DE102019211933A1

DE102019211933A1 - Verfahren und eine Ermittlungsvorrichtung zum Ermitteln eines Kompensationsstromwertes eines aus einem Energiespeicher zu einem Wechselrichter abfließenden Gleichstroms

Info

Publication number: DE102019211933A1
Application number: DE102019211933.6A
Authority: DE
Inventors: Hassan Lamsahel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2021-02-11

Abstract

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ein Verfahren (900) zum Ermitteln eines Kompensationsstromwertes (IdcCalc) eines aus einem Energiespeicher (300) zu einem Wechselrichter (WR, 210) abfließenden Gleichstroms, wobei der Wechselrichter (WR, 210) zumindest ein Schaltelement (S1, S2, S3, S4, S5, S6) aufweist, um aus dem Gleichstrom einen Wechselstrom zu generieren. Das Verfahren (900) umfasst einen Schritt des Einlesens (910) eines Abtaststromwertes (Isu(k), Isv(k), Isw(k)) und/oder eines Steuerparameters (PWM1(k), PWM2(k) PWM3(k)) zur Ansteuerung des Schaltelementes (S1, S2, S3, S4, S5, S6), wobei der Abtaststromwert (Isu(k), Isv(k), Isw(k)) einen gemessenen Stromfluss aus dem Energiespeicher (300) repräsentiert und der Steuerparameter (PWM1(k), PWM2(k) PWM3(k))einen Steuerbefehl zur Ansteuerung des Schaltelementes (S1, S2, S3, S4, S5, S6)repräsentiert. Ferner umfasst das Verfahren (900) einen Schritt des Ermittelns (920) eines Korrekturstromwertes (IsuN(k), IsvN(k), IswN(k)) unter Verwendung des Abtaststromwertes (Isu(k), Isv(k), Isw(k)) und eines von einem Abtastzeitpunkt (tMeas) einer Abtastung des Abtaststromwertes (Isu(k), Isv(k), Isw(k)) abhängigen Stromkorrekturparameters (ΔTSyn\) und/oder Ermitteln eines Korrektursteuerparameters (PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k)) unter Verwendung von zumindest einem Schaltelementparameter (tDead, RONx, UCSatx,...), . Schließlich umfast das Verfahren (900) einen Schritt des Berechnens (930) es Kompensationsstromwertes (IdcCalc) zumindest unter Verwendung des Korrekturstromwertes (IsuN(k), IsvN(k), IswN(k)) und/oder des Korrektursteuerparameters(PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k)).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Ermittlungsvorrichtung zum Ermitteln eines Kompensationsstromwertes eines aus einem Energiespeicher zu einem Wechselrichter abfließenden Gleichstroms gemäß den Hauptansprüchen.
In vielen Anwendungen in der Automobilindustrie werden Batterien für die Versorgung der elektrischen Antriebe verwendet. Bei kleinen Stellantrieben werden üblicherweise Zwischenkreisspannungen im Bereich 10V bis 48V und bei Traktionsantriebe (z. B. Elektromobilität) eher hohe Spannungen im Bereich 200V bis 800V verwendet. Um den Energieverbrauch aus der Batterie zu überwachen sowie den Lebenslauf der Batterie durch Leistungsbegrenzung zu erhöhen, wird in die Regel der Batteriestrom benötigt und ausgewertet. Um den Batteriestrom zu ermitteln, gibt es im Wesentlichen zwei Möglichkeiten: eine Messung direkt über eine Messeinrichtung vor dem Zwischenkreiskondensator des Wechselrichters oder eine Berechnung unter Verwendung eines Modells auszuführen.
