DE102012210011A1 - Stromerfassungseinrichtung für Phasenströme eines Wechselrichters und Verfahren zum Erfassen der Phasenströme eines Wechselrichters - Google Patents

Stromerfassungseinrichtung für Phasenströme eines Wechselrichters und Verfahren zum Erfassen der Phasenströme eines Wechselrichters Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromerfassungseinrichtung für Phasenströme eines Wechselrichters, wobei die Stromerfassungseinrichtung dazu ausgelegt ist, während eines Schaltvorgangs eines Halbleiterschalters des Wechselrichters ein Spannungssignal zu erfassen, welches von einem Spannungsabfall über dem Halbleiterschalter des Wechselrichters während des Schaltvorgangs abhängig ist, und einen Phasenstrom auf der Basis des erfassten Spannungssignals zu bestimmen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Stromerfassungseinrichtung für Phasenströme eines Wechselrichters, ein elektrisches Antriebssystem mit einer derartigen Stromerfassungseinrichtung und ein Verfahren zum Erfassen der Phasenströme eines Wechselrichters.
  • Stand der Technik
  • Elektro- und Hybridfahrzeuge weisen häufig leistungselektronische Schaltungskomponenten im Antriebssystem zwischen Traktionsbatterie und der elektrischen Maschine auf, welche in der Regel als Spannungszwischenkreisumrichter aufgebaut sind. Dabei dient ein Gleichspannungszwischenkreis als Koppelglied zwischen Traktionsbatterie und einem Wechselrichter, welcher zur Übertragung von elektrischer Leistung aus dem Gleichspannungszwischenkreis auf die elektrische Maschine angesteuert werden kann.
  • Wechselrichter können beispielsweise als Vollbrückenschaltung mit einer Anzahl von Brückenzweigen mit je zwei Halbleiterschaltern ausgeführt sein. Dabei können die mit einem ersten Ausgangsanschluss des Gleichspannungszwischenkreises verbundenen Halbleiterschalter der Brückenzweige jeweils als High-Side-Schalter und die mit dem zweiten Ausgangsanschluss des Gleichspannungszwischenkreises verbundenen Halbleiterschalter der Brückenzweige jeweils als Low-Side-Schalter bezeichnet werden. Als Halbleiterschalter können dabei beispielsweise IGBT-Module (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) mit antiparallel geschalteter Diode oder MOSFETs (Metalloxidfeldeffekttransistoren) verwendet werden.
  • Für die Regelung elektrischer Maschinen, beispielsweise in einer Drehzahl- oder Momentenregelung, ist es notwendig, genaue Kenntnis über die in der elektrischen Maschine fließenden Ströme zu erlangen. Aus Sicherheitsgründen ist es zudem wünschenswert, diese Ströme in redundanter oder überbestimmter Weise zu erfassen, um die erforderliche Zuverlässigkeit des Systems mit der elektrischen Maschine zu gewährleisten. Insbesondere bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen wie Elektro- oder Hybridfahrzeugen ist die Regelgröße der elektrischen Maschine des elektrischen Antriebssystems sicherheitsrelevant.
  • Die Druckschrift US 2011/0221369 A1 offenbart beispielsweise ein elektrisches Antriebssystem mit einem elektrischen Motor, einem Wechselrichter, einem Zwischenkreiskondensator und einer Phasenstromerfassungssensorik. Die Phasenstromerfassungssensorik ermittelt Phasenströme an den Ausgangsanschlüssen des Wechselrichters sowie an einem Ausgangsanschluss des Zwischenkreises.
  • Die Druckschrift DE 196 81 189 C2 offenbart ein Verfahren zum Erfassen von Phasenströmen an den Ausgängen eines Wechselrichters, welcher aus einem Gleichspannungszwischenkreis gespeist wird. Das Verfahren erfasst den Strom aus dem Gleichspannungszwischenkreis und ermittelt in Abhängigkeit des erfassten Stroms und der Schalterstellung der Halbleiterschalter des Wechselrichters die Phasenströme.
