DE102016222214A1 - Verfahren zur Bestimmung eines mehrphasigen Motorstroms und elektromotorischer Antrieb - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung eines mehrphasigen Motorstroms und elektromotorischer Antrieb

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Motorstroms (IM) eines elektromotorischen Antriebs (2) mit einer Stromquelle (8) und mit einem Elektromotor (4) sowie mit einem dazwischen geschalteten Stromrichter (6), wobei ein Eingangsstrom (IE) der Stromquelle (8) mittels einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer Anzahl von Halbleiterschaltern (44, 46) des Stromrichters (6) in den Motorstrom (IM) gewandelt wird, wobei im Zuge der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbleiterschalter (44, 46) ein Zwischenkreisstrom (IZK) eines Zwischenkreises (12) der Stromquelle (8) beeinflusst wird, wobei an einer Messstelle (60) des Zwischenkreises (12) eine induktive Spannungsänderung (UShunt, 68) aufgrund der Beeinflussung des Zwischenkreisstroms (IZK) erfasst wird, und wobei anhand der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbleiterschalter (44, 46) und der an der Messstelle (60) erfassten induktiven Spannungsänderung (UShunt, 68) ein Wert für den erzeugten Motorstrom (IM) bestimmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines mehrphasigen Motorstroms eines elektromotorischen Antriebs mit einer Stromquelle und mit einem Elektromotor sowie mit einem dazwischen geschalteten Stromrichter. Die Erfindung betrifft weiterhin ein für eine Durchführung eines derartigen Verfahrens geeigneten elektrischen oder elektromotorischen Antrieb.
  • Elektromotorisch betriebene Verstellsysteme als Kraftfahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Fensterheber, Sitzverstellungen, Tür- und Schiebedachantriebe oder Kühlerlüfterantriebe sowie Pumpen oder Innengebläse weisen typischerweise einen elektrischen oder elektromotorischen Antrieb mit einem gesteuerten Elektromotor auf. Zum Beispiel sind hierfür bürstenlose Elektromotoren bekannt, bei denen ein gegenüber einem Stator drehbar gelagerter Rotor durch ein magnetisches Drehfeld angetrieben wird. Hierzu werden Phasenwicklungen des Stators mit einem entsprechenden elektrischen Dreh- oder Motorstrom beaufschlagt, welcher mittels eines Controllers als Teil einer (Motor-)Elektronik gesteuert und geregelt wird.
  • Derartige elektromotorische Antriebe umfassen in der Regel eine (Hochvolt- )Batterie als fahrzeuginternen Energiespeicher, aus welchem der Elektromotor mit elektrischer Energie in Form eines Gleichstroms versorgt wird. Zur Wandlung des Gleichstroms in den Motorstrom ist geeigneterweise ein Stromrichter (Wechselrichter, Inverter) zwischen dem Energiespeicher und dem Elektromotor verschaltet. Dem Energiespeicher ist hierbei ein (Gleichspannungs-)Zwischenkreis nachgeordnet, an welchen eine Brückenschaltung des Stromrichters angeschlossen ist. Der Energiespeicher und der Zwischenkreis wirken hierbei als eine Stromquelle zur Bereitstellung des eingangsseitigen Gleichstroms (Eingangsstrom) für den Stromrichter. Der Motorstrom wird durch eine pulsweitenmodulierte (PWM) Ansteuerung von Halbleiterschaltern der Brückenschaltung als ein mehrphasiger Ausgangsstrom erzeugt. Durch die Pulse der PWM-Ansteuerung werden die Halbleiterschalter getaktet zwischen einem leitenden und einem sperrenden Zustand umgeschaltet.
  • Für einen zuverlässigen Betrieb des Antriebs beziehungsweise des Elektromotors ist eine sichere Erfassung und Bestimmung des Motorstroms notwendig. Ein kostengünstiges Verfahren ist beispielsweise die Erfassung einer ohmschen Spannungsänderung des elektrischen Stroms im Zwischenkreis (Zwischenkreisstrom) über einem ohmschen Messwiderstands (Shunt) des Zwischenkreises. In Abhängigkeit der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbleiterschalter beziehungsweise in Abhängigkeit deren Schaltzustände fließt ein jeweiliger Phasenstrom durch den Messwiderstand. Die resultierende ohmsche Spannungsänderung ist mit einer Messschaltung erfassbar. Anhand der erfassten Spannungsänderung sowie dem Kenntnisstand der Schaltzustände der Halbleiterschalter sind die Phasenströme beziehungsweise der Motorstrom bestimmbar.