In den Low-Cost-Varianten, beispielsweise in Stellantrieben in der Automobil-Industrie, die in Millionenstückzahlen hergestellt werden, wird der Batteriestrom berechnet, um die Kosten der Messeinrichtung (hier Bauteil-Kosten, Platzbedarf, A/D-Wandler...) zu sparen. In Traktionsantrieben wird der Batteriestrom üblicherweise gemessen und gleichzeitig über ein Modell berechnet. Die Batteriestromberechnung dient der Redundanz sowie der Sicherheit der Batteriestrommessung. Hieraus wird erkennbar, dass in beiden Fällen die Batteriestromberechnung benötigt wird.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Ermittlungsvorrichtung zum Ermitteln eines Kompensationsstromwertes eines aus einem Energiespeicher zu einem Wechselrichter abfließenden Gleichstroms gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Ermitteln eines Kompensationsstromwertes eines aus einem Energiespeicher zu einem Wechselrichter abfließenden Gleichstroms vorgestellt, wobei der Wechselrichter zumindest ein Schaltelement aufweist, um aus dem Gleichstrom einen Wechselstrom zu generieren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Einlesen eines Abtaststromwertes und/oder eines Steuerparameters zur Ansteuerung des Schaltelementes, wobei der Abtaststromwert einen gemessenen Stromfluss aus dem Energiespeicher repräsentiert und/oder der Steuerparameter einen Steuerbefehl zur Ansteuerung des Schaltelementes repräsentiert;
- Ermittlen eines Korrekturstromwertes unter Verwendung des Abtaststromwertes und eines von einem Abtastzeitpunkt einer Abtastung des Abtaststromwertes abhängigen Stromkorrekturparameters und/oder Ermitteln eines Korrektursteuerparameters unter Verwendung von zumindest einem Schaltelementparameter; und
- Berechnen des Kompensationsstromwertes zumindest unter Verwendung des Korrekturstromwertes und/oder des Korrektursteuerparameters.

Unter einem Energiespeicher kann beispielsweise ein Akkumulator, eine Batterie oder auch ein Zwischenkreiskondensator verstanden werden. Unter einem Schaltelement kann vorliegend beispielsweise ein Halbleiterbauelement oder Schalter werden. Beispielsweise kann das Schaltelement ein MOSFET, ein Thyristor, ein Triac, ein IGBT, ein IGCT oder dergleichen sein. Der Wechselrichter kann auch mehr als ein Schaltelement umfassen; beispielsweise können mehrere Schaltelemente in der Form einer Brückenschaltung oder Wechselrichter-Brücke miteinander geschaltet sein, um einen Gleichstrom aus dem Energiespeicher in einen Wechselstrom, auch einen mehrphasigen Wechselstrom zu wandeln. Unter einem Steuerparameter kann beispielsweise ein Steuersignal verstanden werden, welches zyklisch wiederholt wird und hierdurch das Schaltelement in einer bestimmten Weise ansteuert. Beispielsweise kann der Steuerparameter in der Form eines PWM-Pulses bereitgestellt sein. Unter einem Abtaststromwert kann vorliegend beispielsweise ein Wert einer Stromstärke verstanden werden, welcher durch eine Abtastung an einem Ausgang des Energiespeichers oder an einer Wicklung einer elektrischen Maschine erfasst wird, wenn die elektrische Maschine durch von dem Wechselrichter bereitgestellten Wechselstrom betrieben wird. Unter einem Korrekturstromwert kann ein Stromwert verstanden, der durch die Berücksichtigung von aktuellen physikalischen Parametern einem aktuellen Verlauf einer tatsächlichen realen Stromstärken näher kommt, als lediglich ein aktuell abgetasteter und/oder interpolierter Wert des Strom auf der Basis eines Messwertes zum Zeitpunkt der Abtastung. Unter einem Korrektursteuerparameter kann ein Korrekturwert verstanden werden, der parasitäre Effekte des Schaltelements abbildet und hierdurch einen zeitlichen Verlauf einer tatsächlichen Stromstärke bei der Berechnung des aus dem Energiespeicher abfließenden Stromflusses berücksichtigt. Unter einem Stromkorrekturparameter kann beispielsweise ein Phasenwinkel verstanden werden, um den ein Stromzeiger zu drehen ist, um einen Zeitversatz zwischen der Abtastung des Stromflusses und einem aktuellen Zeitpunkt ausgleichen zu können. Hierbei kann beispielsweise der Stromkorrekturparameter unter Kenntnis des Korrektursteuerparameters wie beispielsweise einer PWM-Periode bestimmt oder ermittelt werden. Beispielsweise kann hierbei berücksichtigt werden, in welchem Zustand des Steuerparameters, beispielsweise der PWM-Periode, die Abtastung dieses Stromwerts erfolgt, sodass durch diese Kenntnis eine zeitliche Mittelung bzw. Korrektur des Stromwerts bzw. Drehung des Stromzeigers zur realitätsnahen Berechnung des Kompensationsstromwertes möglich wird.
