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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine n-phasige elektrische Maschine, eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer n-phasigen elektrischen Maschine.
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Elektrische Maschinen, die insbesondere als Antriebsmaschinen in Fahrzeugen eingesetzt werden, benötigen zur Erzeugung ihres Statordrehfelds eine n-phasige Spannungsversorgung, die über n Phasenleiter der elektrischen Maschine bereitgestellt wird. Zur Steuerung und/oder Regelung der elektrischen Maschine sind Messwerte von Stromsensoren erforderlich, welche den entlang eines jeweiligen Phasenleiters fließenden Strom erfassen. Insbesondere im Bereich der elektrischen Maschinen für Fahrzeuge werden besondere Anforderungen an die funktionale Sicherheit gestellt, weswegen Messfehler der Stromsensoren, die sich auf den Betrieb der elektrischen Maschine auswirken, im Rahmen einer Safety-Prüfung zu erkennen sein müssen.
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Zur Überprüfung der Strommessung auf Messfehler sind Schaltungsanordnungen mit drei identischen Stromsensoren bekannt, welche jeweils einem der Phasenleiter der elektrischen Maschine zuzuordnen sind, wobei überprüft wird, ob die Summe der gemessenen Ströme null ergibt oder einen Grenzwert bzw. einen Schwellwert nicht überschreitet. Dieses Prinzip beruht auf der Kirchhoffschen Summenstrom- bzw. Knotenregel, wonach die in einem Knoten fließenden Ströme auf Grund der Energieerhaltung in ihrer Summe null sind.
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Derartige Schaltungsanordnungen sind sehr aufwendig, da jeder Stromsensor eine hohe Messgenauigkeit aufweisen muss. Die verwendeten Stromsensoren sind dementsprechend hochwertig und kostenintensiv.
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Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine aufwandsärmere Möglichkeit zur Überwachung der Strommessungen der Phasenleiter einer n-phasigen elektrischen Maschine anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung für eine n-phasige elektrische Maschine, umfassend einen ersten Stromsensor, welcher einem ersten Phasenleiter zur Erfassung seiner Stromstärke zuzuordnen ist, und n-1 weitere Stromsensoren, welche jeweils einem der übrigen Phasenleiter zur Erfassung seiner Stromstärke zuzuordnen sind und welche jeweils eine höhere Messgenauigkeit als der erste Stromsensor aufweisen, gelöst.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass zur Überprüfung der Messgenauigkeit der weiteren Stromsensoren kein Stromsensor mit einer vergleichbar hohen Messgenauigkeit erforderlich ist. Vielmehr wurde erkannt, dass an die Messgenauigkeit des ersten Stromsensors geringere Anforderungen als an die übrigen Stromsensoren gestellt werden können, um im Rahmen einer Safety-Prüfung ein hinreichend hohes Maß an funktioneller Sicherheit gewährleisten zu können. Mit anderen Worten kann der ungenauere erste Stromsensor exklusiv für die Safety-Prüfung eingesetzt werden.
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Die Erfindung realisiert so den Vorteil, dass auf einen teuren Stromsensor mit einer hohen Messgenauigkeit für den ersten Phasenleiter verzichtet werden kann und gleichzeitig die Anforderungen an die funktionelle Sicherheit erfüllt werden. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung lässt sich so wesentlich aufwandsärmer ausbilden als aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnungen, welche jedem Phasenleiter einen hochwertigen Stromsensor gleichen Typs und gleicher Messgenauigkeit zuordnen.
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Im Rahmen der Erfindung ist n eine ganze Zahl und beträgt wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens drei. Ist n mithin drei ist die Maschine als Drehstrommaschine betreibbar. Die Schaltungsanordnung ist grundsätzlich auch bei höherphasigen (n > 3) elektrischen Maschinen anwendbar. Die elektrische Maschine weist typischerweise Statorwicklungen zur Erzeugung des Statordrehfelds der elektrischen Maschine auf, wobei die Anzahl der Statorwicklungen n oder ein ganzzahliges Vielfaches davon beträgt. Die elektrische Maschine kann dementsprechend n oder ein ganzzahliges Vielfaches davon an Polpaaren aufweisen. Jeder Phasenleiter kann zur Führung eines einphasigen Wechselstroms zur Versorgung einer oder mehrerer Statorwicklungen zur Erzeugung des Statordrehfelds der elektrischen Maschine ausgebildet sein. Die elektrische Maschine ist typischerweise als Synchronmaschine oder als Asynchronmaschine ausgebildet. Die elektrische Maschine kann ferner als Motor, bevorzugt zum Antrieb eines Fahrzeugs, und/oder als Generator, bevorzugt zur Rekuperation beim Verzögern des Fahrzeugs, betreibbar sein. Unter einer Stromstärke eines Phasenleiters ist ein, insbesondere vorzeichenbehaftetes, Maß eines entlang des Phasenleiters fließenden Stroms zu verstehen.