  • Für eine zuverlässige Bestimmung des Motorstroms werden hierbei hochgenaue und temperaturkompensierte Messwiderstände benötigt, welche vergleichsweise kostenintensiv sind. Bei hohen Strömen, wie sie häufig in elektromotorischen Antrieben im Kraftfahrzeug auftreten, werden in der Regel niederohmige Shunts als Messwiderstände eingesetzt. Derartige Messwiderstände weisen stets eine gewisse Induktivität auf, sodass im Zuge der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbleiterschalter zusätzlich zu der ohmschen Spannungsänderung auch eine induktive Spannungsänderung an dem Messwiderstand auftritt, welche - aufgrund der typischerweise sehr geringen Schaltzeiten der Halbleiterschalter - häufig um ein Vielfaches höher ist, als die zu erfassende ohmsche Spannungsänderung. Um dies zu kompensieren weist die Messschaltung typischerweise eine Kompensationsschaltung auf. Aufgrund von Fertigungstoleranzen ist es möglich, dass die Kompensationsschaltung die auftretenden induktiven Spannungsabfälle lediglich nach einer vergleichsweise langen Einschwingzeit zuverlässig kompensiert. Dadurch wird die Bestimmung des Phasen- oder Motorstroms nachteilig beeinflusst.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Bestimmung eines mehrphasigen Motorstroms eines elektromotorischen Antriebs anzugeben. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein für ein derartiges Verfahren geeigneten elektromotorischen Antrieb anzugeben.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des elektromotorischen Antriebs mit den Merkmalen des Anspruchs 5 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Bestimmung eines Motorstroms eines elektromotorischen Antriebs geeignet und ausgestaltet. Der elektrische oder elektromotorische Antrieb weist hierbei einen Elektromotor auf, welcher von einer Stromquelle mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei ein zwischen der Stromquelle und dem Elektromotor geschalteter Stromrichter vorgesehen ist, welcher im Betrieb einen elektrischen Eingangsstrom der Stromquelle in den Motorstrom zum Betrieb des Elektromotors wandelt. Unter einem Motorstrom sind nachfolgend insbesondere ein Phasenstrom einer einzelnen Motorphase und/oder ein mehrphasiger Drehstrom in einer oder mehreren Motorphasen zu verstehen. Mit anderen Worten ist der Motorstrom insbesondere der Ausgangsstrom des vorzugsweise als Wechselrichters ausgeführten Stromrichters.
  • Zur Wandelung des Eingangsstroms der Stromquelle in den Motorstrom werden eine Anzahl von Halbleiterschaltern des Stromrichters mittels einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung getaktet zwischen einem leitenden und einem sperrenden Zustand umgeschaltet. Die Halbleiterschalter sind beispielsweise Teil einer Brückenschaltung, welche an einen (Gleichspannungs-)Zwischenkreis der Stromquelle angeschlossen ist. Im Zuge dieser pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbleiterschalter wird ein Zwischenkreisstrom des Zwischenkreises beeinflusst.
  • An einer Messstelle des Zwischenkreises wird eine aufgrund der Beeinflussung des Zwischenkreises auftretende induktive Spannungsänderung erfasst. Anhand der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbleiterschalter und der an der Messstelle erfassten induktiven Spannungsänderung wird ein Wert für den vom Stromrichter erzeugten Motorstrom bestimmt. Mit anderen Worten wird die erfasste induktive Spannungsänderung zusammen mit dem Schaltzustand der Halbleiterschalter ausgewertet, um einen Wert für den Motorstrom zu bestimmen.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik wird zur Bestimmung des Motorstroms somit anstelle einer ohmschen Spannungsänderung die induktive Spannungsänderung ausgewertet. Mit anderen Worten wird das typischerweise als Störung interpretierte, induktive Signal als ein Nutzsignal verwendet.
  • Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass im Betrieb des Elektromotors der Zwischenkreisstrom aufgrund der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbleiterschalter verändert wird, wodurch eine Spannungsänderung an der Messstelle auftritt. Die Spannungsänderung weist hierbei sowohl einen ohmschen als auch einen induktiven Anteil auf, wobei die induktive Spannungsänderung während der Schaltvorgänge wesentlich höher ist, als die ohmsche Spannungsänderung. Dadurch ist es möglich, bei einer Auswertung der induktiven Spannungsänderung zur Bestimmung des Motorstroms die ohmsche Spannungsänderung im Wesentlichen vollständig zu vernachlässigen. Dies ermöglicht eine vereinfachte und zuverlässige Bestimmung des Motorstroms.
