DE102014211854A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung einer elektrischen Spannung - Google Patents

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Joerg Koniakowsky
Tobias Richter
Stefan Aldinger
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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer elektrischen Spannung. Bei der zu ermittelnden elektrischen Spannung handelt es sich um eine elektrische Gleichspannung am Eingang eines Sperrwandlers. Der Sperrwandler umfasst dabei mindestens einen Sperrwandlertransformator und ein Schaltelement auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators. Zur Bestimmung der Spannung am Eingang des Sperrwandlers wird eine elektrische Spannung auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des Schaltelements auf der Primärseite erfasst und ausgewertet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln einer elektrischen Spannung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer elektrischen Spannung im Zwischenkreis eines Stromrichters eines elektrischen Antriebssystems.
  • Stand der Technik
  • In elektrischen Antriebssystemen, wie sie beispielsweise bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, wird erwartet, dass die Messung der Ausgangsspannung der Traktionsbatterie bzw. der Spannung im Zwischenkreis eines elektrischen Stromrichters aus Sicherheitsgründen mehrfach erfolgt. Die Spannungsmessung erfolgt im Batterie-Management-System sowie an allen an den Zwischenkreis des Stromrichters befindlichen Abnehmern, wie zum Beispiel Pulswechselrichter, Gleichspannungs-Wandler und weiteren elektrifizierten Nebenaggregaten. Schaltungen zur Spannungserfassung teilen dabei in der Regel über mehrere Stufen die Zwischenkreisspannung, um so eine für einen Mikrocontroller erfassbare Teilspannung zu erhalten. Das erfasste Signal wird zur weiteren Verarbeitung gegebenenfalls noch von analog zu digital gewandelt und über einen Potentialtrennbaustein von der Hochvoltseite auf die Niedervoltseite transferiert.
  • Die Deutsche Patentanmeldung DE 10 2009 056 838 A1 offenbart die Messung einer Spannung im Zwischenkreis eines Umrichters, wobei die zu messende Spannung zur Ladung wenigstens eines Kondensators, beispielsweise eines Zwischenkreiskondensators, verwendet wird. Der Kondensator wird von einem ersten Ladezustand in einen zweiten Ladezustand gebracht und die dabei verstreichende Ladezeit ausgewertet, um die zu messende Spannung zu ermitteln.
  • Aufgrund der strikten Anforderungen für die exakte Spannungserfassung müssen für die Spannungsmessung Bauelemente mit sehr geringen Toleranzen eingesetzt werden. Solche Bauelemente sind vergleichsweise teuer.
  • Es besteht ein Bedarf nach einer kostengünstigen, präzisen und platzsparenden Spannungserfassung. Insbesondere besteht ein Bedarf nach einer kostengünstigen und präzisen Spannungserfassung für die Spannungsmessung im Zwischenkreis eines elektrischen Antriebssystems.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Hierzu schafft die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zur Ermittlung einer elektrischen Spannung mit einem Sperrwandler, der einen Sperrwandlertransformator und ein Schaltelement umfasst, und mit einem Spannungssensor, wobei der Sperrwandlertransformator eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist, das Schaltelement auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators angeordnet ist, und der Spannungssensor auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, eine elektrische Spannung in Abhängigkeit von einem Schaltzustand des Schaltelements zu erfassen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer elektrischen Spannung mit den Schritten des Bereitstellens eines Sperrwandlers mit einem Sperrwandlertransformator und einem Schaltelement, wobei der Sperrwandlertransformator eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist und das Schaltelement auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators angeordnet ist, des Ansteuerns des Schaltelements; des Erfassens einer elektrischen Sekundärspannung auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators; und des Berechnens einer Primärspannung, die zu einer Spannung auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators korrespondiert, unter Verwendung der erfassten elektrischen Sekundärspannung.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, für die Bestimmung der elektrischen Spannung auf der Hochvoltseite eines elektrischen Antriebssystems einen Sperrwandler zu verwenden und dabei die elektrische Spannung auf der Niederspannungsseite des Sperrwandlers auszuwerten, um auf die Spannungsverhältnisse der Hochspannungsseite zu schließen. Derartige Sperrwandler sind in der Regel in elektrischen Antriebssystemen bereits vorhanden. Sie dienen beispielsweise dazu, eine Versorgungsspannung für die Steuerelemente des elektrischen Antriebssystems bereitzustellen. Daher kann mit einer geringfügigen Anpassung eines derartigen, bereits vorhandenen Sperrwandlers eine kostengünstige und genaue Bestimmung der Spannungsverhältnisse auf der Hochvoltseite des elektrischen Antriebssystems erfolgen. Durch die Integration der Spannungsmessung in einem Sperrwandler, der als Teil der Spannungsversorgung für die Steuerelektronik des elektrischen Antriebssystems bereits vorhanden ist, kann eine separate Schaltung für die Spannungsmessung entfallen.
