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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von wenigstens zwei mit einem Gleichstromnetzwerk verbundenen Pulswechselrichtern, wobei die Pulswechselrichter jeweils mit einem Wechselstromnetzwerk verbunden sind und jeweils mit einer Taktfrequenz getaktet werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung sowie ein Kraftfahrzeug.
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Pulswechselrichter dienen dazu, eine Gleichspannung in eine Wechselspannung oder eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umzurichten. Sie können beispielsweise dazu verwendet werden, um Elektromotoren über eine Gleichspannungsquelle wie eine Batterie zu betreiben. Bei den Elektromotoren kann es sich beispielsweise um elektrische Traktionsmotoren von Kraftfahrzeugen, beispielsweise von batterieelektrischen Fahrzeugen oder von Plug-in-Hybridfahrzeugen, handeln. Bei diesen Fahrzeugen wird wenigstens ein Traktionselektromotor über eine Batterie des Kraftfahrzeuges betrieben, um ein rein elektrisches Fahren des Kraftfahrzeuges zumindest zeitweise zu ermöglichen. Die Fahrzeuge können dabei mehrere über eine gemeinsame Batterie betreibbare Traktionsmotoren, welche jeweils dem Antrieb einer Achse oder eines Rades des Kraftfahrzeuges dienen, aufweisen. In einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, welches zwei oder mehr aus einer gemeinsamen Gleichspannungsquelle gespeiste Pulswechselrichter umfasst, kann es in unerwünschter Weise zu einer Überlagerung von durch die jeweiligen Schaltvorgänge der Pulswechselrichter erzeugten Störungen kommen. Insbesondere bei einer konstruktiven Überlagerung derartiger Störungen, insbesondere bei als Stromrippel oder Spannungsrippel ausgeprägten Störungen, können in dem Bordnetz insbesondere gleichspannungsseitige Störpegel auftreten. Dies ist nachteilig, da weitere, an der Gleichspannungsseite mit den Pulswechselrichtern verbundene Komponenten an ein derartiges Auftreten von Störungen angepasst bzw. auf die möglicherweise auftretenden Störpegel ausgelegt sein müssen. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten zum Umgang mit aus Pulswechselrichtern resultierenden Störungen bekannt.
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In
DE 36 37 479 A1 wird ein Servoantrieb mit einer Wechselstrommaschine, die über mehrere Impulswechselrichter gesteuert wird, beschrieben. Zur Vermeidung von unerwünschten Störungen werden parallel geschaltete Impulswechselrichter verwendet, deren Leistungsausgänge an voneinander isolierten Teilleitern der einzelnen Phasenwicklungen der Wechselstrommaschine angeschlossen sind, wobei die Impulswechselrichter derart angesteuert werden, dass die durch die Taktung hervorgerufenen Oberschwingungen in den einzelnen Phasenwicklungen einen stark unterschiedlichen Phasenwinkel aufweisen.
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In
DE 10 2010 063 305 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung von Störungen eines Funkübertragungssystems durch ein pulsweitenmoduliertes Signal beschrieben. Dabei wird durch eine Informationseinrichtung ein Informationssignal an ein Steuergerät übertragen, wobei das Informationssignal zumindest eine Information über eine aktuelle Senderfrequenz des Funkübertragungssystems enthält. Das Steuergerät stellt dann eine Taktfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals derart ein, dass dessen der aktuellen Senderfrequenz des Funkübertragungssystems benachbarte Oberwellen einen maximal möglichen Abstand zu der aktuellen Senderfrequenz des Funkübertragungssystems haben.
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In
DE 10 2011 003 559 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Pulswechselrichters, welcher zur Steuerung einer elektrischen Maschine dient, beschrieben. Dabei erfasst eine Sensoreinheit eine die Drehzahl der elektrischen Maschine charakterisierende Größe und überträgt diese an ein Steuergerät. Das Steuergerät stellt dann eine Taktfrequenz eines pulsweitenmodulierten Steuersignals des Pulswechselrichters abhängig von dieser Größe ein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein, insbesondere hinsichtlich des Auftretens von Störungen, verbessertes Verfahren zum Betrieb von wenigstens zwei mit einem Gleichstromnetzwerk verbundenen Pulswechselrichtern anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens einer der Pulswechselrichter in Abhängigkeit wenigstens einer eine Welligkeit eines Stromes oder einer Spannung im Gleichstromnetzwerk beschreibenden Zustandsinformation zur Ausbildung einer Phasendifferenz zwischen seiner Taktung und der Taktung wenigstens eines weiteren der Pulswechselrichter angesteuert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet dabei den Vorteil, dass eine Entstehung von Störungen durch eine ungünstige bzw. ungeregelte oder unkontrollierte Phasenbeziehung zwischen den Taktungen der Pulswechselrichter, welche eine Welligkeit eines Stromes oder einer Spannung im Gleichstromnetzwerk verursacht, durch die Ausbildung einer Phasendifferenz zwischen der Taktung wenigstens eines der Pulswechselrichter und einem weiteren der Pulswechselrichter unterbunden werden kann. Eine Phasenbeziehung, welche Störungen verursacht, kann durch das Ausbilden der Phasendifferenz bzw. einer günstigen und vorteilhaften Phasenverschiebung zwischen den die Taktung erzeugenden Ansteuersignale derart geändert werden, dass das Ausmaß der Störungen, insbesondere die Amplitude einer Welligkeit des Stroms oder der Spannung im Gleichstromnetzwerk, reduziert wird. Weiterhin bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die Phasendifferenz auf Grund der Abhängigkeit von der Zustandsinformation variabel und situationsangepasst eingestellt werden kann, so dass für verschiedene Betriebszustände der Pulswechselrichter und/oder verschiedene Betriebszustände des Gleichstromnetzwerks bzw. einer oder mehrerer der Wechselstromnetzwerke jeweils eine optimale Unterdrückung von Störungen erfolgen kann. Die wenigstens zwei Pulswechselrichter können jeweils durch ein Ansteuersignal mit einer Taktfrequenz getaktet werden, wobei die Taktfrequenzen der wenigstens zwei Pulswechselrichter gleich oder verschieden sein können.