  • In einer geeigneten Weiterbildung wird die an der Messstelle erfasste induktive Spannungsänderung verstärkt. Dadurch wird eine besonders zuverlässige Bestimmung des Motorstroms gewährleistet.
  • In einer zweckmäßigen Ausführung wird die induktive Spannungsänderung an der Messstelle integriert. Die Differenz der Integration vor und nach einem Schaltvorgang der Halbleiterschalter ist hierbei proportional zu dem Phasen- oder Motorstrom. Dadurch ist eine einfach zu implementierende und betriebssichere Bestimmung des Motorstroms realisiert, wodurch ein zuverlässiger Betrieb des elektromotorischen Antriebs gewährleistet wird.
  • In einer denkbaren Ausgestaltung wird zur Bestimmung des Motorstroms der Eingangsstrom der Stromquelle erfasst. Hierbei wird auf vorteilhafte Art und Weise der Umstand genutzt, dass der Mittelwert des Zwischenkreisstroms im Wesentlichen proportional zu dem Mittelwert des Eingangsstroms (Batteriestrom) der Stromquelle ist. Dadurch ist auch der Mittelwert der erfassten induktiven Spannungsänderung proportional zu dem Mittelwert des Eingangsstroms. Der Eingangsstrom ist somit als zusätzlicher oder redundanter Messwert für die Auswertung einsetzbar, wodurch eine besonders zuverlässige Bestimmung des Motorstroms gewährleistet ist.
  • Der erfindungsgemäße elektromotorische Antrieb ist für eine Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignet und eingerichtet. Der elektromotorische Antrieb ist hierbei insbesondere für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise für ein Verstellsystem als Kraftfahrzeugkomponente, vorgesehen. Hierzu umfasst der Antrieb eine Stromquelle und einen Elektromotor sowie einen dazwischen geschalteten Stromrichter. Der Elektromotor ist vorzugsweise bürstenlos mit einem Stator und mit einem darin rotierbar gelagerten Rotor ausgeführt. Der Stator weist eine Anzahl von Phasenwicklungen auf, welche einerseits an den Stromrichter geführt und andererseits beispielsweise in einem gemeinsamen Verknüpfungspunkt (Sternpunkt) in Sternschaltung verschaltet sind.
  • Der Stromrichter weist einen Controller, das bedeutet ein Steuergerät, auf. Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignet und eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, während des Betriebs die Schaltzustände beziehungsweise die pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Halbleiterschalter zumindest zu überwachen und den induktiven Spannungsänderung an der Messstelle zu erfassen und hieraus einen Wert für den Motorstrom des Elektromotors zu bestimmen.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Benutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch Durchgeführt wird.
  • Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ auch durch ein nichtprogrammierbares elektronisches Bauteil, zum Beispiel einen ASIC (anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
  • Der mit dem Verfahren betriebene elektrische oder elektromotorische Antrieb weist somit ein verbessertes Verhalten hinsichtlich einer Bestimmung des Motorstroms auf. Grundsätzlich ist die Anwendung hierbei jedoch nicht auf den Automobilbereich eingeschränkt.
  • In einer denkbaren Ausführungsform ist die Messstelle beispielsweise mit einem Messwiderstand, insbesondere einem Shunt, ausgestattet, über welchen die induktive Spannungsänderung von dem Controller erfasst wird. In einer vorteilhaften Ausführung ist die Messstelle jedoch als ein messwiderstandsloser Leiterbahnabschnitt des Zwischenkreises ausgeführt. Mit anderen Worten wird im Gegensatz zum Stand der Technik zur Spannungserfassung kein temperaturkompensierter Widerstand verwendet. Diese Ausführung nutzt auf vorteilhafte und kostengünstige Art und Weise den Umstand, dass das erfindungsgemäße Verfahren auf einer induktiven Wirkung beruht, welche lediglich eine geringe Temperaturabhängigkeit aufweist. Dadurch ist es möglich, die (induktive) Spannungsänderung lediglich über beziehungsweise mittels eines Leiterbahnabschnitts, einem Blech oder ähnlichen zu messen oder zu erfassen.
  • In einer geeigneten Ausführungsform wird der Spannungsänderung an einem möglichst langem Leiterbahnabschnitt des Zwischenkreises erfasst, wodurch der induktive Anteil an der Spannungsänderung erhöht wird. Dies überträgt sich in der Folge vorteilhaft auf die Signalgüte bei der Erfassung, wodurch die Auswertung und somit Bestimmung des Motorstroms verbessert wird. Des Weiteren werden somit Verlustleistungen des Stromrichters und somit des Antriebs reduziert.
