CN111505385A - 用于确定在电驱动系统的中间电路中的电容量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定在电驱动系统（100）的中间电路（2）中的电容量的方法。在此，电驱动系统（100）包括：至少一个第一电能量源（10），其对中间电路（2）进行供给；驱动单元（80），其具有逆变器（20）和用电器（30），其中逆变器（20）在输入端侧与中间电路（2）电连接并在输出端侧与用电器（30）电连接；和直流电压变换器（40），其与中间电路（2）电连接并通过高频采样来测量中间电路（2）中的电压。根据本发明，由通过直流电压变换器（40）所测量的中间电路（2）中的电压来确定中间电路（2）中的电容量。本发明还涉及机动车，其包括电驱动系统（100），该电驱动系统被设立用于执行根据本发明的方法。

Description

用于确定在电驱动系统的中间电路中的电容量的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定在电驱动系统的中间电路中的电容量的方法。在此，该电驱动系统包括：至少一个第一电能量源，所述第一电能量源对该中间电路进行供给；驱动单元，该驱动单元具有逆变器和用电器，其中所述逆变器在输入端侧与中间电路电连接并且在输出端侧与用电器电连接；和直流电压变换器，该直流电压变换器与中间电路电连接并且通过高频采样来测量在该中间电路中的电压。本发明还涉及如下机动车，该机动车包括电驱动系统，该电驱动系统被设立用于执行按照本发明的方法。
背景技术
呈现出的是：在未来越来越多地应用到电驱动的机动车。这种电驱动的机动车、诸如电动车辆和混合动力车辆分别包括电驱动系统，该电驱动系统具有中间电路以及多个直接地或间接地与中间电路电连接的电单元。该中间电路在此包括多个中间电路电容器，它们分别被分配给直接地与该中间电路电连接的电单元。
直接地与中间电路电连接的上面提及的电单元例如包括：逆变器，尤其是脉冲逆变器，其用于控制和驱动电动机、例如牵引电动机；和直流电压变换器，该直流电压变换器用于将在输入端处所输送的直流电压转换成具有更高的、更低的或反相的电压水平的直流电压。
中间电路电容器、尤其是被分配给逆变器的中间电路电容器通常出于不同原因、诸如制造精确度、在高温下的电容漂移和老化而尺寸过大。因此，不需要对中间电路电容器的如下状态监控，所述状态监控例如确定在中间电路中或中间电路电容器中的当前电容量、尤其是被分配给该逆变器的中间电路电容器的当前电容量。
从文献US 2013/278190 A1中已知一种用于调整直流电压中间电路电压的方法以及电池组和具有直流电压中间电路的电池组系统，其被构造用于实施该方法。
文献US 2018/054151 A1公开一种电功率适配系统和针对该电功率适配系统的控制方法，在该电功率适配系统情况下，通过改变驱动相位的数目和/或多相变换器的电压比来改变纹波电流的特性。
发明内容
提议一种用于确定在电驱动系统的中间电路中的电容量的方法。在此，该电驱动系统包括：至少一个第一电能量源，所述第一电能量源对该中间电路进行供给；驱动单元，该驱动单元具有逆变器和用电器，其中所述逆变器在输入端侧与中间电路电连接并且在输出端侧与用电器电连接；和直流电压变换器，该直流电压变换器与中间电路电连接并且借助高频采样来测量在该中间电路中的电压。
该直流电压变换器在此情况下具有用于测量在中间电路中的电压的装置。该装置可以例如被构造为A/D变换器（模拟数字变换器）。优选地，所述采样的频率大于10kHz。
按照本发明，根据通过该直流电压变换器所测量的在中间电路中的电压来确定在中间电路中的该电容量。
该电驱动系统可以还具有至少一个第二电能量源，其通过直流电压变换器来与中间电路电连接并且具有与第一电能量源不同的电压水平。优选地，该第一电能量源具有比第二电能量源更高的电压水平。