  • Die Druckschrift DE 10 2008 042 978 A1 offenbart ein Verfahren zum Schätzen von Phasenströmen eines Wechselrichters, bei dem eingangsseitige Phasenspannungen des Wechselrichters in Abhängigkeit von einer Zwischenkreisspannung zur Schätzung der Phasenströme herangezogen werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Stromerfassungseinrichtung für Phasenströme eines Wechselrichters, wobei die Stromerfassungseinrichtung dazu ausgelegt ist, während eines Schaltvorgangs eines Halbleiterschalters des Wechselrichters ein Spannungssignal zu erfassen, welches von einem Spannungsabfall über dem Halbleiterschalter des Wechselrichters während des Schaltvorgangs abhängig ist, und einen Phasenstrom auf der Basis des erfassten Spannungssignals zu bestimmen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem für eine n-phasige elektrische Maschine, wobei n ≥ 1, mit einem Wechselrichter mit einer Vielzahl von Halbleiterschaltern, und einer erfindungsgemäßen Stromerfassungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, während eines Schaltvorgangs eines der Vielzahl von Halbleiterschaltern des Wechselrichters ein Spannungssignal zu erfassen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erfassen der Phasenströme eines Wechselrichters, mit den Schritten des Durchführens eines Schaltvorgangs eines Halbleiterschalters des Wechselrichters, des Erfassens eines Spannungssignals, welches von einem Spannungsabfall über dem Halbleiterschalter des Wechselrichters während des Schaltvorgangs abhängig ist, des Integrierens des erfassten Spannungssignals über die Dauer des Schaltvorgangs, und des Bestimmens eines Phasenstroms auf der Basis des integrierten Spannungssignals.
  • Vorteile der Erfindung
  • Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, eine Phasenstromsensorschaltung bereitzustellen, welche Phasenströme eines Wechselrichters, welcher beispielsweise zur Speisung einer mehrphasigen elektrischen Maschine vorgesehen ist, mit Hilfe von Spannungsabfällen an den Induktivitäten des Kommutierungskreises während des Schaltens der Halbleiterschalter des Wechselrichters ermittelt.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass der Implementierungsaufwand für eine derartige Phasenstromsensorschaltung gering ist, wodurch die Implementierungskosten, der Bauraumbedarf und das Systemgewicht eines mit einer derartigen Phasenstromsensorschaltung ausgerüsteten Antriebssystems erheblich reduziert werden kann. Die Phasenstromsensorschaltung bzw. Stromerfassungseinrichtung kann ohne spezielle Führung der Stromschienen oder besondere Spezialkomponenten implementiert werden. Vorteilhafterweise sind dazu lediglich kostengünstige SMD-Bauteile notwendig.
  • Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromerfassungseinrichtung kann die Stromerfassungseinrichtung dazu ausgelegt sein, den Phasenstrom in Abhängigkeit von der Induktivität des Kommutierungskreises in dem Wechselrichter zu bestimmen. Dadurch können die ohnehin auftretenden parasitären Induktivitäten eines Kommutierungskreises des Wechselrichters, das heißt, der Stromschleife von einem Anschluss des Zwischenkreiskondensators über einen Halbbrückenzweig des Wechselrichters zu dem anderen Anschluss des Zwischenkreiskondensators, in vorteilhafter Weise in die Ermittlung der Phasenströme mit einbezogen werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromerfassungseinrichtung kann die Stromerfassungseinrichtung weiterhin dazu ausgelegt sein, den Gleichspannungsanteil des erfassten Spannungssignals herauszufiltern. Dadurch ist es nicht notwendig, die Dauer des Schaltvorgangs separat zu bestimmen, da vor Beginn bzw. nach Abschluss des Schaltvorgangs das gefilterte Spannungssignal den Wert 0 aufweist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromerfassungseinrichtung kann die Stromerfassungseinrichtung weiterhin dazu ausgelegt sein, das Spannungssignal als Spannung an einem Kollektor- bzw. Drainanschluss des Halbleiterschalters zu erfassen. Alternativ dazu kann die Stromerfassungseinrichtung dazu ausgelegt sein, das Spannungssignal als Spannung über eine durch zwei Halbleiterschalter gebildete Halbbrücke des Wechselrichters zu erfassen. In beiden Fällen ist es möglich, auf konventionelle Stromsensoren teilweise oder vollständig zu verzichten, da das Spannungssignal ohne zusätzliche Messkomponenten erfasst werden kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromerfassungseinrichtung kann die Stromerfassungseinrichtung weiterhin dazu ausgelegt sein, das erfasste Spannungssignal über die Dauer des Schaltvorgangs zu integrieren, und den Phasenstrom auf der Basis des integrierten Spannungssignals zu bestimmen.