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Es wird bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bevorzugt, wenn der erste Stromsensor ein Hall-Sensor ist. Derartige Sensoren sind seit langer Zeit industriell erprobt, günstig zu erhalten und weisen eine für die Safety-Prüfung ausreichende Genauigkeit auf. Der erste Stromsensor kann ein die Stromstärke des ersten Phasenleiters durch den Hall-Effekt messendes Sensorelement aufweisen. Bevorzugt weist der erste Stromsensor ein Abschirmelement (µ-Shield) auf, welches das Sensorelement überdeckend und insbesondere auch den ersten Phasenleiter im Bereich des Sensorelements überdeckend angeordnet ist.
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Die zweiten Stromsensoren, welche eine höhere Messgenauigkeit als der erste Stromsensor aufweisen, sind bevorzugt Shunt-Sensoren. Bei einem Shunt-Sensor handelt es sich um einen Nebenschlusswiderstand, der typischerweise in den ihm zugeordneten Phasenleiter eingeschleift ist. Aus der Messung der über dem Nebenschlusswiderstand abfallenden Spannung kann auf die Stromstärke des Phasenleiters geschlossen werden. Shunt-Sensoren zeichnen sich durch eine, insbesondere im Vergleich zu Hall-Sensoren, höhere Messgenauigkeit aus. Sie eignen sich mithin vorzüglich zur Realisierung der erfindungsgemäß verwendeten weiteren Stromsensoren.
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Es ist darüber hinaus bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung von besonderem Vorteil, wenn sie eine Auswertungseinheit aufweist, welche zur Berechnung der Stromstärke des ersten Phasenleiters anhand von Messwerten der weiteren Stromsensoren eingerichtet ist. Mit der Auswertungseinheit können Messwerte eines jeweiligen Stromsensors bereitstellende Anschlüsse der Stromsensoren verbunden sein, um die Messwerte auszulesen. Die Auswertungseinheit übernimmt dabei die Aufgabe, aus den Messwerten der genaueren, weiteren Stromsensoren die Stromstärke des ersten Phasenleiters zu berechnen. Dies erfolgt bevorzugt unter Verwendung der Kirchhoffschen Summenstromregel, also durch Summation der durch die weiteren Stromsensoren erfassten Stromstärken. Im fehlerfreien Normalbetrieb, das heißt solange die weiteren Stromsensoren Messwerte mit ihrer auslegungsgemäßen Messgenauigkeit liefern, kann die Stromstärke des ersten Phasenleiters mit einer hohen Genauigkeit berechnet werden, ohne dafür selbst einen Stromsensor mit der hohen Messgenauigkeit der weiteren Stromsensoren verwenden zu müssen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Auswertungseinheit zur Plausibilisierung der berechneten Stromstärke anhand eines Messwerts des ersten Stromsensors eingerichtet. Weicht mithin wenigstens einer der weiteren Stromsensoren von seinem Normalbetrieb ab, liefert er also Messwerte jenseits seiner auslegungsgemäßen Messgenauigkeit, so schlägt sich dieser Messfehler auch auf die berechnete Stromstärke des ersten Phasenleiters nieder. Um einen solchen Messfehler im Rahmen der Safety-Prüfung zu erkennen, nutzt die Auswertungseinheit den Messwert des ersten Stromsensors.
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Dabei ist die Auswertungseinheit besonders bevorzugt zur Erzeugung eines Fehlersignals eingerichtet, wenn ein in Abhängigkeit der Differenz zwischen der berechneten Stromstärke und dem Messwert des ersten Stromsensors ermittelter Wert einen Schwellwert überschreitet. Besonders bevorzugt ist dieser ermittelte Wert der Betrag der Differenz zwischen der berechneten Stromstärke und dem Messwert. Alternativ formuliert ist der ermittelte Wert der Betrag der Summe der berechneten Stromstärke und der gemessenen Stromstärken der weiteren Stromsensoren. Der Schwellwert gibt dabei an, welche betragsmäßige Differenz im Rahmen der Safety-Prüfung zur Gewährleistung der funktionellen Sicherheit tolerierbar ist. Bevorzugt beträgt der Schwellwert 15 % der berechneten Stromstärke oder des ermittelten Werts.