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Durch die Welligkeit des Stromes oder einer Spannung im Gleichstromnetzwerk, welche auch als Stromrippel bzw. als Spannungsrippel im Gleichstromnetzwerk bezeichnet werden können, können unerwünschte Verlustleistungen im Gleichstromnetzwerk anfallen und/oder im Rahmen einer elektromagnetischen Verträglichkeit unerwünschte Störemissionen auftreten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Welligkeit eines Stromes oder einer Spannung im Gleichstromnetzwerk und folglich auch die Verlustleistungen sowie die Störemissionen vorteilhaft reduziert werden. Weiterhin reduziert sich, insbesondere für weitere Komponenten des Gleichstromnetzwerks, eine unerwünschte Belastung durch die Welligkeit des Stromes oder der Spannung im Gleichstromnetzwerk.
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Die Pulswechselrichter können durch ein Steuergerät angesteuert werden, wobei es vorteilhaft möglich ist, dass das Steuergerät auch die Zustandsinformation auswertet und/oder die Zustandsinformation selbst ermittelt. Die Ansteuerung des wenigstens einen der Pulswechselrichter kann dabei insbesondere derart erfolgen, dass eine Welligkeit eines Stromes oder einer Spannung im Gleichstromnetzwerk minimiert wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass bei gleichen oder ähnlichen Taktfrequenzen eine zumindest zeitweilige, im Wesentlichen gleichphasige Taktung aller oder eines Teils der Pulswechselrichter vermieden wird. Eine zumindest zeitweilige gleichphasige Taktung kann auch vermieden werden, wenn es sich bei einzelnen von verschiedenen Taktfrequenzen beispielsweise um Vielfache wenigstens einer anderen der Taktfrequenzen handelt. Insbesondere bei verschiedenen Taktfrequenzen der Taktungen der Pulswechselrichter ist es möglich, dass nach erneutem Auftreten einer ungünstigen Phasenbeziehung, beispielsweise nach mehreren Perioden einer der Taktungen, eine erneute Ausbildung einer Phasendifferenz bei wenigstens einem der Pulswechselrichter vorgenommen wird.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass jeder Pulswechselrichter durch einen Treiber mit seiner Taktfrequenz getaktet wird, wobei der Treiber des wenigstens eines Pulswechselrichters in Abhängigkeit der wenigstens einen Zustandsinformation angesteuert wird. Jeder Pulswechselrichter wird dabei durch einen eigenen Treiber mit einer Taktfrequenz getaktet, so dass die wenigstens zwei Pulswechselrichter unabhängig voneinander betreibbar sind. Es ist möglich, dass die Treiber der Pulswechselrichter in einem gemeinsamen Bauteil realisiert sind oder dass sie als verschiedene Bauteile ausgebildet sind. Durch die Verwendung eines eigenen Treibers für jeden Pulswechselrichter wird es ermöglicht, eine Phasendifferenz zwischen wenigstens zwei der Pulswechselrichter durch eine Phasenverschiebung wenigstens einer Taktfrequenz eines der Pulswechselrichter einzustellen.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Zustandsinformation in Abhängigkeit wenigstens eines eine physikalischen Größe im Gleichstromnetzwerk und/oder eine physikalische Größe in einem der Wechselstromnetzwerke beschreibenden Sensorsignals und/oder einer die Taktung der Pulswechselrichter beschreibenden Taktungsinformation ermittelt wird. Ein Sensorsignal kann dabei insbesondere von einem Stromsensor, welcher einen Strom in dem Gleichstromnetzwerk oder einem der wenigstens zwei Wechselstromnetzwerke misst, oder einem Spannungssensor, welcher ein Potential in dem Gleichstromnetzwerk oder einem der wenigstens zwei Wechselstromnetzwerke misst, erzeugt werden. Die von einem Sensor gemessenen Sensorsignale können sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich betrachtet und zur Ermittlung der Zustandsinformation herangezogen werden.