  • Der Einsatz weniger einfacher Bauelemente sowie die Verwendung bereits vorhandener Bauelemente zur Bestimmung der Zwischenkreisspannung im Traktionsnetzes ermöglicht eine kostengünstige und platzsparende Spannungsmessung der Batterie- bzw. Zwischenkreisspannung. Wird dieses indirekte Messverfahren über eine Flyback-Schaltung mit dem traditionellen Messverfahren über Spannungsteilerketten kombiniert, so kann die Spannung auf zwei unterschiedliche Arten gemessen werden. Hierdurch ergibt sich ein zusätzlicher Sicherheitsvorteil für das Gesamtsystem.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Spannungssensor dazu ausgelegt, die elektrische Spannung zu erfassen, wenn das Schaltelement auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators geschlossen ist. In diesem Schaltzustand fließt auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators ein elektrischer Strom von der Batterie bzw. dem Zwischenkreis durch den Sperrwandlertransformator und es wird auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators eine entsprechend dem Übertragungsverhältnis des Sperrwandlertransformators proportionale elektrische Spannung ausgegeben. Somit kann in diesem Schaltzustand sehr einfach auf die elektrische Spannung der Batterie bzw. des Zwischenkreises auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators geschlossen werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Spannungssensor dazu ausgelegt, die elektrische Spannung zu erfassen, wenn das Schaltelement mindestens für eine vorbestimmte Zeitdauer geschlossen ist. Wird die Spannungsmessung auf der Sekundärseite um diese vorbestimmte Zeitdauer nach dem Einschalten des Schaltelementes verzögert, so können innerhalb dieser vorbestimmten Zeitdauer Einschwingvorgänge abklingen und die Spannungsmessung wird nicht durch derartige Einschwingvorgänge gestört oder verfälscht.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Spannungssensor dazu ausgelegt, die elektrische Spannung zu erfassen, wenn das Schaltelement geöffnet wird. Zu dem Zeitpunkt des Öffnens des Schaltelements auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators sind die Einschwingvorgänge des Einschaltvorgangs bereits abgeklungen und es hat sich ein stationärer Zustand eingestellt. Daher kann bei einer Spannungsmessung zu diesem Zeitpunkt eine Beeinträchtigung durch Einschwingvorgänge ausgeschlossen werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner einen Spitzenwertgleichrichter, der dazu ausgelegt ist, eine elektrische Spannung auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators gleichzurichten. In diesem Fall erfasst der Spannungssensor die gleichgerichtete elektrische Spannung auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators.