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Wird angenommen, dass kein Fehler bei den Messungen vorliegt, ist beispielsweise eine Toleranz von 3 % zulässig. Für ein sicherheitskritisches Szenario wird hingegen angenommen, dass ein Fehler bei der Strommessung auftritt. Dieser Fehler muss aber nicht bereits erkannt werden, wenn der Messfehler z. B. 3 % überschreitet. Es sind in der Regel sehr viel größere Werte zulässig, wie zum Beispiel 15 %. Dadurch muss die Messung des ersten Stromsensors nicht ebenfalls eine Toleranz von 3 % aufweisen, sondern kann größere Werte erreichen.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird es ferner bevorzugt, wenn sie eine Steuerungseinheit aufweist, welche zur Steuerung und/oder Regelung des Betriebs der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von Messwerten der weiteren Stromsensoren ohne Berücksichtigung von Messwerten des ersten Stromsensors ausgebildet ist. Mithin wird vorgeschlagen, für die Steuerung und/oder Regelung der elektrischen Maschine ebenfalls auf eine Ermittlung der Stromstärke des ersten Phasenleiters unter Anwendung der Kirchhoffschen Summenstrom-Regel zurückzugreifen. Für die Steuerung bzw. Regelung des Betriebs der elektrischen Maschine wird nämlich regelmäßig eine wesentlich höhere Messgenauigkeit als für die Safety-Prüfung gefordert. Der Strom des ersten Phasenleiters kann dementsprechend als der Negativwert der Summe der gemessenen Stromstärken der weiteren Phasenleiter berechnet werden. Besonders zweckmäßig ist dabei, die Stromstärke des ersten Phasenleiters in Abhängigkeit der durch die Auswertungseinheit berechneten Stromstärke zu ermitteln bzw. die berechnete Stromstärke zu verwenden. Außerdem kann die Steuerungseinheit zur Einleitung von Sicherheitsmaßnahmen, insbesondere zur Überführung der elektrischen Maschine in einen Notbetriebsmodus, in Abhängigkeit des Fehlersignals eingerichtet sein.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug mit n Phasenleitern und einer Schaltungsanordnung, umfassend einen ersten Stromsensor, welcher einem ersten Phasenleiter zur Erfassung seiner Stromstärke zugeordnet ist, und n-1 weitere Stromsensoren, welche jeweils einem der übrigen Phasenleiter zur Erfassung seiner Stromstärke zugeordnet sind und welche jeweils eine höhere Messgenauigkeit als der erste Stromsensor aufweisen.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird außerdem erfindungsgemäß durch ein Fahrzeug, umfassend eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, gelöst.
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Schließlich wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer n-phasigen elektrischen Maschine, insbesondere in einem Fahrzeug, gelöst, wobei ein erster Stromsensor, welcher einem ersten Phasenleiter zur Erfassung seiner Stromstärke zugeordnet ist, und n-1 weitere Stromsensoren, welche jeweils einem der übrigen Phasenleiter zur Erfassung seiner Stromstärke zugeordnet sind und welche jeweils eine höhere Messgenauigkeit als der erste Stromsensor aufweisen, verwendet werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können als erster Stromsensor ein Hall-Sensor und/oder als zweite Stromsensoren Shunt-Sensoren verwendet werden.
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Ferner kann die Schaltungsanordnung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Auswertungseinheit aufweisen, welche die Stromstärke des ersten Phasenleiters anhand von Messwerten der weiteren Stromsensoren, insbesondere durch Summation der durch sie erfassten Stromstärken, berechnet. Die Auswertungseinheit kann die berechnete Stromstärke anhand eines Messwerts des ersten Stromsensors plausibilisieren. Daneben kann die Auswertungseinheit ein Fehlersignal erzeugen, wenn ein in Abhängigkeit der Differenz zwischen der berechneten Stromstärke und dem Messwert des ersten Stromsensors ermittelter Wert, insbesondere der Betrag der Differenz, einen Schwellwert erreicht oder überschreitet. Es kann z. B. ein Schwellwert von 15 % der berechneten Stromstärke oder des ermittelten Werts verwendet werden.