该电驱动系统可以包括其他电单元。例如，该电驱动系统可以具有第一其他用电器和第二其他用电器，所述第一其他用电器具有一个或多个电单元并且通过直流电压变换器来与中间电路电连接，所述第二其他用电器具有一个或多个电单元并且直接地与中间电路电连接。
该中间电路在此具有多个中间电路电容器，这些中间电路电容器分别被分配给直接地与该中间电路电连接的电单元。例如，该中间电路包括如下中间电路电容器，这些中间电路电容器分别被分配给逆变器、直流电压变换器并且必要时也被分配给第二用电器。
该第一电能量源和第二电能量源可以被构造为蓄能器、诸如电池组、尤其是锂离子电池组（LIB）、超级电容器（SC）或混合式超级电容器（HSC）或者构造为能量变换器、诸如燃料电池。
按照本发明的有利构型方案，按照本发明的方法包括以下步骤：
- 在通过直流电压变换器测量在中间电路中的电压时检测在该中间电路中的电压的波度（Welligkeit）；
- 测量用电器的电流；
- 根据用电器的所测量的电流和借助于驱动单元的模型来模仿（Nachbilden）逆变器的输入电流的波度；
- 借助动态的中间电路模型根据在中间电路中的电压的所测量的波度和逆变器的输入电流的所模仿的波度来确定在中间电路中的电容量。
在此，用电器的电流的测量值用作针对用于模仿逆变器的输入电流的波度的驱动单元的模型的出发点。直流电压变换器并且必要时直接地与中间电路电连接的其他单元也在此情况下是不激活的（inaktiv），也即没有电流流经该直流电压变换器和直接地与该中间电路电连接的其他单元。
用电器在此情况下通过逆变器根据开关模式（Schaltmuster）来被控制。例如，用于控制被构造为三相电动机的用电器的该逆变器可以根据所谓的空间向量调制（Raumzeigermodulation）来被控制，所述空间向量调制基于脉宽调制。在此，借助逆变器的模型和电动机的模型能够在电压矢量的时长期间来模仿该逆变器的输入电流的波度，其中电压矢量的时长取决于该空间向量调制的开关频率。
在此，该动态的中间电路模型包括：与该中间电路电连接的所有电缆的电感和电阻；和被分配给相应的直接地与该中间电路电连接的电单元的所有中间电路电容器的电容量。动态应理解为：这些模型参数是动态的并且取决于频率。为了能够根据动态的中间电路模型来确定电容量，通过直流电压变换器所检测的中间电路中的电压的波度和该逆变器的输入电流的所模仿的波度必须同步地存在。这种同步可以例如由此来进行：通过该直流电压变换器所检测的中间电路中的电压的波度被与在中间电路中的通过逆变器所测量的电压同步。为了控制该用电器，在中间电路中的电压也通过逆变器借助采样来被测量，其中通过逆变器进行的这种采样具有比通过直流电压变换器进行的采样更低的采样频率。通过逆变器进行的所述采样并不适合用于模仿在中间电路中的电压的波度。
优选地，可以通过测量在中间电路中的电压来调整（abgleichen）动态的中间电路模型，或者通过在中间电路中的电容量的变化因子（Änderungsfaktor）或者中间电路中的电压的波度的变化因子来确定该动态的中间电路模型。该动态的中间电路模型的调整可以在中间电路中的足够的电容量的情况下被执行。在此，在中间电路中的电容量、与该中间电路电连接的所有电缆的电阻和电感可以被调整。
例如，动态的中间电路模型的调整可以通过比较在中间电路中的通过多次执行按照本发明的方法所获得的容量来进行。可替代地，动态的中间电路模型的调整可以通过比较在中间电路中的电压的如下波度来进行，其中所述波度通过在逆变器的输入电流的相同波度情况下多次执行按照本发明的方法来获得。在中间电路中的更小电容量情况下，在中间电路中产生电压的更大波度。但是，动态的中间电路模型也可以通过比较逆变器的输入电流的波度来被调整，其中所述波度通过在中间电路中的电压的相同波度情况下多次执行按照本发明的方法来获得。
优选地，将所检测的中间电路中的电压的波度的幅度存储在存储介质中。在此，在中间电路中的电压的所检测的波度的所存储的幅度能够被使用用于调整中间电路模型。存储介质应理解为如下介质，该介质适合用于存储数据。存储介质可以是存储卡。但是也能够设想的是云存储器，利用该云存储器能够在线地存储数据。在云存储器中也能够存储关于在其他电驱动系统的中间电路中的容量的信息。所述信息可以用于调整动态的中间电路模型。