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin einem Zwischenkreiskondensator, welcher mit zwei Eingangsspannungsanschlüssen verbunden ist, aufweisen, wobei der Wechselrichter mit dem Zwischenkreiskondensator gekoppelt ist, aus dem Zwischenkreiskondensator mit elektrischer Energie gespeist wird und dazu ausgelegt ist, eine n-phasige Versorgungsspannung für die elektrische Maschine zu erzeugen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems können die Halbleiterschalter IGBT-Schalter in Vollbrückenschaltung umfassen.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Bestimmen des Phasenstroms in Abhängigkeit von der Induktivität des Kommutierungskreises in dem Wechselrichter erfolgen. Dadurch können die ohnehin auftretenden parasitären Induktivitäten eines Kommutierungskreises des Wechselrichters, das heißt, der Stromschleife von einem Anschluss des Zwischenkreiskondensators über einen Halbbrückenzweig des Wechselrichters zu dem anderen Anschluss des Zwischenkreiskondensators, in vorteilhafter Weise in die Ermittlung der Phasenströme mit einbezogen werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Filterns des Gleichspannungsanteils des erfassten Spannungssignals umfassen. Dadurch ist es nicht notwendig, die Dauer des Schaltvorgangs separat zu bestimmen, da vor Beginn bzw. nach Abschluss des Schaltvorgangs das gefilterte Spannungssignal den Wert 0 aufweist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Schaltvorgang des Halbleiterschalters ein Abschalten oder ein Anschalten des Halbleiterschalters umfassen. Aufgrund der hohen Schaltfrequenz eines Wechselrichters – typischerweise etwa 1 bis 100 kHz – können damit ausreichend viele Messpunkte für den Phasenstrom erhalten werden, was für eine hochdynamische Regelung ausreichend ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Erfassen des Spannungssignals ein Erfassen der Spannung an einem Kollektor- bzw. Drainanschluss und des zugehörigen Emitter- bzw. Sourceanschlusses des Halbleiterschalters umfassen. Alternativ kann das Erfassen des Spannungssignals ein Erfassen der Spannung über eine durch zwei Halbleiterschalter gebildete Halbbrücke des Wechselrichters umfassen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Regeln der Ansteuerung des Wechselrichters auf der Basis der bestimmten Phasenströme erfolgen. Dies ermöglicht den kompletten Verzicht auf zusätzliche Stromsensoren. Zu Plausibilisierungsgründen kann das Verfahren alternativ zusätzlich zu konventionellen Stromsensoren eingesetzt werden, was in vorteilhafter Weise die Sicherheit und Zuverlässigkeit einer Drehzahl- oder Momentenregelung der elektrischen Maschine ermöglicht.
  • Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Halbleiterschalters in einem elektrischen Antriebssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 eine schematische Darstellung eines Kommutierungskreises eines Wechselrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 4 eine schematische Darstellung von Spannungs- und Stromsignalen bei einem Abschalten eines Halbleiterschalters gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
  • 5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Erfassen der Phasenströme eines Wechselrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 100 eines Fahrzeugs zum Versorgen einer n-phasigen elektrischen Maschine 3 mit einer n-phasigen Versorgungsspannung, wobei n ≥ 1. Das elektrische Antriebssystem 100 umfasst zwei Eingangsanschlüsse T+ und T–, welche beispielsweise durch eine Energiespeichereinrichtung wie eine Hochspannungsbatterie oder eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs mit Hochspannung versorgt werden können. Die Eingangsanschlüsse T+ und T– sind mit einem Gleichspannungszwischenkreis verbunden, welcher einen Zwischenkreiskondensator 2 aufweist. Der Zwischenkreiskondensator 2 ist über Ausgangsanschlüsse mit Eingangsanschlüssen eines Wechselrichters 10, beispielsweise eines Pulswechselrichters 10, verbunden. Der in 1 dargestellte Spannungszwischenkreisumrichter mit dem Zwischenkreiskondensator 2 und dem Wechselrichter 10 ist beispielhaft als dreiphasiger Umrichter dargestellt, das heißt, der Wechselrichter 10 umfasst drei Brückenzweige 10a, 10b, 10c mit jeweils zwei Halbleiterschaltern. Der erste Brückenzweig 10a, umfasst beispielsweise die Halbleiterschalter 1a und 1d, der zweite Brückenzweig 10b beispielsweise die Halbleiterschalter 1b und 1e und der dritte Brückenzweig 10c beispielsweise die Halbleiterschalter 1c und 1f. Dabei werden die Halbleiterschalter 1a, 1b, 1c einer Brückenseite als High-Side-Schalter bezeichnet, und die Halbleiterschalter 1d, 1e, 1f der anderen Brückenseite als Low-Side-Schalter. Es sollte dabei klar sein, dass jede andere Anzahl von Brückenzweigen bzw. Phasen des Spannungszwischenkreisumrichters ebenso möglich ist, und dass die Bezeichnung der Halbleiterschalter 1a bis 1f als High-Side- und Low-Side-Schalter nur beispielhaft gewählt ist.