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Außerdem kann die Schaltungsanordnung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Steuerungseinheit aufweisen, welche den Betrieb der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von Messwerten der weiteren Stromsensoren ohne Berücksichtigung von Messwerten des ersten Stromsensors steuert oder regelt.
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Sämtliche Ausführungen zur erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung lassen sich analog auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine, das erfindungsgemäße Fahrzeug und das erfindungsgemäße Verfahren übertragen, sodass auch mit diesen die zuvor genannten Vorteile erzielt werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
- 2 eine Detailansicht von drei Phasenleitern der in 1 gezeigten elektrischen Maschine mit einem ersten Stromsensor; und
- 3 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs.
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1 ist ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine 1 mit einer Schaltungsanordnung 2.
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Die elektrische Maschine 1 ist eine dreiphasige Drehstrommaschine mit einem Stator 3, welcher drei im Stern geschaltete Statorwicklungen 4a, 4b, 4c aufweist und einen (nicht gezeigten) Rotor. Ein Stromrichter 5 speist über einen ersten Phasenleiter 6a die erste Statorwicklung 4a und über weitere Phasenleiter 6b, 6c die weiteren Statorwicklungen 4b, 4c jeweils mit einem einphasigen Wechselstrom derart, dass ein Statordrehfeld innerhalb des Stators 3 erzeugt wird. Dazu weist der Stromrichter 5 mehrere nicht gezeigte Halbleiterschalter auf, die einen ihm zugeführten Gleichstrom 7 in einen Drehstrom, also einen dreiphasigen Wechselstrom, wandeln.
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Die Schaltungsanordnung 2 umfasst Stromsensoren 8a, 8b, 8c, welche jeweils einem der Phasenleiter 6a, 6b, 6c zugeordnet sind, und den durch einen jeweiligen Phasenleiter 6a, 6b, 6c fließenden Strom vorzeichenbehaftet messen. Dabei ist der dem ersten Phasenleiter zugeordnete erste Stromsensor 8a als Hall-Sensor ausgebildet. Die weiteren Stromsensoren 8b, 8c, welche den weiteren Phasenleitern 6b, 6c zugeordnet sind, sind hingegen als Shunt-Sensoren ausgebildet und weisen eine höhere Messgenauigkeit als der Hall-Sensor auf. Die die jeweiligen Stromstärken beschreibenden Messwerte werden über Sensoranschlüsse der Stromsensoren 8a, 8b, 8c einer schaltungsanordnungsseitigen Auswertungseinheit 9 zugeführt. Diese ist mit einer Steuerungseinheit 10 der Schaltungsanordnung 2 verbunden, welche den Stromrichter 5 durch Vorgabe von Steuersignalen für seine Halbleiterschalter zur Regelung des Betriebs der elektrischen Maschine 1 ansteuert.
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Die Auswertungseinheit
9 berechnet die Stromstärke des ersten Phasenleiters
6a gemäß der Kirchhoffschen Summenstrom- oder Knotenregel durch Summation der Messwerte der weiteren Stromsensoren
8b,
8c gemäß der Formel
wobei I
a,R die berechnete Stromstärke entlang des ersten Phasenleiters
6a, I
b,M die gemessene Stromstärke entlang des zweiten Phasenleiters
6b und I
c,M die gemessene Stromstärke entlang des dritten Phasenleiters
6c bezeichnen. Die berechnete Stromstärke des ersten Phasenleiters
6a basiert folglich auf den Messwerten der besonders genauen, als Shunt-Sensoren ausgebildeten Stromsensoren
8b,
8c und weist dementsprechend ebenfalls eine hohe Genauigkeit auf.
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Die Auswertungseinheit
9 ist ferner zur Plausibilisierung der berechneten Stromstärke des ersten Phasenleiters
6a ausgebildet. Dazu ermittelt die Auswertungseinheit
9 im Rahmen einer Safety-Prüfung für jeden oder einen Teil der wie zuvor angegebenen berechneten Stromstärken den Betrag einer Differenz zwischen der berechneten Stromstärke entlang des ersten Phasenleiters
6a und der mittels des ersten Stromsensors
8a gemessenen Stromstärke und überprüft, ob dieser Wert einen Schwellwert erreicht oder überschreitet. Mathematisch ausgedrückt ergibt sich so die Bedingung
wobei I
a,M die mittels des Stromsensors
8a gemessene Stromstärke des ersten Phasenleiters
6a und I
th den Schwellwert bezeichnen. Dieser beträgt beispielsweise 15 % der berechneten Stromstärke des ersten Phasenleiters
6a oder den Betrag der Differenz. Ergibt die Safety-Prüfung ein Erreichen oder eine Überschreitung des Schwellwerts, ist mithin die vorgenannte Bedingung erfüllt, so gibt die Auswertungseinheit
9 ein Fehlersignal an die Steuerungseinheit
10 aus.