Der hier vorgeschlagene Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass zur Präzisierung der Ermittlung der Berechnung eines Stromflusses eines aus dem Energiespeicher abfließenden Stromes reale Effekte nun mitberücksichtigt werden, die nicht nur durch eine tatsächliche, jedoch zeitlich oftmals nicht aktuelle Messung des Stromflusses am Ausgang des Energiespeichers oder an einer Phase des Wechselrichters auftreten, sondern auch Effekte mitberücksichtigt werden, die auch durch das Schaltelement oder die Schaltelement des Wechselrichters bedingt sind oder durch Effekte, die beim Betrieb einer elektrischen Maschine mit einem durch den Wechselrichter bereitgestellten Wechselstrom resultieren. Auf diese Weise lassen sich auch Rückwirkungen des Betriebs des Wechselrichters und/oder der elektrischen Maschine auf den aus dem Energiespeicher fließenden Strom berechnen oder abbilden, sodass durch die Berücksichtigung der hier vorgestellten Effekte deutlich realitätsnähere Berechnung der aus dem Energiespeicher bezogenen elektrischen Energie möglich ist, als dies durch lediglich eine Messung zu bestimmten Intervall-Messzeitpunkten gefolgt von einer nachfolgenden Extrapolation. Auf diese Weise lässt sich auch die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers bzw. eine Überlebensdauer besser abschätzen bzw. die Lebensdauer selbst eventuell auch verlängern.
Günstig ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der der Wechselrichter ausgebildet ist, um einen mehrphasigen Wechselstrom zu generieren. In einer solchen Ausführungsform kann beispielsweise im Schritt des Einlesens ein Abtaststromwert und/oder ein Steuerparameter zur Ansteuerung des Schaltelementes für je eine von unterschiedlichen Phasen des mehrphasigen Wechselstroms eingelesen werden, wobei im Schritt des Ermittelns pro Phase ein Korrekturstromwert und/oder ein Korrektursteuerparameter ermittelt werden, und wobei im Schritt des Berechnens der Kompensationsstromwertes unter Verwendung des Korrekturstromwertes und/oder des Korrektursteuerparameters jeder Phase berechnet wird. Insbesondere kann der Wechselrichter ausgebildet sein, um einen 3-phasigen Wechselstrom aus dem Gleichstrom bereitzustellen. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet sich die Möglichkeit, durch die Berücksichtigung von mehreren Komponenten, die in den einzelnen Phasen zusammenwirken, eine sehr genaue rechnerische Bestimmung des Stromflusses aus dem Energiespeicher durchführen zu können.