  • Die in 1 dargestellten Halbleiterschalter 1a bis 1f können dabei beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. In einer möglichen Ausführungsform sind die Halbleiterschalter jeweils IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), es ist jedoch ebenso möglich, andere Halbleiterschalter in entsprechender Form vorzusehen, zum Beispiel in Form von JFETs (Junction Field-Effect Transistors) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors). Wenn die Halbleiterschalter 1a bis 1f IGBT-Schalter aufweisen, kann es vorgesehen sein, zu jedem der IGBT-Schalter eine in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Diode anti-parallel zu schalten.
  • Das elektrische Antriebssystem 100 weist ferner eine Steuerregelung 5 auf, welche dazu ausgelegt ist, Schaltsignale 8 zu erzeugen, welche ein schaltendes Ansteuern der Halbleiterschalter 1a bis 1f codieren. Die Schaltsignale 8 können dabei beispielsweise einen logisch niedrigen Pegel aufweisen, wenn die Halbleiterschalter 1a bis 1f geöffnet sein sollen, und einen logisch hohen Pegel, wenn die Halbleiterschalter 1a bis 1f geschlossen sein sollen. Die Steuerregelung 5 speist die Schaltsignale 8 in entsprechende (nicht gezeigte) Steuer- und Treibervorrichtungen, welche jeweils für die Ansteuerung eines der Halbleiterschalter 1a bis 1f verantwortlich sind.
  • Das System 100 umfasst weiterhin eine Stromerfassungseinrichtung 4, welche mit dem Wechselrichter 10 gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die von dem Wechselrichter 10 ausgegebenen Phasenströme für die elektrische Maschine 3 zu bestimmen. Während eines Schaltvorgangs eines Halbleiterschalters 1a bis 1f des Wechselrichters 10 kann die Stromerfassungseinrichtung 4 dazu ausgelegt sein, ein Spannungssignal 6a, ..., 6f bzw. 7a, ..., 7c zu erfassen, welches von einem Spannungsabfall über dem bzw. den jeweiligen Halbleiterschalter(n) 1a bis 1f des Wechselrichters 10 während des Schaltvorgangs abhängig ist. Die Stromerfassungseinrichtung 4 kann dazu ausgelegt sein, das erfasste Spannungssignal 6a, ..., 6f bzw. 7a, ..., 7c über die Dauer des Schaltvorgangs zu integrieren, und einen Phasenstrom auf der Basis des integrierten Spannungssignals zu bestimmen.
  • 2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Halbleiterschalters 1 eines Wechselrichters, wie beispielsweise des Wechselrichters 10 in 1. Der Halbleiterschalter 1 ist in 2 beispielhaft als IGBT-Schalter gezeigt, welcher einen Kollektoranschluss 11, einen Emitteranschluss 12, einen Gate- oder Steuereingang 13 und einen Stromsensorausgang 14 aufweist. Über den Stromsensorausgang 14 kann ein Strommesssignal abgeführt werden, welches die Stromstärke eines momentan durch den IGBT-Schalter 1 fließenden Stroms angibt. Der IGBT-Schalter 1 kann über den Steuereingang 13 durch Anlegen eines entsprechenden Steuersignals 8 mit einem bestimmten Spannungspegel in verschiedenen Betriebsmodi angesteuert werden.