  • In einer geeigneten Weiterbildung erfasst der Controller die durch den Zwischenkreisstrom bewirkte induktive Spannungsänderung an der Messstelle mittels einer Messschaltung mit einem Verstärker, beispielsweise einem Operationsverstärker oder einem Analog-Digital-Umsetzer (ADC). Der Verstärker ist hierbei in einer bevorzugten Ausbildung insbesondere als ein aktiver Integrator verschaltet, wodurch in einfacher Art und Weise ein Wert für den Phasen- oder Motorstrom bestimmbar ist. Ebenso denkbar ist aber auch eine Integration mittels passiver Bauteile.
  • Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass ein ohmscher Widerstand vorgesehen ist, welcher einerseits an einem Eingang des Verstärkers der Messschaltung und andererseits an einem Pin des Controllers angeschlossen ist. Der Pin des Controllers wirkt hierbei insbesondere als eine steuer- oder schaltbare Spannungsquelle. Dadurch ist ein einstellbarer Offset-Wert für das Niveau der zu messenden beziehungsweise erfassenden Spannungsänderung realisiert. Insbesondere ist es somit möglich, das (Spannungs-)Niveau flexibel anzuheben oder zu senken, wodurch eine zuverlässige und sichere Erfassung vereinfacht wird. Dadurch ist einerseits ein möglichst großer Messbereich realisiert. Andererseits ist insbesondere in einer Verbindung mit einer Überstromabschaltung auch eine Einstellung deren Auslöseschwelle ermöglicht.
  • Zusätzlich oder alternativ ist es mittels des Pins ebenso möglich, die Messschaltung hinsichtlich von Einflüssen der Temperatur und/oder Alterung zu kalibrieren. Insbesondere in einer Ausführungsform der Messschaltung mit einem als aktiven Integrator beschalteten Verstärker umfasst die Messschaltung zumindest einen Kondensator. Kondensatoren weisen häufig eine temperaturabhängige Kapazität auf, sodass es wichtig ist, diese bei der Auswertung zur Bestimmung des Motorstroms zu berücksichtigen. Hierzu wird während eines Betriebszeitpunkts, bei welchem der Antrieb stromlos ist, der Pin des Controllers aktiviert und somit der Offset verändert. Die Einregelungsgeschwindigkeit des Offsets ist hierbei abhängig von der Kapazität und ist somit zur Bestimmung der aktuellen Kapazität beziehungsweise der temperaturbedingten Änderung der Kapazität auswertbar. Zusätzlich oder alternativ ist es beispielsweise denkbar, dass der Eingangsstrom zur Kalibrierung der Messschaltung genutzt wird. Ist der (mittlere) Eingangsstrom hinreichend bekannt, so ist es möglich, anhand des Motorstroms und des Tastverhältnisses der pulsweitenmodulierten Ansteuerung einen Fehler im Motorstrom und somit der Kapazität zu ermitteln.
  • Bei einer Ausführungsform der Messschaltung mit einem als Integrierer verschalteten Verstärker besteht die Gefahr, dass der Verstärker die induktive Spannungsänderung nicht schnell genug erfasst oder zu empfindlich auf Störungen im Betrieb des elektromotorischen Antriebs ist. In einer geeigneten Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass die Messschaltung einen Tiefpassfilter umfasst, welcher eingangsseitig des Verstärkers verschaltet ist.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
    • 1 einen elektromotorischen Antrieb mit einer Stromquelle und mit einem Elektromotor sowie mit einem dazwischen verschalteten Stromrichter,
    • 2 drei Phasenwicklungen eines dreiphasigen Elektromotors des Antriebs in Sternschaltung,
    • 3 ein Brückenmodul einer Brückenschaltung des Stromrichters zur Ansteuerung einer Phasenwicklung des Elektromotors,
    • 4 ein Ersatzschaltbild der Stromquelle mit einem Zwischenkreis und einem Shunt-Widerstand, und
    • 5 bis 8 eine Messschaltung zur Erfassung der am Shunt-Widerstand abfallenden Spannung in unterschiedlichen Ausführungsformen.
  • Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 zeigt einen elektrischen oder elektromotorischen Antrieb 2 für ein elektromotorisches Verstellsystem eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs, beispielsweise für einen Fensterheber oder eine Sitzverstellung. Der Antrieb 2 umfasst als prinzipielle Bauteile einen dreiphasigen Elektromotor 4, welcher mittels eines Stromrichters 6 an eine Stromquelle (Spannungsversorgung) 8 angeschlossen ist. Die Stromquelle 8 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen fahrzeuginternen Energiespeicher 10, beispielsweise in Form einer (Kraftfahrzeug- )Batterie, sowie einen damit verbundenen (Gleichspannungs-)Zwischenkreis 12, welcher sich zumindest teilweise in den Stromrichter 6 erstreckt.