根据本发明的另一有利构型方案，按照本发明的方法包括以下步骤：
-在通过直流电压变换器来测量在中间电路中的电压时的时间段（Zeitspanne）内检测中间电路中的电压变化；
-在该时间段内测量中间电路的充电电流或放电电流；
-根据在该时间段内所检测的在中间电路中的电压变化和在该时间段内所测量的充电电流或放电电流借助于方程I=C*du/dt来确定在中间电路中的电容量。
在此，I是该中间电路的充电电流或放电电流并且C是要确定的在中间电路中的容量。du/dt在此情况下表示在该时间段内在中间电路中的电压变化。
优选地，该电驱动系统在此具有至少一个第二电能量源，该第二电能量源通过直流电压变换器来与该中间电路电连接。在此情况下，该中间电路能够通过第二电能量源经由直流电压变换器来被充电并且该第一电能量源在将中间电路充电直至预先确定的电压水平时被关断。
该中间电路也可以通过直流电压变换器来被放电。如果该第二电能量源是电蓄能器，则可以通过中间电路的放电电流经由直流电压变换器来给第二电能量源充电。
在确定在中间电路中的电容量时，例如仅需要考虑在该时间段内的中间电路中的所测量的电压的初始值和终值。
优选地，多次地确定在中间电路中的电容量。接下来，实施在中间电路中的多次确定的电容量的平均值形成。在中间电路中的电容量的多次确定在充电或放电过程中进行。
在此情况下，能够有利地根据温度来确定该中间电路中的电容量。这实现关于在中间电路中的中间电路电容器的老化的附加信息，其被分配给相应的、直接地与该中间电路电连接的电单元。此外，可以利用在中间电路中的电容量的所述测量根据温度来确定或计算出该温度对中间电路中的电容量的影响。
利用按照本发明的方法，可以确定被分配给该逆变器的中间电路电容器的电容量。在此，该中间电路可以包括多个中间电路电容器，这些中间电路电容器分别被分配给直接地与该中间电路连接的电单元。为此，被分配给该逆变器的中间电路电容器的电容量明显大于分别分配给直接地与该中间电路连接的其他电单元的中间电路电容器的容量的总和。
还提议一种机动车，该机动车包括电驱动系统，该电驱动系统被设立用于执行按照本发明的方法。
本发明的优点
中间电路通常包括多个中间电路电容器。例如，该中间电路可以包括：第一中间电路电容器，该第一中间电路电容器被分配给逆变器；和第二中间电路电容器，该第二中间电路电容器被分配给直流电压变换器。该中间电路可以具有其他中间电路电容器，所述其他中间电路电容器被分配给直接地与中间电路电连接的其他电单元或用电器。
利用按照本发明的方法，可以充分利用电驱动系统的直流电压变换器的高频采样的电压测量。因此，在电驱动系统的中间电路中的电容量可以被低成本地确定。
因为被分配给直流电压变换器的中间电路电容器的电容量以及被分配给其他电单元的中间电路电容器的电容量与被分配给逆变器的中间电路电容器的电容量相比明显更小，被分配给逆变器的中间电路电容器的电容量能够以近似的方式利用按照本发明的方法来被确定。
利用按照本发明的方法，可以持久地监控被分配给逆变器的中间电路电容器的状态。
有利地，利用按照本发明的方法而可能的是，通过收集测量信号、例如电压、电流和温度来确定被分配给逆变器的中间电路电容器的老化机制。
利用按照本发明的方法还可能的是，使得调节、诸如电流调节的参数适配于被分配给逆变器的中间电路电容器的状态，以便能够延长被分配给逆变器的中间电路电容器的使用寿命。
此外，被分配给逆变器的中间电路电容器能够利用按照本发明的方法被设计得更小并且因此避免被分配给逆变器的中间电路电容器的尺寸过大。因此，被分配给逆变器的中间电路电容器或逆变器的结构空间以及制造成本被减小。
附图说明
根据附图和接下来的描述来进一步阐述本发明的实施方式。其中：
图1示出电驱动系统的示意图，该电驱动系统被设立用于确定在中间电路中的电容量。
具体实施方式
在本发明的实施方式的接下来的描述中，利用相同的附图标记来表示相同的或类似的要素，其中放弃在单个情况中对这些要素的重复描述。这些图仅仅示意性地表示本发明的主题。