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Zusätzlich oder alternativ zu einem Sensorsignal kann auch eine die Taktung der Pulswechselrichter beschreibende Taktungsinformation ermittelt werden. Eine Information zur Taktung eines der Pulswechselrichter kann insbesondere bereits in den Treibern der jeweiligen Pulswechselrichter vorliegen, wobei die Taktungsinformation beispielsweise an ein zur Ermittlung der Zustandsinformationen ausgebildetes Steuergerät übermittelt wird. Insbesondere durch eine Strommessung im Gleichstromnetzwerk mittels eines Stromsensors ist es möglich, eine Welligkeit eines Stromes im Gleichstromnetzwerk zu bestimmen. Entsprechend kann auch eine Welligkeit einer Spannung im Gleichstromnetzwerk über einen Spannungssensor im Gleichstromnetzwerk ermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ dazu ist eine Ermittlung der Welligkeit eines Stromes oder einer Spannung im Gleichstromnetzwerk auch möglich, wenn ein oder mehrere Sensorsignale betrachtet werden, welche eine physikalische Größe in einem der Wechselstromnetzwerke beschreiben. Auf Grund der physikalischen Größen im Wechselstromnetzwerk kann auf die physikalischen Größen im Gleichstromnetzwerk und somit auch auf eine Welligkeit eines Stromes oder einer Spannung im Gleichstromnetzwerk zurückgeschlossen werden, insbesondere wenn zusätzlich eine die Taktung der Pulswechselrichter beschreibende Taktungsinformation für die Ermittlung der Zustandsinformation berücksichtigt wird. Die Taktungsinformation kann beispielsweise die jeweilige Taktfrequenz der Taktungen der Pulswechselrichter und/oder eine aktuelle Phasenbeziehung der Taktungen zueinander umfassen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Sensorsignal ein Strom an einem gleichstromnetzwerkseitigen Anschluss eines der Pulswechselrichter und/oder ein Strom an einem Eingang einer Komponente des Gleichstromnetzwerks verwendet wird. Ein Strom an einem gleichstromnetzwerkseitigen Anschluss eines Pulswechselrichters kann vorteilhaft als ein Sensorsignal herangezogen werden, da ein derartiger Strom in vielen Fällen bereits zur Steuerung der Funktion des Pulswechselrichters, beispielsweise durch einen Stromsensor des Pulswechselrichters, gemessen wird. Gleiches gilt auch für einen Strom an einem wechselstromnetzwerkseitigen Anschluss eines Pulswechselrichters. Neben den Messungen am Pulswechselrichter ist es auch möglich, dass ein Strom am Eingang einer Komponente des Gleichstromnetzwerks als Sensorsignal zur Bestimmung der Zustandsinformation verwendet wird. Dabei kann es sich um eine beliebige Komponente des Gleichstromnetzwerks handeln, wobei vorteilhaft eine Komponente verwendet werden kann, an welcher bereits im Rahmen einer anderen Funktion ein Strom am Eingang gemessen oder bestimmt wird. An einem Pulswechselrichter und/oder an einer Komponente Ströme und/oder Spannungen können dabei an ein zur Ermittlung der Zustandsinformation ausgebildetes Steuergerät übertragen werden. Am Beispiel eines die wenigstens zwei Pulswechselrichter umfassenden Kraftfahrzeuges kann die Komponente des Gleichstromnetzwerks beispielsweise ein Ladegerät, ein elektrisch betriebener Heizer, ein elektrisch betriebener Klimakompressor oder eine eine Gleichstromversorgung erzeugende Batterie des Kraftfahrzeuges sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens einer der Pulswechselrichter mehrere jeweils einer Phase zugeordnete, wechselstromnetzwerkseitige Phasenanschlüsse umfasst, wobei die Zustandsinformation aus mehreren Sensorsignalen, welche jeweils einen Strom an einem wechselstromnetzwerkseitigen Phasenanschluss beschreiben, sowie einer eine jeweilige Schaltzeit der Phasen beschreibende Schaltzeitinformation ermittelt wird. Dies ermöglicht die Bestimmung eines Stromes an einem gleichstromseitigen Anschluss eines Pulswechselrichters mit mehreren, wechselstromnetzwerkseitigen Phasenanschlüssen. Durch die Messung jedes Phasenstroms können mehrere Sensorsignale, welche jeweils einen Strom an einem wechselstromnetzwerkseitigen Phasenanschluss beschreiben, erzeugt werden, wobei anhand dieser Sensorsignale sowie einer die jeweilige Schaltzeit der einzelnen Phasen beschreibenden Schaltzeitinformation die Zustandsinformation, welche eine Welligkeit eines Stromes oder einer Spannung an einem gleichstromnetzwerkseitigen Anschluss des Pulswechselrichters beschreibt, ermittelt werden. Eine derartige Bestimmung der Zustandsinformation ist insbesondere bei Pulswechselrichtern möglich, welche nicht bereits einen Sensor zur Messung eines gleichspannungsseitigen Stromes oder einer gleichspannungsseitigen Spannung aufweisen. Auf eine Messung des gleichstromnetzwerkseitigen Stromes oder einer Spannung am Pulswechselrichter kann dabei vorteilhaft verzichtet werden, da auf Grund der Messung der wechselstromnetzwerkseitigen Größen sowie der Berücksichtigung der Schaltzeiten der jeweiligen Phasen eine Berechnung des gleichspannungsseitigen Stromes bzw. der Spannung möglich ist. Die Schaltzeitinformation kann dabei beispielsweise in einem Treiber des Stromwechselrichters vorliegen und an ein Steuergerät, welches die Zustandsinformation ermittelt, übertragen werden. Dabei ist es möglich, dass die Schaltzeitinformation einen Bestandteil der vorangehend beschriebenen Taktungsinformation darstellt bzw. dass die Taktungsinformation die Schaltzeitinformation insbesondere aller an das Gleichstromnetzwerk angeschlossene Pulswechselrichter umfasst.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Zustandsinformation in Abhängigkeit einer Systembeschreibung des Gleichstromnetzwerks ermittelt wird. Die Systembeschreibung des Gleichstromnetzwerks kann beispielsweise eine Systemimpedanz und/oder einen Phasengang des Gleichstromnetzwerks umfassen. Die Systembeschreibung kann beispielsweise in einem zur Bestimmung der Zustandsinformation ausgebildeten Steuergerät hinterlegt sein. Es ist auch möglich, dass die Systembeschreibung durch ein solches Steuergerät selbst durch eine Messung ermittelt werden kann. Die an dem wenigstens einen Pulswechselrichter eingestellte Phasendifferenz kann abhängig von einer hinterlegten Systembeschreibung oder einer gemessenen Systembeschreibung eingestellt werden, so dass vorteilhaft eine Anpassung der Phasendifferenz in einen Zustand des Gleichstromnetzwerkes ermöglicht wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Pulswechselrichter zur Ausbildung der Phasendifferenz derart angesteuert wird, dass wenigstens eine Periode seiner Taktung verlängert oder verkürzt wird. Es ist zum Einstellen einer Phasendifferenz zwischen den wenigstens zwei Pulswechselrichtern ausreichend, wenn bei wenigstens einem Pulswechselrichter eine Periode seiner Taktung verlängert oder verkürzt wird. Gegenüber dem mit der Taktfrequenz mit den unveränderten Perioden getakteten Pulswechselrichter ergibt sich somit eine Phasendifferenz, welche durch das Ausmaß der Verkürzung bzw. der Verlängerung der wenigstens einer Periode der Taktung einstellbar ist. Die Änderung wenigstens einer Periode der Taktung kann auch als eine zeitlich begrenzte Änderung der Taktfrequenz der Taktung aufgefasst werden.