  • Der Zwischenkreis 12 ist im Wesentlichen durch eine Hinleitung 12a und eine Rückleitung 12b gebildet, mittels welchen der Stromrichter 6 an den Energiespeicher 10 angeschlossen ist. Die Leitungen 12a und 12b sind zumindest teilweise in den Stromrichter 6 geführt, in welchen zwischen diesen ein Zwischenkreiskondensator 14 sowie eine Brückenschaltung 16 verschaltet sind.
  • Im Betrieb des Antriebs 2 wird ein der Brückenschaltung 16 zugeführter Eingangs- oder Batteriestrom IE in einen dreiphasigen Ausgangsstrom (Motorstrom, Drehstrom) IU , IV , IW für die drei Phasen U, V, W des Elektromotors 4 gewandelt. Die nachfolgend auch als Phasenströme bezeichneten Ausgangsströme IU , IV , IW werden an die entsprechenden Phasen(-wicklungen) U, V, W (2) eines nicht näher dargestellten Stators geführt. Die Phasenströme IU , IV , IW sind zusammenfassend oder einzeln auch als Motorstrom IM bezeichnet.
  • In der 2 ist eine Sternschaltung 18 der drei Phasenwicklungen U, V, W dargestellt. Die Phasenwicklungen U, V und W sind mit jeweils einem (Phasen-)Ende 22, 24, 26 an ein jeweiliges Brückenmodul 20 (3) der Brückenschaltung 16 geführt, und mit dem jeweils gegenüberliegenden Ende in einem Sternpunkt 28 als gemeinsamen Verbindungsanschluss miteinander verschaltet. In der Darstellung der 2 sind die Phasenwicklungen U, V und W jeweils mittels eines Ersatzschaltbildes in Form einer Induktivität 30 und eines ohmschen Widerstandes 32 sowie einem jeweiligen Spannungsänderung 34, 36, 38 gezeigt. Die jeweils über die Phasenwicklung U, V, W abfallende Spannung 34, 36, 38 ist schematisch durch Pfeile repräsentiert und ergibt sich aus der Summe der Spannungsabfälle über der Induktivität 30 und dem ohmschen Widerstand 32 sowie der induzierten Spannung 40. Die durch eine Bewegung eines Rotors des Elektromotors 4 induzierte Spannung 40 (elektromagnetische Kraft, EMK, EMF) ist in der 2 anhand eines Kreises dargestellt.
  • Die Ansteuerung der Sternschaltung 18 erfolgt mittels der Brückenschaltung 16. Die Brückenschaltung 16 ist mit den Brückenmodulen 20 insbesondere als eine B6-Schaltung ausgeführt. In dieser Ausgestaltungsform wird im Betrieb an jede der Phasenwicklungen U, V, W in hoher Schaltfrequenz getaktet zwischen einem hohen (Gleich-)Spannungsniveau der Zuleitung 12a und einem niedrigen Spannungsniveau der Rückleitung 12b umgeschaltet. Das hohe Spannungsniveau ist hierbei insbesondere eine Zwischenkreisspannung UZK des Zwischenkreises 12, wobei das niedrige Spannungsniveau vorzugsweise ein Erdpotential UG ist. Diese getaktete Ansteuerung ist als eine - in 1 mittels Pfeilen dargestellte - PWM-Ansteuerung durch einen Controller 42 ausgeführt, mit welcher eine Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl, der Leistung sowie der Drehrichtung des Elektromotors 4 möglich ist.
  • Die Brückenmodule 20 umfassen jeweils zwei Halbleiterschalter 44 und 46, welche in der 2 lediglich schematisch und beispielhaft für die Phase W dargestellt sind. Das Brückenmodul 20 ist einerseits mit einem Potentialanschluss 48 an die Zuleitung 12a und somit an die Zwischenkreisspannung UZK angeschlossen. Andererseits ist das Brückenmodul 20 mit einem zweiten Potentialanschluss 50 an die Rückleitung 12b und somit an das Erdpotential UG kontaktiert. Über die Halbleiterschalter 44, 46 ist das jeweilige Phasenende 22, 24, 26 der Phase U, V, W entweder mit der Zwischenkreisspannung UZK oder mit dem Erdpotential UG verbindbar. Wird der Halbleiterschalter 44 geschlossen (leitend) und der Halbleiterschalter 46 geöffnet (nicht leitend, sperrend), so ist das Phasenende 22, 24, 26 mit dem Potential der Zwischenkreisspannung UZK verbunden. Entsprechend ist bei einem Öffnen des Halbleiterschalters 44 und einem Schließen des Halbleiterschalters 46 die Phase U, V, W mit dem Erdpotential UG kontaktiert. Dadurch ist es mittels der PWM-Ansteuerung möglich, jede Phasenwicklung U, V, W mit zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus zu beaufschlagen.