Denkbar ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der das Schaltelement des Wechselrichters mit in unterschiedlichen Perioden wechselnden Steuerparametern betrieben wird. In einer solchen Ausführungsform kann im Schritt des Einlesens der eingelesene Abtaststromwert in einer gleichen Periode gemessen werden, in der das Schaltelement mit dem eingelesenen Steuerparameter angesteuert wird. Beispielsweise kann der Wechselrichter je nach aktuellem gewünschten Betriebszustand der elektrischen Maschine mit unterschiedlichen PWM-Signalen angesteuert werden, sodass, je nach gewünschtem Betriebszustand der elektrischen Maschine, dieser elektrischen Maschine besonders effizient und zeitlich hoch-aufgelöst elektrische Energie zugeführt werden kann. Um nun sicherzustellen, dass eine möglichst realitätsnahe Berechnung des Stromflusses aus dem Energiespeicher erfolgt, kann durch eine solche Ausführungsform ein zeitlich zu starkes Auseinanderfallen des durch Abtastung erhaltenen Abtaststromwertes mit dem aktuell verwendeten Steuerparameter wie beispielsweise des verwendeten PWM-Verhältnisses bei der Bestimmung des aus dem Energiespeicher abfließenden Stromes vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann im Schritt des Ermittelns des Korrektursteuerparameters ein Schaltelementparameter verwendet werden, der einen Spannungsabfall in einer Sperrzeit im Schaltelement repräsentiert. Unter einem Spannungsabfall in einer Sperrzeit im Schaltelement kann vorliegend beispielsweise ein Spannungsabfall verstanden werden, der innerhalb einer Zeitspanne unmittelbar nach dem Ansteuern des Schaltelements auftritt. Beispielsweise kann hierunter eine Zeitspanne fallen, in welcher das Schaltelement von einem leitenden in einen nicht-leitenden Zustand (oder umgekehrt) gebracht wird. Beispielsweise kann eine solche Zeitspanne als Schaltelementparameter aus einem Datenblatt oder durch einen Versuch nach einer Ansteuerung eines solchen Schaltelements erhalten oder eingelesen werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, eine sehr realitätsnahe Berechnung des Kompensationsstromwertes durch eine Berücksichtigung von realen Parametern des Schaltelementes zu ermöglichen.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes im Schritt des Ermittelns des Korrektursteuerparameters ein Schaltelementparameter verwendet werden, der einen Durchschaltspannungsabfall im Schaltelement repräsentiert. Unter einem solchen Durchschalt(spannugns)abfall kann vorliegend ein Spannungsabfall verstanden werden, der sich nach einem Einschalten des Schaltelementes einstellt. Hierbei kann ebenfalls wieder die vorstehend beschriebene Zeitspanne berücksichtigt werden. Ein solcher Durchschalt(spannungs)abfall und/oder die entsprechende Zeitspanne kann ebenfalls wiederum aus einem Datenblatt für das Schaltelement oder durch einen Versuch erhalten werden. Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet ebenfalls den Vorteil einer sehr realitätsnahe Berechnung des Kompensationsstromwertes durch eine Berücksichtigung von realen Parametern des Schaltelementes zu ermöglichen.
Günstig ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der im Schritt des Ermittelns des Korrektursteuerparameters ein Schaltelementparameter verwendet wird, der eine Sättigungsspannung im Schaltelement repräsentiert. Unter einer Sättigungsspannung kann beispielsweise ein Sättigungsspannungsabfall oder eine Schleusenspannung verstanden werden, die einen Spannungsabfall zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Schaltelementes bei einem durchgeschalteten Schaltelement darstellen. Auch durch eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes lässt sich eine sehr realitätsnahe Berechnung des Kompensationsstromwertes durch eine Berücksichtigung von realen Parametern des Schaltelementes erreichen.
In einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der das Schaltelement ein Gleichrichtelement, insbesondere eine Diode aufweist, ist es besonders günstig, wenn im Schritt des Ermittelns des Korrektursteuerparameters ein Schaltelementparameter verwendet wird, der einen durch eine Durchbruchspannung und/oder einen Innenwiderstand des Gleichrichtelementes bedingten Spannungsabfall repräsentiert. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, auch das Verhalten des Schaltelementes in einem gesperrten Zustand realitätsnah abbilden zu können und hierdurch eine sehr präzise Berechnung des Kompensationsstromwertes zu ermöglichen.
Besonders vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der im Schritt des Ermittelns zumindest der Korrektursteuerparameter unter Verwendung des Korrekturstromwertes ermittelt wird. Hierdurch lässt sich eine gegenseitige Verbindung oder Beeinflussung von mehreren unterschiedlichen physikalischen Wirkungsweisen bzw. Rückwirkungsweisen von in dem Wechselrichter enthaltenen Komponenten beziehungsweise einer an den Wechselrichter angeschlossenen Maschine abbilden, sodass ebenfalls wieder eine sehr präzise Berechnung des Kompensationsstromwertes möglich wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann im Schritt des Einlesens ferner eine an dem Energiespeicher anliegende Spannung und/oder eine Winkelgeschwindigkeit einer von dem Wechselrichter gespeisten elektrischen Maschine eingelesen werden und im Schritt des Ermittelns der Korrekturstromwert unter Verwendung der Winkelgeschwindigkeit ermittelt werden und/oder der Korrektursteuerparameter unter Verwendung der an dem Energiespeicher anliegenden Spannung ermittelt werden. Auf diese Weise lässt sich eine nochmals verbesserte Präzision bei der Ermittlung des Kompensationsstromwerts durch die Berücksichtigung von aktuellen Parametern beim Betrieb des Wechselrichters bzw. der am Wechselrichter angeschlossen elektrischen Maschine erreichen.