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Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass zur Ausbildung der Phasendifferenz einer der Pulswechselrichter unverändert weiter betrieben wird, wobei bei allen anderen Pulswechselrichtern eine Periode ihrer Taktung zur Ausbildung einer jeweiligen Phasendifferenz zu dem unverändert weiter betriebenen Pulswechselrichter verlängert oder verkürzt wird. Auf diese Weise kann vorteilhaft auch bei drei oder mehr Pulswechselrichtern eine Phasendifferenz zwischen den einzelnen Pulswechselrichtern eingestellt werden. Ein Pulswechselrichter wird unverändert weiterbetrieben und kann in diesem Zusammenhang auch als Master bezeichnet werden. Die weiteren Pulswechselrichter, welche bezogen auf den Master eine Phasendifferenz aufweisen sollen, werden derart angesteuert, dass wenigstens eine Periode ihrer Taktung verlängert oder verkürzt wird. Es ist möglich, dass die weiteren Pulswechselrichter, welche auch als Slave bezeichnet werden können, derart angesteuert werden können, dass sie nicht nur im Bezug zu dem Master eine Phasendifferenz aufweisen, sondern auch untereinander. Dies kann entsprechend durch die Wahl der Verlängerung wenigstens einer Periode der Taktung bzw. der Verkürzung wenigstens einer Periode der Taktung eines jeweiligen Slave-Pulswechselrichters erzeugt werden.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit einer dem Betriebszustand der Pulswechselrichter beschreibenden Betriebsinformation bestimmt wird, welcher der Pulswechselrichter unverändert weiterbetrieben wird. Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass die Rolle eines Masters nicht einem fest vorgegebenen Master der Pulswechselrichter zuteilwird, sondern dass abhängig von einer den Betriebszustand der Pulswechselrichter beschreibenden Betriebsinformation aus der Mehrzahl von Pulswechselrichter ein Master bestimmt wird. Die Betriebsinformation kann dabei beispielsweise angeben, mit welcher Frequenz eine Wechselspannung durch den Pulswechselrichter erzeugt wird oder welche Stromstärke ein Ausgangsstrom des Pulswechselrichters aufweist.
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Es ist auch möglich, dass sich die Betriebsinformation der Pulswechselrichters auf eine oder mehrere von den Pulswechselrichtern betriebene Komponenten, beispielsweise eine oder mehrere Elektromaschinen, bezieht. Dabei kann die Betriebsinformation beispielsweise beinhalten, mit welcher Drehzahl und/oder mit welchem Drehmoment die Elektromaschine betrieben wird. Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass abhängig von einem Belastungszustand der Pulswechselrichter ein Master ausgewählt werden kann, wobei die weiteren Pulswechselrichter als Slaves zur Ausbildung einer Phasendifferenz zu dem Master angesteuert werden. Dies ermöglicht es insbesondere, die Ansteuerung der Pulswechselrichter derart vorzunehmen, dass sich durch die Ansteuerung zur Ausbildung der Phasendifferenz eine möglichst geringe Beeinträchtigung eines Betriebszustands der Pulswechselrichter ergibt.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit der Zustandsinformation ein die Umwandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom beschreibendes Modulationsverfahren des wenigstens einen Pulswechselrichters gewählt und der Pulswechselrichter nach dem gewählten Modulationsverfahren betrieben wird. Dies ermöglicht es bei Pulswechselrichtern, welche beispielsweise zum Betrieb einer Elektromaschine dienen, ein Modulationsverfahren, mit welchem ein zum Speisen der Pulswechselrichter eingesetzter Gleichstrom in eine Wechselstrom umgesetzt wird, in Abhängigkeit der Zustandsinformation anzupassen. Neben der Ausbildung einer Phasendifferenz zwischen einzelnen Pulswechselrichtern kann auch durch die Änderung des Modulationsverfahrens eines oder mehrerer der Pulswechselrichter erreicht werden, dass eine Welligkeit eines Stroms oder einer Spannung in dem Gleichstromnetzwerk abnimmt. Dabei können abhängig von der Ausbildung des Pulswechselrichters für jeden Pulswechselrichter beispielsweise zwei oder mehr Modulationsverfahren in einem Treiber des Pulswechselrichters oder in einer mit einem oder mehrerer der Treiber der Pulswechselrichter verbunden Steuereinrichtung hinterlegt sein, so dass beispielsweise von dem Steuergerät, welches die Zustandsinformation ermittelt, in Abhängigkeit dieser Zustandsinformation für einen oder mehrere Pulswechselrichter ein anderes Modulationsverfahren als das aktuelle Modulationsverfahren, für welches die Zustandsinformation bestimmt wurde, eingestellt wird. Die dabei zur Verfügung stehenden Modulationsverfahren können beispielsweise einen Sinus-Dreieck-Vergleich, eine Raumzeigermodulation, eine diskontinuierliche Pulsweitenmodulation, eine Super-Sinus-Modulation und/oder weitere Modulationsverfahren umfassen.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass durch die Pulswechselrichter jeweils wenigstens eine, insbesondere dreiphasige, Elektromaschine betrieben wird. Die Elektromaschine stellt dabei eine Komponente eines der jeweils mit einem der Pulswechselrichter verbundenen Wechselstromnetzwerke dar. Bei der Elektromaschine kann es sich dabei z.B. um eine permanenterregte Synchronmaschine, eine permanenterregte Asynchronmaschine, eine fremderregte Asynchronmaschine oder eine weitere Bauform einer Elektromaschine handeln. Durch die mehreren Pulswechselrichter kann jeweils derselbe Typ von Elektromaschine betrieben werden oder es können durch die Pulswechselrichter auch unterschiedliche Typen von Elektromaschinen betrieben werden.