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Vorteilhafterweise kann so eine hinreichend genaue Bestimmung der Stromstärke des ersten Phasenleiters 6a unter Verwendung von nur zwei besonders genauen und teuren Stromsensoren 8b, 8c erfolgen. Zur Gewährleistung der funktionellen Sicherheit wird im Rahmen der Safety-Prüfung die berechnete Stromstärke anhand des Messwerts des ungenaueren und günstigeren ersten Stromsensors 8a plausibilisiert, um sich auf die berechnete Stromstärke niederschlagende Messfehler eines der weiteren Stromsensoren 8b, 8c zu erkennen. Dazu genügt jedoch die Messgenauigkeit des als Hall-Sensor ausgebildeten ersten Stromsensors 8a.
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Die Steuerungseinheit 10 steuert und regelt den Betrieb der elektrischen Maschine 1 durch Ansteuerung der Halbleiterschalter des Stromrichters 5 in Abhängigkeit der berechneten Stromstärke des ersten Phasenleiters 6a und der mittels den Stromsensoren 8b, 8c gemessenen Stromstärken der weiteren Phasenleiter 6b, 6c. Mithin bleiben bei der Steuerung und Regelung der elektrischen Maschine 1 die Messwerte des ersten Stromstromsensors, welche auf Grund der Verwendung des Hall-Sensors eine für Regelungszwecke nicht ausreichende Genauigkeit aufweisen, außer Betracht. Durch die Verwendung der auf Grundlage der genau gemessenen Stromstärken des zweiten Phasenleiters 6a und des dritten Phasenleiters 6c berechneten Stromstärke des ersten Phasenleiters 6a liegen jedoch hinreichend genaue Werte der Stromstärken für die Regelung der elektrischen Maschine 1 vor. Übermittelt die Auswertungseinheit 9 jedoch ein Fehlersignal, welches auf einen Messfehler eines der Stromsensoren 8b, 8c hindeutet, überführt die Steuerungseinheit 10 die elektrische Maschine 1 in einen Notbetriebsmodus.
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2 ist eine Detailansicht der Phasenleiter 6a, 6b, 6c der in 1 gezeigten elektrischen Maschine 1 mit dem ersten Stromsensor 8a. Die als Stromschienen (bus bars) ausgebildeten Phasenleiter 6a, 6b, 6c sind dabei im Querschnitt dargestellt. Auf die Darstellung der weiteren Stromsensoren 8b, 8c wurde verzichtet. Ersichtlich weist der erste Stromsensor 8a ein Sensorelement 11, welches die Stromstärke des ersten Phasenleiters 6a anhand des Hall-Effekts misst, und ein Abschirmelement 12 (µ-Shield) auf. Dieses ist zur Abschirmung magnetischer Felder ausgebildet. Das Abschirmelement 12 ist das Sensorelement 11 und den ersten Phasenleiter 6a zumindest im Bereich des Sensorelements 11 überdeckend angeordnet.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der elektrischen Maschine 1 kann diese auch mehr als drei Statorwicklungen aufweisen, welche mit einen n-phasen Wechselstrom mit n > 3 betrieben werden. Es sind dann neben dem ersten Phasenleiter und dem ersten Stromsensor n-1 weitere Phasenleiter und n-1 weitere Stromsensoren vorgesehen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 1 können die Statorwicklungen 4a, 4b, 4b auch als Stern verschaltet sein.
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3 ist eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 13, welches als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist. Das Fahrzeug 13 umfasst eine elektrische Maschine 1 gemäß einem der zuvor beschreiben Ausführungsbeispiele. Diese wird durch einen Stromrichter 5, der eine Gleichspannung einer Hochvoltbatterie 14 in einen n-phasigen Wechselstrom wandelt, mit elektrischer Energie zur Erzeugung des Statordrehfelds versorgt.