  • Vorzugsweise richtet der Spitzenwertgleichrichter die elektrische Spannung auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators dann gleich, wenn das Schaltelement mindestens für eine vorbestimmte Zeitdauer geschlossen ist. Auf diese Weise können eventuell auftretende Schaltüberspannungen unmittelbar nach dem Einschalten des Schaltelements im Ausgangssignal des Spitzenwertgleichrichters unterdrückt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner eine Auswertevorrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Primärspannung unter Verwendung der erfassten elektrischen Spannung und einem Übertragungsverhältnis des Sperrwandlertransformators zu berechnen. Das Übertragungsverhältnis des Sperrwandlertransformators ist in der Regel bekannt oder kann auf einfache Weise bestimmt werden. Somit kann nach dem Erfassen der Spannung auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators die Spannung auf der Primärseite bestimmt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfasst der Schritt zum Erfassen der elektrischen Sekundärspannung auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators die Sekundärspannung dann, wenn das Schaltelement geschlossen ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Energiequelle, einer elektrischen Maschine, einem Stromrichter, der von der elektrischen Energiequelle gespeist wird und der dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine anzusteuern, und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer elektrischen Spannung, wobei der Sperrwandler der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer elektrischen Spannung mit der elektrischen Energiequelle oder einem Zwischenkreis des Stromrichters gekoppelt ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds eines Sperrwandlers;
  • 2: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ermittlung einer Spannung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 3: eine schematische Darstellung eines Spannungs-Zeitdiagramms für einen Spannungsverlaufs in einer Vorrichtung zur Ermittlung einer elektrischen Spannung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 4: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer Vorrichtung zur Ermittlung einer elektrischen Spannung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
  • 5: eine schematische Darstellung eines Spannungs-Zeitdiagramms für einen Spannungsverlauf in einer Vorrichtung zur Ermittlung einer elektrischen Spannung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
  • 6: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer Vorrichtung zur Ermittlung einer elektrischen Spannung gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
  • 7: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Ermittlung einer elektrischen Spannung gemäß einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltbilds für einen Sperrwandler. Der Sperrwandler umfasst einen Sperrwandlertransformator Tr mit einem definierten Übertragungsverhältnis ü. Die Primärseite des Sperrwandlertransformators Tr kann über ein Schaltelement S1 mit einer Gleichspannungsquelle verbunden werden. Bei der dargestellten Induktivität LP und der Kapazität CP handelt es sich um parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten, die zwangsläufig bei einem realen Sperrwandler vorhanden sind. Die Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr ist über eine Diode D mit einem Kondensator C verbunden, der parallel zu den Ausgangsanschlüssen des Sperrwandlers angeordnet ist. Durch gezieltes Öffnen und Schließen des Schaltelements S1 kann in den Ausgangsanschlüssen parallel zu der Kapazität C eine Gleichspannung bereitgestellt werden, die in der Regel kleiner ist, als die Eingangsspannung des Sperrwandlers. Durch den Einsatz einer geeigneten Regelung (hier nicht dargestellt) ist es möglich, auch bei schwankender Eingangsspannung des Sperrwandlers stets eine zumindest annähernd konstante Ausgangsspannung an dem Sperrwandler bereitzustellen. Daher kann bei einem konventionellen Sperrwandler nicht aus der bereitgestellten Ausgangsspannung auf die anliegende Eingangsspannung geschlossen werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds für eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Spannung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung zur Ermittlung einer elektrischen Spannung umfasst dabei einen zuvor beschriebenen Sperrwandler 1 mit einem Sperrwandlertransformator Tr und einem Schaltelement S1. Ein Anschluss der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr ist dabei mit einem Bezugspotential verbunden. Ein anderer Anschluss der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr ist mit einem Spannungssensor 2 verbunden. Der Spannungssensor 2 kann dabei beispielsweise einen Spannungsteiler aus den beiden Widerständen R1 und R2 umfassen. Auf diese Weise kann die elektrische Spannung auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr auf ein Spannungsniveau abgesenkt werden, das für die Weiterverarbeitung geeignet ist. Ferner kann der Spannungssensor 2 einen Überspannungsschutz 20 umfassen. Beispielsweise kann der Überspannungsschutz 20 eine oder mehrere Supressordioden bzw. Zenerdioden umfassen. Selbstverständlich sind auch alternative Vorrichtungen zum Überspannungsschutz möglich.