  • In der 3 ist ein einzelnes Brückenmodul 20 vereinfacht dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterschalter 44 und 46 als MOSFETs (metaloxide semiconductor field-effect transistor) realisiert, die jeweils mittels der PWM-Ansteuerung zwischen einem durchgeschalteten Zustand auf und einem sperrenden Zustand getaktet umschalten. Hierzu sind die jeweiligen Gateanschlüsse an entsprechende Steuerspannungseingänge 52, 54 geführt, mittels welcher die Signale der PWM-Ansteuerung des Controllers 42 übertragen werden.
  • Die 4 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Stromquelle 8. Im Betrieb erzeugt der Energiespeicher 10 eine Batteriespannung UBat sowie den entsprechenden Batteriestrom IE zum Betrieb des Stromrichters 6. In der 4 ist der Innenwiderstand des Energiespeichers 10 als ein ohmscher Widerstand 56 und eine Eigeninduktivität des Energiespeichers 10 als eine Induktivität 58 dargestellt. In der Rückleitung 12b ist an einer Messstelle 60 ein Shunt-Widerstand (Messwiderstand) geschaltet, an welchem die Zwischenkreisspannung UZK abfällt.
  • Der Shunt-Widerstand ist in einem Ersatzschaltbild als ein ohmscher Widerstand 62 und als eine Induktivität 64 dargestellt. Im Betrieb wird der Shunt-Widerstand von einem Zwischenkreisstrom IZK des Zwischenkreises durchflossen, welcher einen Spannungsänderung Ushunt erzeugt, der sich aus einer ohmschen Spannungsänderung 66 am Widerstand 62 und einer induktiven Spannungsänderung 68 an der Induktivität 64 zusammensetzt. Nachfolgend wird insbesondere die Betriebssituation während eines Schaltvorgangs der Halbleiterschalter 44, 46 betrachtet, bei welcher der induktive Spannungsänderung 68 einen wesentlich größeren Spannungswert als der ohmsche Spannungsänderung 66 aufweist, und somit der Spannungsänderung UShunt im Wesentlichen gleich dem Spannungsänderung 68 ist.
  • In einer alternativen Ausführung weist die Messstelle 60 beispielsweise keinen Shunt-Widerstand auf, und ist insbesondere messwiderstandslos ausgeführt, sodass die abgegriffene Spannungsänderung UShunt im Wesentlichen lediglich aufgrund eines kontaktierten Leiterbahnabschnitts der Rückleitung 12b erzeugt wird.
  • Der Spannungsänderung UShunt wird zur Bestimmung des Motorstroms IM von dem Controller 42 mittels einer Messschaltung 70 überwacht. Anhand der 5 bis 8 werden nachfolgend unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Messschaltung 70 erläutert.
  • Die in der 5 ausschnittsweise dargestellte Messschaltung 70 umfasst einen als aktiven Integrator verschalteten Verstärker 72. Der Verstärker 72 ist in diesem Ausführungsbeispiel insbesondere als ein Operationsverstärker ausgeführt. Der Verstärker 72 ist mittels zweier eingangsseitiger Messleitungen 74a, 74b derart an den Shunt-Widerstand beziehungsweise die Messstelle 60 kontaktiert, sodass eingangsseitig die Spannungsänderung UShunt anliegt.
  • Die Messleitung 74a ist an den positiven Eingang des Verstärkers 72 geführt und weist einen ohmschen Widerstand 76 als Offset-Widerstand auf. Zwischen dem Widerstand 76 und dem Eingang des Verstärkers 72 ist eine Offset-Leitung 78 mit einem Widerstand 80 als zweiten Offset-Widerstand angeschlossen. Die Offset-Leitung 78 ist an einen Pin 82 des Controllers 42 geführt, welcher als eine schaltbare Spannungsquelle zur Einstellung eines Offset-Spannungsniveaus wirkt. In der mit dem negativen Eingang des Verstärkers 72 verbundenen Messleitung 74b ist ein ohmscher Widerstand 84 verschaltet. Der Ausgang des Verstärkers 72 weist eine Gegenkopplung 86 auf, welche zwischen dem Widerstand 84 und dem negativen Eingang des Verstärkers 72 an die Messleitung 74b kontaktiert ist. Die Gegenkopplung 86 umfasst einen ohmschen Widerstand 88, welchem ein Kondensator beziehungsweise eine Kapazität 90 parallel geschaltet ist.
