweise ein Neutral-Knoten der Batterie angeordnet, wodurch eine Mittelspannung abgrenzbar ist. Vorzugsweise sind, im Fall, dass es sich bei dem N-Level-Inverter um einen 3-Level-Inverter mit t-Form-Architektur handelt, die