  • Jeder der Halbleiterschalter 1a bis 1f der 1 kann beispielsweise gemäß dem in 2 gezeigten IGBT-Schalter 1 aufgebaut sein. Insbesondere kann die Stromerfassungseinrichtung 4 zum einen ein erstes Spannungssignal 6a bis 6f von jedem der Halbleiterschalter 1a bis 1f als Spannung an dem Kollektor- bzw. Drainanschluss 11 des Halbleiterschalters 1a bis 1f erfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Stromerfassungseinrichtung 4 ein zweites Spannungssignal 7a bis 7c als Spannung über eine durch zwei Halbleiterschalter 1a bis 1f gebildete Halbbrücke 10a bis 10c des Wechselrichters 10 erfassen.
  • Insbesondere in einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine 3 kann die Steuerregelung 5 die Halbleiterschalter 1a bis 1f hochfrequent getaktet ansteuern. Durch die Ansteuerung fließt ein Gleichstrom Idc aus dem Zwischenkreiskondensator 2 in den Wechselrichter 10, welcher seinerseits Phasenströme Iph an den Ausgangsanschlüssen bereitstellen kann. Die Summe der Phasenströme in dem in 1 beispielhaft dargestellten dreiphasigen System beträgt zu jedem Zeitpunkt 0, wobei der Gleichstrom Idc mit den Phasenströme Iph wie folgt verknüpft ist:
    Figure 00080001
    wobei ϕ der Phasenwinkel, m der Modulationsgrad und Iph der Effektivwert des jeweiligen Phasenstroms ist. Die Ströme des Systems 100 sind dadurch überbestimmt. Bei einem dreiphasigen System 100 beispielsweise können mit zwei gemessenen Strömen alle weiteren Ströme bestimmt werden. Aus Gründen der funktionalen Sicherheit können mehr als die erforderlichen Ströme bestimmt werden, so dass die überzähligen Messwerte zur Plausibilisierung der übrigen Messwerte herangezogen werden können.
  • Zur Bestimmung der Phasenströme Iph kann auf den Kommutierungskreis eines Halbbrückenzweiges des Wechselrichters zurückgegriffen werden, wie beispielhaft in 3 schematisch dargestellt. Der Kommutierungskreis, das heißt, der Bereich der Stromänderung ΔI im Wechselrichter 10 weist parasitäre Induktivitäten auf, die in 3 als Ersatzinduktivität 2Lk dargestellt ist. Parasitäre Induktivitäten können beispielsweise parasitäre oder intrinsische Induktivitäten des Zwischenkreiskondensators 2, der Halbleiterschalter 1a bzw. 1d oder der für die stromführenden Leitungen verwendeten Verbindungstechnik sein. Diese Induktivitäten können als Gesamtinduktivität 2Lk des Kommutierungskreises dargestellt werden. Die Gesamtinduktivität 2Lk des Kommutierungskreises kann beispielsweise durch Simulation oder durch Messung der Komponenten ermittelt werden. In 3 wird die Gesamtinduktivität 2Lk beispielhaft als auf zwei Induktivitätsanteile Lk auf der Niedervolt- bzw. auf der Hochvoltseite angeordnet dargestellt.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Strom- bzw. Spannungsdiagramms für einen beispielhaften zeitlichen Verlauf eines Schaltvorgangs für einen Halbleiterschalter 1 zwischen den Zeitpunkten t0 und t1. Beispielhaft ist in 4 ein Abschaltvorgang eines Halbleiterschalters 1 gezeigt, wobei für einen Anschaltvorgang eines Halbleiterschalters 1 analoge Erwägungen gelten. Gezeigt ist im oberen Diagramm der Stromfluss Ic durch den dem Halbleiterschalter 1 zugehörigen Brückenzweig und im unteren Diagramm der Verlauf des Spannungsabfalls UM über diesen Brückenzweig bzw. über den Halbleiterschalter 1. Die entsprechenden Zeitverläufe werden im Zusammenhang mit 3 erläutert, in der der zugehörige Kommutierungskreis des Wechselrichters 10 in 1 in höherem Detail schematisch dargestellt ist.