Besonders günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Ermitteln des Korrekturstromwertes ein Stromkorrekturparameter verwendet wird, der eine Drehung eines Stromzeigers repräsentiert oder abbildet und/oder der einen Wert zwischen -Ts/2 und Ts/2 aufweist, wobei Ts eine Periodendauer eines Steuerparameters für das Schaltelement repräsentiert. Auf diese Weise lässt sich sehr präzise der Stromkorrekturparameter in Verbindung mit dem aktuell gewählten bzw. eingestellten Steuerparameter für das Schaltelement berücksichtigen, sodass der Korrekturstromwert ebenfalls mit einer hohen Präzision bestimmt werden kann.
Sehr vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der im Schritt des Berechnens der Kompensationsstromwert zumindest unter Verwendung einer Multiplikation des Korrekturstromwertes mit dem Korrektursteuerparameters ermittelt wird. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, die vorstehend genannten physikalischen Effekte bei dem Betrieb des Wechselrichters bzw. der mit Energie von Wechselrichter betriebene elektrischen Maschine zu verknüpfen und sehr realitätsnah abbilden zu können und hierdurch eine hoch-präzise Ermittlung der Berechnung des Kompensationsstromwerts zu ermöglichen.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform im Schritt des Ermittelns der Korrekturstromwert und/oder der Korrektursteuerparameter in Abhängigkeit von des Abtaststromwert und/oder einem Vorzeichen des Abtaststromwertes ermittelt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil bei Belastungswechseln der elektrischen Maschine bzw. des Wechselrichters bzw. Komponenten des Wechselrichters sehr schnell eine Anpassung oder Adaption der Parameter zur Ermittlung des Kompensationsstromwerts zu ermöglichen.
Von Vorteil ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes als Ermittlungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Ansatzes eines Verfahrens zum ermitteln eines Kompensationsstromwerts in entsprechenden Einheiten auszuführen und/oder anzusteuern.
Eine solche Ermittlungsvorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, die elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- oder Datensignale ausgibt. Die Ermittlungsvorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Ermittlungsvorrichtung ausgeführt wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der unterschiedlichen Koordinatensysteme für eine schematisch dargestellte permanent-erregte Synchronmaschine zur Erläuterung der Vorgehensweise des nachfolgend näher dargestellten Ansatzes;
2 eine Blockschaltbilddarstellung eines Ausführungsbeispiels einer feldorientierten Regelung einer permanent-erregten Synchronmaschine im Überblick;
3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines schematischen Aufbaus eines Wechselrichters für eine Drehfeldmaschine;
4 zwei schematische Schaltdiagramme für einen Ausschnitts des Wechselrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel bei Anliegen je eines positiven und eines negativen Phasenstroms;
5 in einem Diagramm dargestellte Abtastzeiten bei mehrfacher PWM-Ausgabe in einem Regelzyklus gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 in zwei Diagrammen je ein Ausführungsbeispiel, in dem je unterschiedliche PWM-Verläufe der drei Phasen der Synchronmaschine dargestellt sind;
7 ein Diagramm, in der eine Darstellung einer Korrektur des Stromwinkels mit einem Winkel-Offset von θ_z gemäß eines Ausführungsbeispiels wiedergegeben ist;
8 in einer Blockschaltbilddarstellung die Erweiterung der der feldorientierten Regelung gemäß eines Ausführungsbeispiels der hier neu vorgeschlagenen Struktur mit dem Konzept zur Batteriestromberechnung bzw. der Ermittlung des Kompensationsstromwertes;
9 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Ermitteln eines Kompensationsstromwertes eines aus einem Energiespeicher zu einem Wechselrichter abfließenden Gleichstroms; und
10 in mehreren Diagrammen die Ergebnisse von Messungen gegenüber Berechnungen von mit dem hier vorgestellten Ansatz ermittelten Größen über die Zeit t.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Eine PSM-Maschine (PSM= permanent-erregte oder auch permanenterregte Synchronmaschine) ist eine Drehfeldmaschine mit einem auf oder im Läufer montierten Permanentmagnet. Der Stator bildet sich aus der mit meist 120° verteilen Spulen. Die Zustandsgrößen der PSM (Strom, Spannung, Fluss ...) können in dem Drei-Koordinatensystem (u, v, w) dargestellt werden.