图1示出电驱动系统100的示意图，该电驱动系统被设立用于确定在中间电路2中的电容量。
该电驱动系统100包括第一电能量源10，该第一电能量源通过主开关12来与中间电路2电连接并且对该中间电路2进行供给。该第一电能量源10可以被构造为蓄能器，例如电池组，尤其是锂离子电池组（LIB）、超级电容器（SC）或混合式超级电容器（HSC）。但是该第一电能量源10也可以构造为能量变换器，诸如燃料电池。
该电驱动系统100还包括驱动单元80，该驱动单元具有逆变器20和用电器30，其中该逆变器20在输入端侧与中间电路2电连接。在输出端侧，该逆变器20与用电器30电连接。根据与该逆变器20电连接的用电器30而定，该逆变器20构型成单相的或三相的。该用电器30在此可以被构造为三相电动机。
电驱动系统100还包括直流电压变换器40，该直流电压变换器与中间电路2电连接并且借助高频采样来测量在中间电路2中的电压。
此外，该电驱动系统100具有第二电能量源50，该第二电能量源通过直流电压变换器40来与中间电路2电连接。第二电能量源50可以被构造为蓄能器、例如电池组、尤其是锂离子电池组（LIB）、超级电容器（SC）或混合式超级电容器（HSC）。但是该第一电能量源10也可以构造为能量变换器，诸如燃料电池。
第一电能量源10和第二电能量源50在此具有不同的电压水平。优选地，该第一电能量源10具有比第二电能量源50更高的电压水平。
该电驱动系统100还包括第一其他用电器60，所述第一其他用电器与直流电压变换器40电连接并且经由该直流电压变换器来与该中间电路2电连接。第一其他用电器60应理解为电单元的组。
该电驱动系统100还包括第二其他用电器70，该第二其他用电器与该中间电路2直接电连接。该第二其他用电器70同样应理解为电单元的组。
该中间电路2在此情况下包括多个中间电路电容器，这些中间电路电容器分别被分配给逆变器20、直流电压变换器40以及第二其他用电器70。
为了确定在中间电路2中的电容量，通过直流电压变换器40借助高频采样来测量在中间电路2中的电压。
按照本发明的有利构型方案，在通过直流电压变换器来测量在中间电路2中的电压时检测在中间电路2中的电压的波度。为了能够检测在中间电路2中的电压的波度，采样的频率为优选大于10kHz。
在此，借助于驱动单元80的模型来模仿该逆变器20的输入电流的波度。在此情况下，像是直流电压变换器40或第二其他用电器70那样的其他电单元并不是激活的。
用电器30的电流在此情况下被测量，其中该用电器30的电流的测量值用作为针对用于模仿该逆变器20的输入电流的波度的驱动单元80的模型的出发点。
该用电器30可以根据开关模式由逆变器20来被控制。例如，该用电器30可以通过逆变器20根据所谓的空间向量调制来被控制，其中该用电器被构造为三相电动机，其中该空间向量调制基于脉宽调制。在此，借助于该逆变器20的模型和该电动机的模型能够在电压矢量的时长期间来模仿该电动机的电流的波度，其中电压矢量的时长取决于该空间向量调制的开关频率。
在检测中间电路2中的电压的波度并且模仿该逆变器20的输入电流的波度之后，根据动态的中间电路模型来确定该中间电路2中的电容量。在此，该动态的中间电路模型包括：与该中间电路2电连接的所有电缆的电感和电阻；和被分配给相应的直接地与该中间电路2电连接的电单元的所有中间电路电容器的电容量，其中所述电单元当前为逆变器20、直流电压变换器40和第二其他用电器70。为了能够根据动态的中间电路模型来确定在中间电路2中的电容量，通过直流电压变换器40所检测的中间电路2中的电压的波度和该逆变器20的输入电流的所模仿的波度必须同步地存在。这种同步可以例如由此来进行：通过该直流电压变换器40所检测的中间电路2中的电压的波度被与在中间电路2中的通过逆变器20所测量的电压同步。为了控制该用电器30，在中间电路2中的电压也通过逆变器20借助采样来被测量，其中通过逆变器20进行的这种采样具有比通过直流电压变换器40进行的采样更低的采样频率。通过逆变器20进行的所述采样并不适合用于模仿在中间电路2中的电压的波度。