  • Der Widerstand 84 und die Kondensator 90 legen hierbei den Integrationsfaktor des aktiven Integrators fest. Mittels der Widerstände 76 und 80 wird ein Spannungsniveau als Offset für die eingangsseitige Spannungsänderung UShunt erzeugt. Die Widerstände 76 und 80 wirken weiterhin als ein Spannungsteiler, wobei dieser Einfluss vorzugsweise in der Dimensionierung des Widerstands 84 und der Kapazität 90 berücksichtigt ist. Der Widerstand 88 wirkt als ein Entladewiderstand, sodass verhindert wird, dass der Verstärker 72 in eine Begrenzung läuft. Durch die Messschaltung 70 wird die Spannungsänderung UShunt zu einer Messspannung UMess integriert beziehungsweise verstärkt, welche zur Auswertung an den Controller 42 versendet wird. Vorzugsweise ist die Zeitkonstante, welche sich aus dem Produkt des Widerstandswerts des Widerstands 84 und dem Kapazitätswert des Kondensators 90 ergibt, ausreichend groß dimensioniert, um negative Auswirkungen auf die Messung zu begrenzen oder vollständig zu verhindern.
  • Der Wert der Messspannung UMess wird von dem Controller 42 erfasst. Der Controller 42 bestimmt hierbei in Abhängigkeit der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbleiterschalter 44, 46 und der Messspannung UMess einen Wert für den vom Stromrichter 6 erzeugten Motorstrom IM . Insbesondere bildet der Controller 42 die Differenz der Messspannung UMess vor und nach einem Schaltprozess der Halbleiterschalter 44, 46, wobei die Differenz proportional zu dem erzeugten Phasenstrom IU , IV , IW beziehungsweise dem Motorstrom IM ist.
  • Die Messschaltung 70 der 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Integration der Spannungsänderung UShunt zu der Messspannung UMess lediglich mittels passiver Bauteile erfolgt.
  • In dem Ausführungsbeispiel der 6 weist die Messleitung 74a einen dem Widerstand 76 vorgeschalteten ohmschen Widerstand 92 auf. Der Widerstand 92 wirkt als ein Entladewiderstand für einen Kondensator 94, welcher zwischen den Messleitungen 74a und 74b verschaltet ist. Der Widerstandswert des Widerstands 92 und der Kapazitätswert des Kondensators 94 sind hierbei vorzugsweise derart dimensioniert, dass die entsprechende Zeitkonstante hinreichend lang ist, um negative Auswirkungen auf die Messung zu begrenzen oder vollständig zu verhindern. Die Gegenkopplung 86 weist lediglich einen ohmschen Widerstand 96 auf. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 72 ist hierbei abhängig von den Widerstandswerten der Widerstände 84 und 96.
  • Das in der 6 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht etwa einer herkömmlichen Kompensationsschaltung, wobei der Wesentliche Unterschied in der Dimensionierung der Bauteile liegt. Bei einer herkömmlichen Kompensation ist die aus dem Widerstand 92 und dem Kondensators 94 abgeleitete Zeitkonstante möglichst gleich der Zeitkonstante der Messstelle, welche sich aus dem Verhältnis des Induktivitätswerts zum ohmschen Widerstand der Messstelle ergibt. In dem Ausführungsbeispiel ist die Zeitkonstante jedoch vorzugsweise wesentlich größer, beispielsweise ist die Zeitkonstante der Messschaltung 70 um einen Faktor 1000 größer als die der Messstelle 60.
  • Das Ausführungsbeispiel der 7 zeigt eine Messschaltung 70 gemäß der 5 mit einer zusätzlichen Filterschaltung 98, welche in die Messleitung 74a verschaltet ist. Die Filterschaltung 98 ist als ein Tiefpassfilter mit einem ohmschen Widerstand 100 als Filter-Widerstand und einem gegen Masse geschalteten Kondensator 102 ausgeführt.