  • Das erfasste Spannungssignal, das gegebenenfalls durch den Spannungsteiler aus den beiden Widerständen R1 und R2 weiter herabgesetzt wurde, wird einer Erkennungseinrichtung 21 zugeführt. Diese Erkennungseinrichtung 21 wandelt das erfasste Spannungssignal in ein analoges oder digitales Messsignal um und stellt es für die weitere Auswertung bzw. Verarbeitung bereit. Die Erfassung der Spannung erfolgt dabei nicht kontinuierlich, sondern nur zu vorbestimmten Zeitpunkten. Diese vorbestimmten Zeitpunkte sind dabei vom Schaltzustand des Schaltelements S1 auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators Tr abhängig.
  • 3 zeigt ein Spannungs-Zeitdiagramm der Spannung u2 zwischen den beiden Anschlüssen auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr. Wird das Schaltelement S1 angesteuert und damit geschlossen, so liegt an der Primärseite des Sperrwandlertransformators Tr die volle Eingangsspannung Ui an. Bei einem bekannten Übertragungsverhältnis ü des Sperrwandlertransformators Tr ergibt sich somit auf der Sekundärseite die Spannung u2,ein zu: u2,ein = Ui/ü.
  • Wird das Schaltelement S1 dagegen nicht angesteuert und ist daher geöffnet, so liegt bei einem ausreichend groß dimensionierten Kondensator C an der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr die Ausgangsspannung Ua plus die Durchlassspannung der Diode D an. Damit ergibt sich die Ausgangsspannung u2, aus zu: u2,aus = –(Ua + uD).
  • Bei angesteuertem und somit geschlossenem Schaltelement S1 kann die Spannung Ui am Eingang des Sperrwandlers 1 aus dem Übertragungsverhältnis ü und der Spannung u2,ein wie folgt berechnet werden: Ui = u2,ein·ü.
  • Aufgrund der beispielsweise in 1 dargestellten parasitären Kapazität CP und Induktivität LP kommt es beim Einschalten des Schaltelements S1 zunächst zu einem Einschwingvorgang auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr. Die Zeitspanne dieses Einschwingvorgangs ist in 3 mit Δt gekennzeichnet.
  • Sobald der Einschwingvorgang abgeklungen ist, kann daher aus der erfassten Spannung u2 auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators solange auf die Eingangsspannung Ui geschlossen werden, bis das Schaltelement S1 wieder geöffnet wird. Während dieser Zeitspanne tmess kann die Erfassungseinrichtung 21 die über den Spannungsteiler erfasste Spannung u2 auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr mit einer Abtastrate abtasten, die wesentlich größer ist als die Schaltfrequenz, mit der das Schaltelement S1 angesteuert wird. Vorzugsweise kann die Abtastrate der Erfassungseinrichtung 21 dabei um zwei Größenordnungen oder mehr größer sein als die Schaltfrequenz, mit der das Schaltelement S1 angesteuert wird.
  • Zur Detektion der Zeitspanne, während der das Schaltelement S1 angesteuert, also geschlossen wird, kann beispielsweise das Steuersignal zum Ansteuern des Schaltelements S1 parallel auch an der Erfassungseinrichtung 21 bereitgestellt werden. Alternativ ist es auch möglich, dass die Erfassungseinrichtung 21, erfasste Spannung kontinuierlich erfasst und aus einer ansteigenden Flanke des Spannungsverlaufs auf ein Einschalten des Schaltelements S1 schließen kann. In analoger Weise kann die Erfassungseinrichtung 21 aus einer fallenden Flanke in dem Spannungsverlauf auf ein Ausschalten des Schaltelements S1 schließen. Für die Bestimmung der Eingangsspannung Ui auf der Eingangsseite des Sperrwandlers werden dabei durch die Erfassungseinrichtung 21 nur solche erfassten Spannungswerte berücksichtigt, die innerhalb einer Zeitspanne erfasst werden, während der das Schaltelement S1 geschlossen ist. Vorzugsweise berücksichtigt die Erfassungseinrichtung 21 nur solche Spannungswerte, bei denen nach dem Einschalten des Schaltelements S1, also der Detektion einer ansteigenden Flanke in dem erfassten Spannungsverlauf, eine vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist. Auf diese Weise können gegebenenfalls auftretende Störungen während eines Einschwingvorgangs ausgeschlossen werden.