  • Im Bezug auf 4 findet zum Zeitpunkt t0 der Beginn des Abschaltvorgangs statt. Dabei findet eine Stromänderung entlang des mit ΔI gekennzeichneten Strompfades in 3 statt. Zunächst führt das Abfallen des Stroms durch den Halbleiterschalter 1 zu einem Spannungsanstieg. Während der Zeitdauer Δt des Schaltvorgangs erreicht das Spannungssignal UM einen Maximalwert und nimmt dann wieder bis auf den Gleichspannungsanteil ab. Dadurch ergibt sich ein mit dem Bezugszeichen 21 gekennzeichneter Spannungsüberschwinger, welcher eine positive Spannungsfläche unter dem Spannungssignal aufweist. Der Zusammenhang zwischen dem Phasenstrom Iph und der Spannung UM ist dabei
    Figure 00090001
    , wobei Apos der Flächenwert der Spannungsfläche 21 ist. Mit anderen Worten kann man das Spannungssignal UM(t) während des Schaltvorgangs ermitteln und integrieren, um in Kenntnis der parasitären Induktivität Lk den Phasenstrom Iph zu ermitteln. Dadurch kann in ähnlicher Weise für jeden Halbbrückenzweig 10a bis 10c durch Auswertung der Spannungssignale der zugehörigen Halbleiterschalter 1a bis 1f ein Phasenstrom ermittelt werden.
  • Bei der Ermittlung des Phasenstroms Iph kann der nicht erfasste Induktivitätsanteil innerhalb des Halbleiterschalters 1a bis 1f in der parasitären Induktivität Lk mit berücksichtigt werden.
  • Vorteilhafterweise kann aus dem Spannungssignal UM der Gleichspannungsanteil, beispielsweise durch einen Hochpassfilter, herausgefiltert werden, um den Flächenwert der Spannungsfläche 21 leichter bestimmen zu können.
  • Dieses Vorgehen kann sowohl für Abschaltvorgänge als auch für Anschaltvorgänge der Halbleiterschalter 1a bis 1f eingesetzt werden. Vor einem Abschaltvorgang eines High-Side-Schalters 1a fließt der Phasenstrom Iph zunächst über den High-Side-Schalter 1a zur elektrischen Maschine 3 und durch deren Speicherdrossel 3a. Schaltet der High-Side-Schalter 1a ab, kommutiert der Strom, der aufgrund der großen Induktivität der Speicherdrossel 3a zunächst unverändert bleibt, auf die Diode des Low-Side-Schalters 1d. Vor einem Abschaltvorgang eines Low-Side-Schalters 1d hingegen fließt der Phasenstrom Iph zunächst über den Low-Side-Schalter 1d von der elektrischen Maschine 3 in den Wechselrichter 10. Schaltet der Low-Side-Schalter 1d ab, kommutiert der Strom, auf die Diode des High-Side-Schalters 1a. Der Kommutierungsstrom ΔI weist in beiden Fällen das gleiche Vorzeichen auf.
  • Auch bei Anschaltvorgängen kann in analoger Weise der Phasenstrom Iph über den Spannungsabfall über die Halbleiterschalter 1a bis 1f ermittelt werden. Der Kommutierungsstrom ΔI hat dabei ein entgegengesetztes Vorzeichen wie bei einem Abschaltvorgang. Daher muss statt eines Spannungsüberschwingers 21 ein Spannungseinbruch ausgewertet werden. Die Stromrichtung des Kommutierungsstroms ΔI kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, indem bestimmt wird, ob bei Abschalt- oder Anschaltvorgängen eine Spannungsüberhöhung oder ein Spannungseinbruch auftritt.