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Für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass sie ein Gleichstromnetzwerk und mehrere Wechselstromnetzwerke sowie wenigstens zwei mit dem Gleichstromnetzwerk verbundene, jeweils mit einer Taktfrequenz taktbare Pulswechselrichter umfasst, wobei die Pulswechselrichter jeweils mit einem der Wechselstrom netzwerke verbunden sind, wobei die Schaltungsanordnung ein Steuergerät umfasst, welches zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
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Sämtliche in Bezug zu dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend auch für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.
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Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst.
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Die Schaltungsanordnung kann dabei insbesondere zum Betrieb von zwei oder mehr Elektromaschinen in dem Kraftfahrzeug dienen. Bei den Elektromaschinen kann es sich dabei insbesondere um elektrische Traktionsmotoren und/oder um Antriebsmotoren von elektrischen Verdichtern handeln. Bei den Traktionsmotoren ist es möglich, dass das Kraftfahrzeug beispielsweise zwei oder drei Traktionsmotoren umfasst. Ein zwei Traktionsmotoren umfassendes Kraftfahrzeug kann beispielsweise zwei jeweils mit einem Rad oder einer Achse gekoppelte Traktionselektromotoren aufweisen. Ein Kraftfahrzeug mit drei Traktionselektromotoren kann beispielsweise eine mit einer Vorderachse des Kraftfahrzeugs gekoppelte Elektromaschine sowie zwei jeweils mit einem Hinterrad des Kraftfahrzeugs gekoppelte Elektromaschinen umfassen. Jede der Elektromaschinen kann dabei über einen eigenen Pulswechselrichter betrieben werden, wobei die zum Betrieb der Elektromaschinen notwendige Energie in einem Energiespeicher des Kraftfahrzeuges, welcher über das Gleichstromnetzwerk mit den Pulswechselrichtern verbunden ist, gespeichert ist. In dem Gleichstromnetzwerk können weitere mit Gleichstrom betriebene Komponenten des Kraftfahrzeugs, beispielsweise ein Ladegerät des Kraftfahrzeuges, ein elektrischer Heizer, ein elektrischer Klimakompressor und/oder weitere mit Gleichstrom betriebene Komponenten vorgesehen sein. Das Gleichstromnetzwerk des Kraftfahrzeuges kann dabei insbesondere ein Hochvolt-Gleichstromnetzwerk sein, welches mit einer Spannung größer als 12 Volt betrieben wird.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug,
- 2 ein schematisches Diagramm eines Stromes oder einer Spannung im Gleichstromnetzwerk,
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und
- 4 eine schematische Darstellung eines Pulswechselrichters.
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In 1 ist eine schematische Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst eine Schaltungsanordnung 19 mit Gleichstromnetzwerk 2, welches einen Energiespeicher 3 sowie zwei mit den Energiespeicher verbundene Komponenten 4, 5 umfasst. Bei den Komponenten 4, 5 kann es sich beispielsweise um über das Gleichstromnetzwerk 2 betriebene Komponenten, beispielsweise ein Ladegerät des Kraftfahrzeuges 1, ein Heizgerät des Kraftfahrzeuges 1, ein elektrischer Klimakompressor des Kraftfahrzeuges 1 und/oder weitere Komponenten handeln. Es ist auch möglich, dass die Schaltungsanordnung 19 bzw. das Kraftfahrzeug 1 mehr als zwei Komponenten 4, 5 umfasst.
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Mit dem Gleichstromnetzwerk 2 verbunden sind ein erster Pulswechselrichter 6, ein zweiter Pulswechselrichter 7 sowie ein dritter Pulswechselrichter 8. Die Pulswechselrichter 6, 7, 8 dienen in diesem Ausführungsbeispiel dazu, eine von dem Energiespeicher 3 bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung jeweils eines Wechselstromnetzwerks 20 umzurichten. Dabei werden durch den ersten Pulswechselrichter 6 eine erste elektrische Maschine 9, durch den zweiten Pulswechselrichter 7 eine zweite elektrische Maschine 10 sowie durch den dritten Pulswechselrichter 8 eine dritte elektrische Maschine 11 betrieben. Neben einem Betrieb der Elektromaschinen 9, 10, 11 über die Pulswechselrichter 6, 7, 8 sowie den Energiespeicher 3 kann es auch vorgesehen sein, dass, beispielsweise in einem Rekuperationsbetrieb des Kraftfahrzeuges 1, eine jeweils durch die elektrischen Maschinen 9, 10, 11 erzeugte Wechselspannung durch die Pulswechselrichter 6, 7, 8 gleichgerichtet und dem Energiespeicher 3 zugeführt wird.
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Unabhängig von der Richtung des Leistungsflusses können die Pulswechselrichter 6, 7, 8 des Kraftfahrzeuges 1 jeweils mit einer gleichen oder einer verschiedenen Taktfrequenz getaktet werden. Über den ersten Pulswechselrichter 6 wird die mit einer Vorderachse 12 des Kraftfahrzeugs 1 gekoppelte erste elektrische Maschine 9 betrieben. Die von dem zweiten Pulswechselrichter 7 sowie dem dritten Pulswechselrichter 8 betriebenen Elektromaschinen 10 bzw. 11 sind jeweils mit einem Hinterrad 13 des Kraftfahrzeuges gekoppelt.
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Jeder der Pulswechselrichter 6, 7, 8 ist dabei unabhängig steuerbar, wobei beispielsweise in einem Traktionsbetrieb des Kraftfahrzeuges 1 eine Ansteuerung der Elektromaschinen 9, 10, 11 je nach Fahrsituation zu unterschiedlichen Zeiten und/oder mit unterschiedlichen Strömen und/oder mit unterschiedlichen Drehmomenten erfolgen kann. Es ist auch möglich, dass einzelne der Pulswechselrichter 6, 7, 8 während des Betriebes des Kraftfahrzeuges 1 abgeschaltet und zu einem späteren Zeitpunkt wieder zugeschaltet werden können. Als Folge dieser unterschiedlichen Betriebsanforderungen kann es im Gleichstromnetzwerk 2 aufgrund der Taktfrequenzen der Pulswechselrichter 6, 7, 8 zu einer störenden Überlagerung der jeweiligen Schaltereignisse in den Pulswechselrichtern 6, 7, 8 kommen. Diese können eine ungewünschte Welligkeit eines Stromes oder einer Spannung in dem Gleichstromnetzwerk 2 bewirken, welche sich negativ auf den Energiespeicher 3 sowie die Komponenten 4, 5 auswirken kann.