  • Für eine weitere Optimierung der erfassten Spannungswerte können die von der Erfassungseinrichtung 21 erfassten Spannungswerte noch gefiltert werden, beispielsweise mittels eines digitalen Filters. Weitere Aufbereitungen der erfassten Spannungswerte sind ebenfalls möglich.
  • Anschließend kann die Erfassungseinrichtung 21 die erfassten Spannungswerte direkt in ein analoges oder digitales Signal konvertieren und dieses Signal bereitstellen. Alternativ kann die Erfassungseinrichtung 21 bei einem bekannten Übertragungsverhältnis ü des Sperrwandlertransformators Tr unter Berücksichtigung des Teilerverhältnisses der beiden Widerstände R1 und R2 des Spannungsteilers den Wert der Spannung am Eingang des Sperrwandlers berechnen und ein zu diesem Wert korrespondierendes analoges oder digitales Signal ausgeben. Die Ausgabe kann beispielsweise in Form einer Busnachricht über einen Kommunikationsbus erfolgen.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds, wie es einer Vorrichtung zur Erfassung einer Spannung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zugrunde liegt. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der Vorrichtung zur Erfassung einer elektrischen Spannung gemäß 2. Da bei dem Einschalten des Schaltelements S1 während des Einschwingvorgangs Störungen im Spannungssignal der Spannung u2 auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr auftreten können, wird bei diesem Ausführungsbeispiel die elektrische Spannung u2 auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr zu dem Zeitpunkt erfasst, zu dem das Ansteuersignal des Schaltelements S1 das Schaltelement S1 gerade öffnet. Dabei wird die Eigenschaft ausgenutzt, dass zwischen der Ausgabe dieses Ansteuersignals und dem tatsächlichen Öffnen des Schaltelements S1 eine Verzögerung auftritt. Zur Erhöhung dieser Verzögerung kann das Schaltelement S1 eine zusätzliche Kapazität C1 umfassen (z.B. zwischen einem Gate- und Sourceanschluss eines Mosfet).
  • Wie in 4 dargestellt, wird das Ansteuersignal für das Schaltelement S1 von einem Regler 10 gleichzeitig an dem Schaltelement S1 und der Erfassungseinrichtung 21 bereitgestellt. Die Erfassungseinrichtung 21 erfasst in diesem Fall die Spannung u2 auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr zu dem Zeitpunkt, an dem der Regler 10 das Schaltelement S1 öffnet. Aufgrund der bereits zuvor beschriebenen Verzögerung kann die Erfassungseinrichtung 21 zu diesem Zeitpunkt noch die volle Spannung u2 auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr erfassen. Da sich dieser Zeitpunkt jedoch am Ende der Einschaltphase des Schaltelements S1 befindet, ist zu diesem Zeitpunkt ein möglicher Einschwingvorgang bereits ausreichend abgeklungen und das Messergebnis nicht durch den Einschwingvorgang verfälscht wird.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Spannungs-Zeitdiagramms des Spannungsverlaufs auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr. Die Zeitpunkte, bei denen die Erfassungseinrichtung 21 die Spannung auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr erfasst, sind dabei mit tmess gekennzeichnet.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds, wie es einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erfassung einer Spannung zugrunde liegt. Die sekundärseitige Gleichrichterdiode D ist dabei in der Masseleitung zwischen einem Bezugspotential und einem Anschluss auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr angeordnet. Der andere Anschluss der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr ist mit dem sekundärseitigen Ausgang des Sperrwandlers 1 verbunden. Der elektrische Knotenpunkt zwischen der Diode D und dem mit dieser Diode D verbundenen Anschluss des Sperrwandlertransformators Tr ist über ein Schaltelement S2 und einen Spitzenwertgleichrichter 30 mit dem Spannungssensor 2 verbunden. Das Schaltelement S2 zwischen Sperrwandlertransformator und Spitzenwertgleichrichter 30 kann dabei in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des Schaltelements S1 auf der Primärseite des Sperrwandlers 1 angesteuert werden. Wird die elektrische Verbindung zwischen der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr und dem Spitzenwertgleichrichter 30 über das dazwischenliegende Schaltelement S2 erst dann zugeschaltet, wenn eventuell auftretende Schaltüberspannungen abgeklungen sind, so können Störungen durch diese Schaltüberspannungen im Ausgangssignal des Spitzenwertgleichrichters 30 unterdrückt werden. Die hierfür benötigte Verzögerungszeit kann gegebenenfalls durch eine hier nicht dargestellte Kapazität zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Schaltelements S2 erhöht werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch der Schaltvorgang des Schaltelements S2 durch ein Verzögerungsglied 11 zwischen dem Regler 10 und dem Schaltelement S2 verzögert werden.