  • Mit der Stromerfassungseinrichtung 4 kann der Phasenstrom nur zu Zeitpunkten von Abschalt- oder Anschaltvorgängen ermittelt werden. Aufgrund der üblicherweise hochfrequenten Taktung des Wechselrichters 10 ist die Messpunktdichte jedoch ausreichend, um eine dynamische Regelung zu ermöglichen. Die Ermittlung der Phasenströme Iph kann beispielsweise bei jedem Abschaltvorgang und/oder bei jedem Anschaltvorgang erfolgen. Alternativ dazu kann die Ermittlung der Phasenströme Iph auch nur bei Schaltvorgängen von High-Side- oder Low-Side-Schaltern vorgenommen werden.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Erfassen der Phasenströme eines Wechselrichters, beispielsweise des Wechselrichter 10 in 1. Das Verfahren 30 kann beispielsweise durch die in 1 dargestellte Stromerfassungseinrichtung 4 implementiert werden. In einem ersten Schritt 31 erfolgt ein Durchführen eines Schaltvorgangs eines Halbleiterschalters 1a bis 1f des Wechselrichters 10. Dabei kann der Schaltvorgang ein Abschalten oder ein Anschalten des Halbleiterschalters 1a bis 1f umfassen. In einem zweiten Schritt 32 kann ein Erfassen eines Spannungssignals erfolgen, welches von einem Spannungsabfall über dem Halbleiterschalter 1a bis 1f des Wechselrichters 10 während des Schaltvorgangs abhängig ist. Dazu kann entweder ein Erfassen der Spannung an einem Kollektor- bzw. Drainanschluss 11 des Halbleiterschalters 1a bis 1f oder ein Erfassen der Spannung über eine durch zwei Halbleiterschalter 1a bis 1f gebildete Halbbrücke 10a, 10b, 10c des Wechselrichters 10 erfolgen.
  • Optional kann in einem dritten Schritt 33 der Gleichspannungsanteil des erfassten Spannungssignals herausgefiltert werden. In einem vierten Schritt 34 kann dann ein Integrieren des erfassten Spannungssignals über die Dauer des Schaltvorgangs erfolgen. Danach kann in einem Schritt 35 ein Bestimmen des Phasenstroms Iph auf der Basis des integrierten Spannungssignals erfolgen. Es kann auch möglich, sein andere, das Spannungssignal charakterisierende Eigenschaften bzw. Parameter zu bestimmen, um den Phasenstrom Iph auf der Basis dieser Eigenschaften bzw. Parameter zu bestimmen. Beispielsweise kann dazu der Maximalwert des Spannungssignals ermittelt werden. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Induktivität des Kommutierungskreises in dem Wechselrichter 10 erfolgen. Mit dem Verfahren 30 können Phasenströme bestimmt werden, die für ein Regeln der Ansteuerung des Wechselrichters 10 herangezogen werden können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2011/0221369 A1 [0005]
    • DE 19681189 C2 [0006]
    • DE 102008042978 A1 [0007]

Claims (17)

  1. Stromerfassungseinrichtung (4) für Phasenströme eines Wechselrichters, wobei die Stromerfassungseinrichtung (4) dazu ausgelegt ist, während eines Schaltvorgangs eines Halbleiterschalters (1a, ..., 1f) des Wechselrichters (10) ein Spannungssignal (6a, ..., 6f; 7a, ..., 7c) zu erfassen, welches von einem Spannungsabfall (UM) über dem Halbleiterschalter (1a, ..., 1f) des Wechselrichters (10) während des Schaltvorgangs abhängig ist, und einen Phasenstrom (Iph) auf der Basis des Spannungssignals (21) zu bestimmen.
  2. Stromerfassungseinrichtung (4) nach Anspruch 1, wobei die Stromerfassungseinrichtung (4) dazu ausgelegt ist, den Phasenstrom (Iph) in Abhängigkeit von der Induktivität (Lk) des Kommutierungskreises in dem Wechselrichter (10) zu bestimmen.
  3. Stromerfassungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Stromerfassungseinrichtung (4) weiterhin dazu ausgelegt ist, den Gleichspannungsanteil des erfassten Spannungssignals (6a, ..., 6f; 7a, ..., 7c) herauszufiltern.
  4. Stromerfassungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Stromerfassungseinrichtung (4) dazu ausgelegt ist, das Spannungssignal (6a, ..., 6f) als Spannung an einem Kollektor- bzw. Drainanschluss (11) des Halbleiterschalters (1a, ..., 1f) zu erfassen.