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Zur Vermeidung von Störungen durch ungünstige Phasenbeziehungen der Taktfrequenzen der Pulswechselrichter 6, 7, 8 umfasst das Kraftfahrzeug 1 ein Steuergerät 14, welches dazu ausgebildet ist, wenigstens einen der Pulswechselrichter in Abhängigkeit wenigstens einer eine Welligkeit eines Stromes oder einer Spannung im Gleichstromnetzwerk 2 beschreibenden Zustandsinformation zur Ausbildung einer Phasendifferenz zwischen seiner Taktfrequenz und der Taktfrequenz wenigstens eines weiteren der Pulswechselrichter 6, 7, 8 anzusteuern. Zur Ermittlung der Zustandsinformation kann durch das Steuergerät 14 eine physikalische Größe des Gleichstromnetzwerkes 2, beispielsweise ein Strom oder eine Spannung im Gleichstromnetzwerk 2, beispielsweise über einen Stromsensor oder einen Spannungssensor im Gleichstromnetzwerk 2 gemessen werden und/oder ein vorliegender Messwert, welcher an das Steuergerät 14 übermittelt wird, ausgewertet werden.
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In 2 ist schematisch der zeitliche Verlauf eines Stromes IDC bzw. einer Spannung VDC im Gleichstromnetzwerk 2 dargestellt. Ersichtlich weist die Kurve 15 ein Welligkeit auf. Die Welligkeit kann auch als Stromrippel bzw. als Spannungsrippel bezeichnet werden und beschreibt ein insbesondere zeitabhängiges Abweichen des im Gleichstromnetzwerk 2 gemessenen Stroms bzw. der im Gleichstromnetzwerk 2 gemessenen Spannung von einem beispielsweise konstanten Sollwert. Das Auftreten einzelner Stromspitzen bzw. Spannungsspitzen der Welligkeit der Kurve 15 kann einzelnen Schaltereignissen der Pulswechselrichter 6, 7, 8 zugeordnet werden. Beispielsweise kann die Spitze an einer Position 16 einem Schaltereignis des ersten Pulswechselrichters 6 zugeordnet werden, eine Spitze an der Position 17 einem Schaltereignis des zweiten Pulswechselrichters 7 sowie an einer Position 18 einem Schaltereignis des dritten Pulswechselrichters 8.
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Eine Zuordnung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass durch das Steuergerät 14 eine die Taktung der Pulswechselrichter 6, 7, 8 beschreibende Taktungsinformation berücksichtigt wird. Eine derartige Taktungsinformation kann beispielsweise in den Pulswechselrichtern 6, 7, 8 bzw. in Treibern der Pulswechselrichter 6, 7, 8 vorliegen und an das Steuergerät 14 übermittelt werden. Zur Vermeidung des Auftretens ungünstig hoher Spitzen in der im Gleichstromnetzwerk gemessenen physikalischen Größe können durch das Steuergerät 14 einer oder mehrere der Pulswechselrichter 6, 7, 8 derart angesteuert werden, dass sich eine Phasendifferenz zwischen der Taktung des wenigstens einen angesteuerten Pulswechselrichters und wenigstens eines anderen der Pulswechselrichter 6, 7, 8 ergibt. Die Einstellung der Phasendifferenz des wenigstens einen der Pulswechselrichter 6, 7, 8 kann dabei derart erfolgen, dass die Welligkeit der im Gleichstromnetzwerk gemessenen physikalischen Größe reduziert und/oder minimiert wird.
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Die Möglichkeiten der Ansteuerung eines oder mehrerer der Pulswechselrichter 6, 7, 8 werden nachfolgen in Bezug zu der in 3 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 19 beschrieben. Die Schaltungsanordnung 19 umfasst einen ersten Pulswechselrichter 6 sowie einen zweiten Pulswechselrichter 7, welche mit einem Gleichstromnetzwerk 2 verbunden sind. Jeder der Pulswechselrichter 6, 7 ist weiterhin mit einem in diesem Ausführungsbeispiel dreiphasigen Wechselstromnetzwerk 20 verbunden.
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Sowohl das Gleichstromnetzwerk 2 als auch jedes der Wechselstromnetzwerke 20 kann weitere Komponenten umfassen.
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Der Pulswechselrichter 6 wird über einen Treiber 21 mit einer Taktfrequenz getaktet, wobei der Pulswechselrichter 7 über einen Treiber 22 mit der gleichen oder einer anderen Taktfrequenz getaktet wird. Da die Pulswechselrichter 6 und 7 jeweils mit einem unterschiedlichen Wechselstromnetzwerk 20 verbunden sind und beispielsweise dazu eingesetzt werden können, eine oder mehrere Komponenten des Wechselstromnetzwerks 20 über aus dem Gleichstromnetzwerk 2 entnommene Leistung zu speisen, kann es vorkommen, dass sich, beispielsweise auf Grund unterschiedlicher An- oder Abschaltezeiten oder unterschiedliche Betriebsdauern der Pulswechselrichter 6, 7, eine Phasendifferenz zwischen den Taktfrequenzen der Pulswechselrichter 6, 7 abhängig von einem Betriebszustand einer oder mehrerer der Komponenten in den jeweiligen Wechselstromnetzwerken 20 ergibt. Unerwünschte Überlagerungen im Gleichstromnetzwerk 2, welche auf Grund der aktuell vorliegenden Phasendifferenz erzeugt werden, können durch eine Ansteuerung eines der Pulswechselrichter 6, 7 durch das Steuergerät 14 vermieden werden.