  • In dem Ausführungsbeispiel der 8 ist eine alternative Ausführung der Filterschaltung 98 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der (Offset- )Widerstand 76 als Filter-Widerstand vor dem Kondensator 102 verschaltet. Dadurch ist eine besonders bauteilreduzierte Filterschaltung 98 beziehungsweise Messschaltung 70 realisiert.
  • Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
  • 2
    Antrieb
    4
    Elektromotor
    6
    Stromrichter
    8
    Stromquelle
    10
    Energiespeicher
    12
    Zwischenkreis
    12a
    Hinleitung
    12b
    Rückleitung
    14
    Zwischenkreiskondensator
    16
    Brückenschaltung
    18
    Sternschaltung
    20
    Brückenmodul
    22, 24, 26
    Phasenende
    28
    Sternpunkt
    30
    Induktivität
    32
    Widerstand
    34, 36, 38
    Spannungsänderung
    40
    Spannung
    42
    Controller
    44, 46
    Halbleiterschalter
    48, 50
    Potentialanschluss
    52, 54
    Steuerspannungseingang
    56
    Widerstand
    58
    Induktivität
    60
    Messstelle
    62
    Widerstand
    64
    Induktivität
    66,68
    Spannungsänderung
    70
    Messschaltung
    72
    Verstärker
    74a, 74b
    Messleitung
    76
    Widerstand
    78
    Offset-Leitung
    80
    Widerstand
    82
    Pin
    84
    Widerstand
    86
    Gegenkopplung
    88
    Widerstand
    90
    Kapazität/Kondensator
    92
    Widerstand
    94
    Kondensator
    96
    Widerstand
    98
    Filterschaltung/Tiefpassfilter
    100
    Widerstand
    102
    Kondensator
    U, V, W
    Phase/Phasenwicklung
    IU, IV, IW
    Phasenstrom/Ausgangsstrom
    IM
    Motorstrom
    IE
    Eingangsstrom/Batteriestrom
    UZK
    Zwischenkreisspannung
    IZK
    Zwischenkreisstrom
    UShunt
    Spannungsänderung
    UMess
    Messspannung

Claims (10)

  1. Verfahren zur Bestimmung eines Motorstroms (IM) eines elektromotorischen Antriebs (2) mit einer Stromquelle (8) und mit einem Elektromotor (4) sowie mit einem dazwischen geschalteten Stromrichter (6), - wobei ein Eingangsstrom (IE) der Stromquelle (8) mittels einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer Anzahl von Halbleiterschaltern (44, 46) des Stromrichters (6) in den Motorstrom (IM) gewandelt wird, - wobei im Zuge der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbleiterschalter (44, 46) ein Zwischenkreisstrom (IZK) eines Zwischenkreises (12) der Stromquelle (8) beeinflusst wird, - wobei an einer Messstelle (60) des Zwischenkreises (12) eine induktive Spannungsänderung (UShunt, 68) aufgrund der Beeinflussung des Zwischenkreisstroms (IZK) erfasst wird, und - wobei anhand der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbleiterschalter (44, 46) und der an der Messstelle (60) erfassten induktiven Spannungsänderung (UShunt, 68) ein Wert für den erzeugten Motorstrom (IM) bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Messstelle (60) erfasste induktive Spannungsänderung (UShunt, 68) verstärkt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Spannungsänderung (UShunt, 68) an der Messstelle (60) integriert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Motorstroms (IM) der Eingangsstrom (IE) erfasst wird.
  5. Elektromotorischer Antrieb (2), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Stromquelle (8) und mit einem Elektromotor (4) sowie mit einem dazwischen geschalteten Stromrichter (6) mit einem Controller (42) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
  6. Elektromotorischer Antrieb (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstelle (60) an welcher der induktive Spannungsänderung (UShunt, 68) erfasst wird, als ein messwiderstandsloser Leiterbahnabschnitt des Zwischenkreises (12) ausgeführt ist.
  7. Elektromotorischer Antrieb (2) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (42) die induktive Spannungsänderung (UShunt, 68) an der Messstelle (60) mittels einer Messschaltung (70) mit einem Verstärker (72) erfasst.
  8. Elektromotorischer Antrieb (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (72) der Messschaltung (70) als ein aktiver Integrator verschaltet ist.
  9. Elektromotorischer Antrieb (2) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein ohmscher Widerstand (80) vorgesehen ist, welcher einerseits an einen Eingang des Verstärkers (72) der Messschaltung (70) und andererseits an einen Pin (82) des Controllers (42) angeschlossen ist.
  10. Elektromotorischer Antrieb (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (70) einen Tiefpassfilter (98) umfasst, welcher eingangsseitig des Verstärkers (72) verschaltet ist.
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