  5. Stromerfassungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Stromerfassungseinrichtung (4) dazu ausgelegt ist, das Spannungssignal (7a, ..., 7c) als Spannung über eine durch zwei Halbleiterschalter (1a, ..., 1f) gebildete Halbbrücke (10a, ..., 10c) des Wechselrichters (10) zu erfassen.
  6. Stromerfassungseinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Stromerfassungseinrichtung (4) dazu ausgelegt ist, das erfasste Spannungssignal (6a, ..., 6f; 7a, ..., 7c) über die Dauer (Δt) des Schaltvorgangs zu integrieren und den Phasenstrom (Iph) auf der Basis des integrierten Spannungssignals (21) zu bestimmen.
  7. Elektrisches Antriebssystem (100) für eine n-phasige elektrische Maschine (3), wobei n ≥ 1, mit: einem Wechselrichter (10) mit einer Vielzahl von Halbleiterschaltern (1a, ..., 1f); und einer Stromerfassungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche dazu ausgelegt ist, während eines Schaltvorgangs eines der Vielzahl von Halbleiterschaltern (1a, ..., 1f) des Wechselrichters (10) ein Spannungssignal (6a, ..., 6f; 7a, ..., 7c) zu erfassen.
  8. Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 7, weiterhin mit: einem Zwischenkreiskondensator (2), welcher mit zwei Eingangsspannungsanschlüssen (T+; T–) verbunden ist, wobei der Wechselrichter (10) mit dem Zwischenkreiskondensator (2) gekoppelt ist, aus dem Zwischenkreiskondensator (2) mit elektrischer Energie gespeist wird und dazu ausgelegt ist, eine n-phasige Versorgungsspannung für die elektrische Maschine (3) zu erzeugen.
  9. Elektrisches Antriebssystem (100) nach einem der Ansprüche 7 und 8, wobei die Halbleiterschalter (1a, ..., 1f) IGBT-Schalter in Vollbrückenschaltung umfassen.
  10. Verfahren zum Erfassen der Phasenströme eines Wechselrichters, mit den Schritten: Durchführen (31) eines Schaltvorgangs eines Halbleiterschalters (1a, ..., 1f) des Wechselrichters (10); Erfassen (32) eines Spannungssignals (6a, ..., 6f; 7a, ..., 7c), welches von einem Spannungsabfall (UM) über dem Halbleiterschalter (1a, ..., 1f) des Wechselrichters (10) während des Schaltvorgangs abhängig ist; und Bestimmen (35) eines Phasenstroms (Iph) auf der Basis des erfassten Spannungssignals (21).
  11. Verfahren (30) nach Anspruch 10, wobei das Bestimmen (35) des Phasenstroms (Iph) in Abhängigkeit von der Induktivität (Lk) des Kommutierungskreises in dem Wechselrichter (10) erfolgt.
  12. Verfahren (30) nach einem der Ansprüche 10 und 11, weiterhin mit dem Schritt: Filtern (33) des Gleichspannungsanteils des erfassten Spannungssignals (6a, ..., 6f; 7a, ..., 7c).
  13. Verfahren (30) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Schaltvorgang des Halbleiterschalters (1a, ..., 1f) ein Abschalten oder ein Anschalten des Halbleiterschalters (1a, ..., 1f) umfasst.
  14. Verfahren (30) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Erfassen des Spannungssignals (6a, ..., 6f) ein Erfassen der Spannung an einem Kollektor- bzw. Drainanschluss (11) des Halbleiterschalters (1a, ..., 1f) umfasst.
  15. Verfahren (30) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Erfassen des Spannungssignals (7a, ..., 7c) ein Erfassen der Spannung über eine durch zwei Halbleiterschalter (1a, ..., 1f) gebildete Halbbrücke (10a, ..., 10c) des Wechselrichters (10) umfasst.
  16. Verfahren (30) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei ein Regeln der Ansteuerung des Wechselrichters (10) auf der Basis der bestimmten Phasenströme (Iph) erfolgt.
  17. Verfahren (30) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, weiterhin mit dem Schritt: Integrieren (34) des erfassten Spannungssignals (6a, ..., 6f; 7a, ..., 7c) über die Dauer (Δt) des Schaltvorgangs.
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US20110221369A1 (en) 2010-03-12 2011-09-15 Gm Global Technology Operations, Inc. Systems and methods for monitoring current in an electric motor

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