可以通过测量在中间电路2中的电压来调整动态的中间电路模型，或者通过在中间电路2中的电容量的变化因子或者中间电路2中的电压的波度的变化因子来确定该动态的中间电路模型。该动态的中间电路模型的调整可以在中间电路2中的足够的电容量的情况下被执行。在中间电路2中的更小的电容量情况下产生在中间电路2中的电压的更大的波度。
优选地，将所检测的中间电路2中的电压的波度的幅度存储到存储介质中。在此，在中间电路2中的电压的所检测的波度的所存储的幅度能够被使用用于调整动态的中间电路模型。存储介质可以是存储卡。但是也能够设想的是云存储器，利用云存储器能够在线地存储所述数据。在云存储器中也能够存储关于在其他电驱动系统100的中间电路2中的容量的信息。这种信息可以用于调整动态的中间电路模型。
根据本发明的另一有利构型方案，在通过直流电压变换器40来测量中间电路2中的电压时的时间段内检测中间电路2中的电压变化。
在此情况下，在该时间段内测量中间电路2的充电电流或放电电流。该中间电路2可以通过第二电能量源50经由直流电压变换器40来被充电，并且在将中间电路2充电直至预先确定的电压水平时，第一电能量源10通过主开关12被从中间电路2分离。
中间电路2也可以经由直流电压变换器来放电。如果第二电能量源50是电蓄能器，则可以通过中间电路2的放电电流经由直流电压变换器40来给第二电能量源50充电。
根据在该时间段内所检测的在中间电路2中的电压变化和在该时间段内所测量的充电电流或放电电流，借助于方程I=C*du/dt来确定在中间电路2中的电容量。在此，I是该中间电路2的充电电流或放电电流并且C是要确定的在中间电路2中的容量。du/dt在此情况下表示在该时间段内在中间电路2中的电压变化。
优选地，该电驱动系统100是机动车的、尤其是电动车辆或混合动力车辆的电驱动系统。
在此，该用电器30被构造为电动机、诸如牵引发动机。该第一电能量源10可以被构造为蓄能器、诸如牵引用电池组或能量变换器，诸如燃料电池。第一电能量源10可以例如具有48伏特或者还要更高的电压水平。第二电能量源50可以例如是具有低电压的电池组，诸如12V的电池组。
第一其他用电器60可以例如包括娱乐设备、例如收音机、屏幕。
第二其他用电器70可以例如包括暖气、通风机和空调设施。
在机动车的启动时，中间电路2被充电。该充电的时间段在此被观察。在该充电的时间段内，通过直流电压变换器40来测量在中间电路2中的电压。
在机动车的启动时，中间电路2被充电。在此观察充电的时间段。在该充电的时间段内，通过直流电压变换器40来测量中间电路2中的电压。与在该充电的时间段内所测量的中间电路2的充电电流共同地，能够确定在中间电路2中的电容量。
相反，该中间电路2在机动车的停放（Abstellen）情况下被放电。在此观察该放电的时间段。在该放电的时间段内，通过直流电压变换器40来测量中间电路2中的电压。与在放电的时间段内所测量的中间电路2的放电电流共同地，能够确定在中间电路2中的电容量。
在确定在中间电路2中的电容量时，例如仅需要考虑在该时间段内的中间电路2中的所测量的电压的初始值和终值。
优选地，多次地确定在中间电路2中的电容量。接下来，实施在中间电路2中的多次确定的电容量的平均值形成。在中间电路2中的电容量的多次确定在充电或放电过程中进行。
能够有利地根据温度来确定该中间电路2中的电容量。这实现关于在中间电路2中的中间电路电容器的老化的附加信息，其被分配给相应的、直接地与该中间电路2电连接的电单元。此外，可以利用在中间电路2中的电容量的所述测量根据温度来确定或计算出该温度对中间电路2中的电容量的影响。
如果机动车已足够长时间地停放（gestanden hat），则根据温度来对中间电路2中的电容量的确定可以尤其是在该机动车的启动时进行。在此情况下，中间电路2的温度或者在中间电路2中的中间电路电容器的温度与冷却液的温度或周围环境的温度一致。