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Dazu kann über das Steuergerät 14 über den Sensor 23 an einem gleichstromnetzwerkseitigen Anschluss des Pulswechselrichters 6 und/oder über den Sensor 24 an einem gleichstromnetzwerkseitigen Anschluss des Pulswechselrichters 7 eine physikalische Größe des Gleichstromnetzwerks 2, beispielsweise ein Strom oder eine Spannung, gemessen werden und zur Ermittlung einer eine Welligkeit des Stromes oder der Spannung in dem Gleichstromnetzwerk 2 beschreibenden Zustandsinformationen herangezogen werden. Es ist möglich, dass das Steuergerät 14 die Zustandsinformation auf Grundlage der Messwerte beider Sensoren 23, 24 ermittelt oder dass nur ein Messwert des Sensors 23 oder des Sensors 24 herangezogen wird.
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Weiterhin kann das Steuergerät 14 zur Ermittlung der Zustandsinformation eine Taktinformation berücksichtigen, welche beispielsweise von den Treibern 21 und 22 an das Steuergerät 14 übermittelt wird und welche eine Taktung der Pulswechselrichter 6, 7 beschreibt. Zur Einstellung einer Phasendifferenz zwischen der Taktung des ersten Pulswechselrichters 6 und des zweiten Pulswechselrichters 7 ist es ausreichend, wenn einer der Pulswechselrichter, beispielsweise der zweite Pulswechselrichter 7, durch das Steuergerät 14 zur Ausbildung einer Phasendifferenz angesteuert wird. Dabei kann das Steuergerät 14 den Treiber 22 des Pulswechselrichters 7 derart ansteuern, dass wenigstens eine Periode der Taktung des Pulswechselrichters 7 verlängert oder verkürzt wird. Auf Grund der Verlängerung oder Verkürzung der wenigstens einen Periode der Taktung des Pulswechselrichters 7 wird eine Phasenbeziehung zwischen den Taktungen der Pulswechselrichter 6, 7 geändert, mithin also eine Phasendifferenz erzeugt. Durch das Ausmaß der Verkürzung oder der Verlängerung der wenigstens einen Periode kann eine bestimmte Phasendifferenz in Abhängigkeit der Zustandsinformation eingestellt werden.
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Neben einer Ausbildung einer Phasendifferenz ist es auch möglich, dass durch das Steuergerät 14 in Abhängigkeit der Zustandsinformation ein Modulationsverfahren eines der Pulswechselrichter 6, 7 der Schaltungsanordnung 19 geändert wird. Die einem jeweiligen Modulationsverfahren zu Grunde liegenden Steuerbefehle können dabei beispielsweise in einem Speicher der Treiber 21, 22 hinterlegt sein, wobei ein aktuell umgesetztes Modulationsverfahren durch eine Ansteuerung des Treibers 21, 22 durch das Steuergerät 14 geändert werden kann. Als Modulationsverfahren können dabei beispielsweise ein Super-Sinus-Verfahren, eine Raumzeigermodulation, eine diskontinuierliche Pulsweitenmodulation und/oder weitere Verfahren verwendet werden.
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Um das Einstellen einer von der Zustandsinformation abhängigen Phasendifferenz zwischen den Taktfrequenzen der einzelnen Pulswechselrichter 6, 7 der Schaltungsanordnung 19 zu erleichtern, kann einer der Pulswechselrichter 6, 7 unverändert weiterbetrieben werden, wobei der andere Pulswechselrichter angesteuert wird, um eine Phasendifferenz zu dem weiterbetriebenen Pulswechselrichter und/oder zu gegebenenfalls vorhandenen weiteren Pulswechselrichtern einzustellen. Der unveränderbar betriebene Pulswechselrichter kann dabei als Master bezeichnet werden, wohingegen der oder die Pulswechselrichter, an welchem oder welchen eine Phasendifferenz ausgebildet wird, als Slave bezeichnet werden können. Die Rolle des Masters kann einem der Pulswechselrichter 6, 7 fest zugeordnet sein oder es kann eine Zuteilung der Rolle des Masters an einen der in der Schaltungsanordnung 19 vorhandenen Pulswechselrichter 6, 7 in Abhängigkeit einer Betriebsinformation jeweiligen Pulswechselrichter vorgenommen werden. Die Betriebsinformation kann beispielsweise in den Treibern 21, 22 vorliegen und an das Steuergerät 14 übermittelt werden, welches in Abhängigkeit der Betriebsinformationen auswählt, welcher der Pulswechselrichter 6, 7 unverändert weiter betrieben wird.
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Es ist möglich, dass die Schaltungsanordnung 19 mehr als zwei Pulswechselrichter 6,7 umfasst. Auch die Taktung eines gegebenenfalls vorhandenen dritten Pulswechselrichters 8 sowie weiterer Pluswechselrichter der der Schaltungsanordnung kann entsprechend angesteuert werden, so dass sich zu der Taktung des ersten Pulswechselrichters 6 und/oder zu der Taktung des zweiten Pulswechselrichters 7 und/oder zu der Taktung von gegebenenfalls vorhandenen, weiteren Pulswechselrichtern eine Phasendifferenz ausbildet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass bei gleichen oder ähnlichen Taktfrequenzen eine zumindest zeitweilige, im Wesentlichen gleichphasige Taktung aller oder eines Teils der Pulswechselrichter einer Schaltungsanordnung 19 vermieden wird. Eine zumindest zeitweilige gleichphasige Taktung kann auch vermieden werden, wenn sich bei einzelnen der Taktfrequenzen beispielsweise um Vielfache wenigstens einer anderen der Taktfrequenzen handelt. Insbesondere bei verschiedenen Taktfrequenzen der Taktungen der Pulswechselrichter ist es möglich, dass nach erneutem Auftreten einer ungünstigen Phasenbeziehung, beispielsweise nach mehreren Perioden einer der Taktungen, eine erneute Ausbildung einer Phasendifferenz bei wenigstens einem der Pulswechselrichter vorgenommen wird.