1 zeigt eine schematische Darstellung der unterschiedlichen Koordinatensysteme für eine schematisch dargestellte permanent-erregte Synchronmaschine PSM 100 zur Erläuterung der Vorgehensweise des nachfolgend näher dargestellten Ansatzes. Für die Regelung der Maschine 100 werden die Zustandsgrößen der Maschine in ein mit einem Rotor 110 drehendem Koordinatensystem (d,q) transformiert, wobei die d-Achse in gleichem Sinn des Permanentflusses des Läufers bzw. Rotors 110 gerichtet wird. Ein αβ-System ist das feste Zwei-Koordinatensystem des (in der 1 nicht explizit dargestellten) Stators.
Mit der Transformation der Zustandsgrößen in ein d,q-Koordinatensystem vereinfachen sich die differenziellen Gleichungen der Maschine 100. Damit kann die Maschine 100 wie eine Gleichstrommaschine geregelt werden. Dies wird als feldorientierte Regelung (FOR; FOR = feldorientierte Regelung) der PSM 100 bezeichnet.
2 zeigt eine Blockschaltbilddarstellung eines Ausführungsbeispiels einer feldorientierten Regelung FOR einer permanent-erregten Synchronmaschine PSM 100 im Überblick. Zunächst werden die Eingangsgrößen IsdRef und IsqRef einem PI-Regler PI zugeführt und mit nachfolgen näher beschriebenen Entkopplungsparametern EMKd und EMKq zu den geregelte Spannungsgrößen Usd und U_sq verknüpft, sowie nachfolgend einer Phasenspanungsbestimmungseinheit dq/123 200 zugeführt. In dieser Phasenspanungsbestimmungseinheit dq/123 200 werden die Phasenspannungen Usu, Usv und Usw ermittelt und einem PWM-Generator bzw. Stromregler 205 zugbeführt, der wiederum die PWM-Signale bzw. PWM-Verhältnisse PWM1, PWM2 und PWM3 für jeder der drei Phasen der Synchonmaschine 100 ermittelt und an einen Wechselrichter 215 weitergibt, in dem nachfolgend noch näher beschriebene Schaltelemente mit diesen PWM-Signalen PWM1, PWM2 und PWM3 als Steuerparameter angesteuert werden. Der PWM-Generator bzw. Stromregler 205 wird wiederum mit einer Spannung Udc gespeist oder erhält diese Spannung als Eingangssignal von dem Wechselrichter 210. Der Wechselrichter 210 wiederum stellt dann die auf jeder der drei Phasen die Ströme bereit, die durch die einzelnen Wicklungen des Rotors der der Synchronmaschine 100 geleitet werden, um dort eine Drehung des Rotors zu bewirken. Zugleich sind Stromsensoren 215 vorgesehen, die die aktuellen Ströme Isu, ISv und ISw in den einzelnen Wicklungen des Rotors des Synchronmaschine 100 erfassen und einem einer dq-Strom-Ermittlungseinheit 220 zuführen, die dann die Ströme Isd und Isq in Bezug auf das dq-Koordinatensysstem ermittelt oder transformiert. Um die gegenseitige Wirkung der beiden Strömen Isd und Isq zu kompensieren, können Entkopplungen in einer entsprechenden Entkopplungseinheit 225 eingeführt werden, um die Entkopplungsparameter EMKd und EMKq zu ermitteln, die, wie vorstehend beschrieben wurde, den mit den den PI-Reglern PI erhaltenen Größen verknüpft, beispielsweise hinzuaddiert werden. Die beiden Strömen Isd und Isq werden ferner mit den Eingangsgrößen IsdRef und IsqRef verknüpft, bevor diese dem PI-Reglern zugeführt werden.