  • Während bei den Ausführungsformen gemäß 2 und 4 der Spannungssensor 2 eine Spannung erfasst, die unterhalb des Bezugspotentials liegt, so kann bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 an der Anode der Diode D eine positive Messspannung Umess abgegriffen werden. Diese Messspannung entspricht der Summe aus Ausgangsspannung Ua und transformierter Eingangsspannung Ui: Umess = Ua + (Ui/ü) – uD.
  • Diese Spannung kann mit dem Spitzenwertgleichrichter 30 gemessen werden, wobei im einfachsten Fall noch die Vorwärtsspannung uD der Diode zu berücksichtigen ist. Sind sowohl u2 als auch die Messspannung Umess bekannt, so kann daraus ebenfalls auf die Eingangsspannung Ui des Sperrwandlers geschlossen werden.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren 100 zur Ermittlung einer elektrischen Spannung zugrunde liegt.
  • In Schritt 110 wird zunächst ein Sperrwandler 1 mit einem Sperrwandlertransformator Tr und einem Schaltelement S1 bereitgestellt. Der Sperrwandlertransformator Tr weist eine Primärseite und eine Sekundärseite auf. Das Schaltelement S1 dieses Sperrwandlers 1 ist auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators Tr angeordnet.
  • In Schritt 120 wird das bereitgestellte Schaltelement angesteuert. In Schritt 130 wird auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators Tr eine elektrische Sekundärspannung u2 erfasst. Daraufhin wird in Schritt 140 eine Primärspannung berechnet, die zu einer elektrischen Spannung auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators Tr korrespondiert. Die Berechnung der Primärspannung erfolgt dabei unter Verwendung der erfassten elektrischen Sekundärspannung u2.
  • Der Schritt 130 zum Erfassen der elektrischen Sekundärspannung u2 erfasst dabei, wie bereits zuvor beschrieben, die elektrische Sekundärspannung u2 dann, wenn das Schaltelement S1 auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators Tr geschlossen ist. Die Erfassung der Sekundärspannung u2 kann dabei auch erst dann beginnen, wenn nach dem Schließen des Schaltelements S1 eine vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist. Vorzugsweise kann die elektrische Sekundärspannung u2 auch erst dann erfasst werden, wenn das Schaltelement S1 bereits ein Ansteuersignal zum Öffnen des Schaltelements erhält. Aufgrund der Verzögerung beim Öffnen des Schaltelements kann zu diesem Zeitpunkt noch die korrekte elektrische Sekundärspannung erfasst werden.
  • Die zuvor beschriebene Vorrichtung und das Verfahren zur Ermittlung einer elektrischen Spannung eignen sich besonders zur Erfassung einer elektrischen Spannung in einem elektrischen Antriebssystem. Ein derartiges elektrisches Antriebssystem wird von einer elektrischen Energiequelle, beispielsweise einer Batterie gespeist. Eine solche Batterie kann beispielsweise eine Traktionsbatterie in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug sein. Das elektrische Antriebssystem kann ferner eine elektrische Maschine umfassen. Die elektrische Maschine wird von einem elektrischen Stromrichter mit einem Zwischenkreis angesteuert, wobei der Stromrichter von der elektrischen Energiequelle gespeist wird. Der Sperrwandler der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer elektrischen Spannung ist dabei beispielsweise mit der elektrischen Energiequelle oder dem Zwischenkreis des Stromrichters gekoppelt.
  • Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer elektrischen Spannung. Bei der zu ermittelnden elektrischen Spannung handelt es sich um eine elektrische Gleichspannung am Eingang eines Sperrwandlers. Der Sperrwandler umfasst dabei mindestens einen Sperrwandlertransformator und ein Schaltelement auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators. Zur Bestimmung der Spannung am Eingang des Sperrwandlers wird eine elektrische Spannung auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des Schaltelements auf der Primärseite erfasst und ausgewertet.
  • 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
    • DE 102009056838 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Ermittlung einer elektrischen Spannung, mit: einem Sperrwandler (1), der einen Sperrwandlertransformator (Tr) und ein Schaltelement (S1) umfasst; und einem Spannungssensor (2); wobei der Sperrwandlertransformator (Tr) eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist; das Schaltelement (S1) auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators (Tr) angeordnet ist; und der Spannungssensor (2) auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators (Tr) angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, eine elektrische Spannung in Abhängigkeit von einem Schaltzustand des Schaltelements (S1) zu erfassen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Spannungssensor (2) dazu ausgelegt ist, die elektrische Spannung zu erfassen, wenn das Schaltelement (S1) geschlossen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Spannungssensor (2) dazu ausgelegt ist, die elektrische Spannung zu erfassen, wenn das Schaltelement (S1) mindestens für eine vorbestimmte Zeitdauer geschlossen ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Spannungssensor (2) dazu ausgelegt ist, die elektrische Spannung zu erfassen, wenn das Schaltelement (S1) geöffnet wird.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Spitzenwertgleichrichter (30), der dazu ausgelegt ist, eine elektrische Spannung auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators (Tr) gleichzurichten, wobei der Spannungssensor (2) die gleichgerichtete elektrische Spannung erfasst.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Spitzenwertgleichrichter (30) die elektrische Spannung auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators (Tr) gleichrichtet, wenn das Schaltelement (S1) mindestens für eine vorbestimmte Zeitdauer geschlossen ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Auswertevorrichtung (21), die dazu ausgelegt ist, eine Primärspannung unter Verwendung der erfassten elektrischen Spannung und einem Übertragungsverhältnis des Sperrwandlertransformators (Tr) zu berechnen.
  8. Elektrisches Antriebssystem, mit: einer elektrischen Energiequelle; einer elektrischen Maschine; und einem Stromrichter, der von der elektrischen Energiequelle gespeist wird und der dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine anzusteuern; und einer Vorrichtung zur Ermittlung einer elektrischen Spannung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Sperrwandler (1) der Vorrichtung zur Ermittlung einer elektrischen Spannung mit der elektrischen Energiequelle oder einem Zwischenkreis des Stromrichters gekoppelt ist.
  9. Verfahren (100) zur Ermittlung einer elektrischen Spannung, mit den Schritten: Bereitstellen (110) eines Sperrwandlers (1) mit einem Sperrwandlertransformator (Tr) und einem ersten Schaltelement (S1), wobei der Sperrwandlertransformator (Tr) eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist und das Schaltelement (S1) auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators (Tr) angeordnet ist; Ansteuern (120) des ersten Schaltelements (S1); Erfassen (130) einer elektrischen Sekundärspannung auf der Sekundärseite des Sperrwandlertransformators (Tr); und Berechnen (140) einer Primärspannung, die zu einer elektrischen Spannung auf der Primärseite des Sperrwandlertransformators (Tr) korrespondiert, unter Verwendung der erfassten elektrischen Sekundärspannung.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt (130) zum Erfassen der elektrischen Sekundärspannung die Sekundärspannung erfasst, wenn das Schaltelement (S1) geschlossen ist.
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