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Die einzelnen Phasenbeziehungen der Taktungen der jeweiligen Pulswechselrichter zueinander können dabei abhängig von der Zustandsinformation gewählt werden, so dass vorteilhaft eine Belastung von Komponenten des Gleichstromnetzwerkes 2 durch eine unerwünschte Welligkeit eines Stromes oder einer Spannung im Gleichstromnetzwerk 2 vermieden wird. Auch bei einer Schaltungsanordnung 19, welche mehr als zwei Pulswechselrichter umfasst, kann in Abhängigkeit einer Zustandsinformation eine Änderung eines Modulationsverfahren an einem oder mehreren der Pulswechselrichter vorgenommen werden und/oder es kann eine feste oder eine betriebsinformationsabhängige Zuweisung der Master-Rolle an einen der Pulswechselrichter erfolgen.
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Neben dem im Gleichstromnetzwerk 2 gemessenen physikalischen Größen ist es auch möglich, zusätzlich oder alternativ weitere Größen zur Bestimmung einer Welligkeit eines Stromes oder einer Spannung in dem Gleichstromnetzwerk 2 heranzuziehen. In 4 ist schematisch der Aufbau des ersten Pulswechselrichters 6 dargestellt. Der zweite Pulswechselrichter 7, der dritte Pulswechselrichter 8 und/oder gegebenenfalls vorhandene weitere Pulswechselrichter können den gleichen Aufbau aufweisen. Der Pulswechselrichter 6 umfasst ein Halbleitermodul 25, welches sechs Transistoren S1 bis S6 umfasst, welche in drei Halbbrücken verschaltet sind sowie eine Zwischenkreiskapazität 29. Die einzelnen Transistoren S1 bis S6 werden durch den Treiber 21 angesteuert. Zusätzlich oder alternativ zu einer über den Stromsensor 23 oder einen Spannungssensor 30 an einem gleichstromnetzwerkseitigen Ausgang des Pulswechselrichters 6 gemessenen physikalischen Größe IDC bzw. VDC kann auch eine Ermittlung einer Welligkeit des Stromes IDC oder der Spannung VDC anhand einer oder mehrerer im Wechselstromnetzwerk 20 gemessener Größen erfolgen.
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Dazu kann beispielsweise über die Sensoren 26, welche jeweils einer der Phasen 27 des Pulswechselrichters 6 zugeordnet sind, ein Strom oder eine Spannung an einem wechselstromnetzwerkseitigen Ausgang des Pulswechselrichters 6 gemessen und an das Steuergerät 14 übertragen werden. Zusätzlich dazu kann das Steuergerät 14 eine, beispielsweise im Treiber 21 hinterlegte Schaltungsinformation, welche eine jeweilige Schaltzeit der Phasen des Pulswechselrichters 6 beschreibt, zur Bildung einer Zustandsinformation berücksichtigt werden. Durch die Taktungsinformation sowie die an den wechselstromnetzwerkseitigen Ausgängen gemessenen physikalischen Größen ist es möglich, eine gleichstromnetzwerkseitige physikalische Größe wie einen Strom oder eine Spannung sowie dessen oder deren Welligkeit zu errechnen und eine Zustandsinformation zu erstellen.
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Um die Erstellung der Zustandsinformation zu verbessern, kann in den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, dass zur Ermittlung der Zustandsinformation eine, beispielsweise in einem Speicher 28 des Steuergeräts 14 hinterlegte, Systembeschreibung des Gleichstromnetzwerkes 2 berücksichtigt wird. Die Beschreibung kann beispielsweise eine insbesondere frequenzabhängige Systemimpedanz des Gleichstromnetzwerkes 2 und/oder einen Phasengang des Gleichstromnetzwerkes 2 umfassen.
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Die Ermittlung der Zustandsinformation ist nicht an die Messung einer einzelnen physikalischen Größe gebunden, sondern kann insbesondere in Abhängigkeit von mehreren verschiedenen physikalische Größen im Gleichstromnetzwerk und/oder im Wechselstromnetzwerk vorgenommen werden, so dass vorteilhaft bereits vorhandene Sensoren der Pulswechselrichter und/oder des Gleichstromnetzwerkes 2 bzw. der Wechselstromnetzwerke 20 herangezogen werden können. Neben dem an einem gleichstromnetzwerkseitigen Anschluss des Pulswechselrichters 6 gemessenen Stroms IDC und/oder der zwischen zwei gleichstromnetzwerkseitigen Anschlüssen des Pulswechselrichters 6 gemessenen Spannung VDC können auch weitere im Gleichstromnetzwerk 2 gemessene Größen herangezogen werden. Dabei kann es sich beispielsweise um Stromgrößen handeln, welche von mit dem Gleichstromnetzwerk 2 verbundenen Komponenten gemessen werden.
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Bei einer Schaltungsanordnung 19, welche Bestandteil eines Kraftfahrzeuges 1 ist, kann, wie vorangehend in 1 dargestellt wurde, beispielsweise eine Strommessung an dem Energiespeicher 3 und/oder an wenigstens einer der Komponenten 4, 5 erfolgen und zur Ermittlung der Zustandsinformation durch das Steuergerät 14 herangezogen werden. Zusätzlich oder alternativ zu einer oder mehr in dem Gleichstromnetzwerk 2 gemessenen Größen können auch die beim wechselstromnetzwerkseitigen Ausgängen gemessenen Größen zur Ermittlung der Zustandsinformation herangezogen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3637479 A1 [0003]
- DE 102010063305 A1 [0004]
- DE 102011003559 A1 [0005]