因为被分配给直流电压变换器40的中间电路电容器的电容量以及被分配给第二其他用电器70的中间电路电容器的电容量与被分配给逆变器20的中间电路电容器的电容量相比而言明显更小，被分配给逆变器20的中间电路电容器的电容量能利用根据本发明的方法以近似的方式（näherungsweise）来被确定。
本发明并不限于在此所描述的实施例和其中突出强调的方面。而是相反地，在通过权利要求所说明的范围之内，处在本领域技术人员处理的范畴内的大量变化方案是可能的。

Claims (10)

1.用于确定在电驱动系统（100）的中间电路（2）中的电容量的方法，其中所述电驱动系统（100）包括：
至少一个第一电能量源（10），所述第一电能量源对所述中间电路（2）进行供给；
驱动单元（80），所述驱动单元具有逆变器（20）和用电器（30），其中所述逆变器（20）在输入端侧与所述中间电路（2）电连接并且在输出端侧与所述用电器（30）电连接；和
直流电压变换器（40），所述直流电压变换器与所述中间电路（2）电连接并且通过高频采样来测量在所述中间电路（2）中的电压，其特征在于，
根据通过所述直流电压变换器（40）所测量的在所述中间电路（2）中的电压来确定在所述中间电路（2）中的所述电容量。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括以下步骤：
- 在通过所述直流电压变换器（40）测量在所述中间电路（2）中的电压时检测在所述中间电路（2）中的电压的波度；
- 测量所述用电器（30）的电流；
- 根据所述用电器（30）的所测量的电流和借助于所述驱动单元（80）的模型来模仿所述逆变器（20）的输入电流的波度；
- 借助动态的中间电路模型根据在所述中间电路（2）中的电压的所检测的波度和所述逆变器（20）的输入电流的所模仿的波度来确定在所述中间电路中（2）的所述电容量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
通过测量在所述中间电路（2）中的电压来调整所述动态的中间电路模型，或者通过在所述中间电路（2）中的电容量的变化因子或者所述中间电路（2）中的电压的波度的变化因子来确定所述动态的中间电路模型。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，
将所检测的所述中间电路（2）中的电压的波度的幅度存储在存储介质中。
5.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括以下步骤：
- 在通过所述直流电压变换器（40）来测量在所述中间电路（2）中的电压时的时间段内检测所述中间电路（2）中的电压变化；
- 在所述时间段内测量所述中间电路（2）的充电电流或放电电流；
- 根据在所述时间段内所检测的在所述中间电路（2）中的电压变化和在所述时间段内所测量的充电电流或放电电流来确定在所述中间电路（2）中的电容量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电驱动系统（100）具有：至少一个第二电能量源（50），所述第二电能量源通过所述直流电压变换器(40)来与所述中间电路（2）电连接。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，多次地确定在所述中间电路（2）中的电容量，并且实施在所述中间电路（2）中的多次确定的电容量的平均值形成。
8.根据权利要求5至7其中任意一项所述的方法，其特征在于，根据温度来确定所述中间电路（2）中的所述电容量。
9.根据权利要求1至8其中任意一项所述的方法，其中，被分配给所述逆变器（20）的中间电路电容器的电容量被确定。
10.机动车，所述机动车包括电驱动系统（100），所述电驱动系统被设立用于执行根据权利要求1至9其中任意一项所述的方法。
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