Ferner ist aus der Darstellung aus 2 noch zu erkennen, dass ein Positionssensor 230 zur Bestimmung einer Lage des Rotors der Synchronmaschine 100 als mechanischem Drehwinkel θ_mech bzw. dessen Ableitung nach der Zeit ω_mech vorgesehen ist und unter Berücksichtigung der Polzahl Zp der Synchronmaschine 100 die Ermittlung der Größen θ_el und ω_el ermöglicht. Die Größe θ_el kann dann beispielsweise ebenfalls in der dq-Strom-Ermittlungseinheit 220 als Eingangsvariable verwendet werden, wogegen die Größe ω_el in der Einkopplungseinheit 225 verwendet wird.
Hierbei können die vorstehend genannten Größen nochmals wie folgt beschrieben werden:

ω_el: die elektrische Winkelgeschwindigkeit
ω_mech: die elektrische Winkelgeschwindigkeit
θ_mech: der mechanische Winkel (des Rotors)
Zp: die Polpaarzahl der Maschine
θ_el: der elektrische Winkel (=Zp* θmech)
Usα, Usβ: die Spannungen in α, β-Koordinatensystem
U_dc: die Zwischenkreisspannung (entspricht in manchen Anwendungen im Automobil-industrie die Batteriespannung)
PWM1, PWM2, PWM3: die PWM-Werte zur Ansteuerung des Wechselrichters

Für die Ansteuerung von Gleichstrom- und Drehfeldmaschinen 100 werden überwiegend Spannungszwischenkreis-Wechselrichter WR bzw. dem Element mit dem Bezugszeichen 210 verwendet.
3 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines schematischen Aufbaus eines Wechselrichters 210 für eine Drehfeldmaschine, wie er beispielsweise als Wechselrichter WR 210 in 2 dargestellt ist oder verwendet werden kann. Es ist in der 3 schematisch ein Aufbau eines Spannungszwischenkreis-Wechselrichters mit MOSFETs als Schaltelement oder Halbleiter für eine Drehfeldmaschine mit Zwischenkreis-Strommessung Udc des Zwischenkreis-Kondensators 300 dargestellt. Mittels unterschiedlichen Modulationsverfahren können aus der vom Energiespeicher (der beispielsweise als Akkumulator, Batterie oder Zwischenkreiskondenstor ausgebildet ist) bereitgestellten Spannung Udc die gewünschten Spannungen Usu, Usv, Usw (z. B. für eine Drehfeldmaschine wie die Synchronmaschine 100) am Ausgang des Wechselrichters WR 210 durch Generierung der PWM-Werte PWM1, PWM2, PWM3 eingestellt werden.
Die generierten PWM-Werte aus der Regelung oder der Steuerung zur Erzeugung eines bestimmten Spannungsvektors ändern sich mit der gewünschten Spannungsfrequenz und -amplitude. Als Schaltelemente S (wie der in der 3 dargestellten Schaltelemente S1, S2, S3, S4, S5 und S6 in Brückenschaltung angeordneten Schalter) können beispielsweise Halbleiterelemente als Stromventile im Wechselrichter WR bzw. 210 verwendet werden. Beispielsweise können diese Schaltelemente S technologisch als MOSFET, IGBT, Thyristoren, GTO usw. ausgestaltet sein. Das Ausschalten eines Schaltelementes S wie beispielsweise eines Halbleiterschalters geschieht nicht sprungförmig, es benötigt vielmehr eine gewisse Zeit (Totzeit t0 bzw. t_Dead) bis alle Ladungen im Sperrbereich des Halbleiterschalters als Schaltelement ausgeräumt sind, dann wird das Schaltelement bzw. der Halbleiterschalter ganz ausgeschaltet und sperrt. Diese Totzeit t_Dead hängt von der Technologie des verwendeten Halbleiterschalters bzw. teilweise auch herstellungsbedingt von dem individuellen Schaltelement ab. Zum Beispiel liegt diese Zeit bei einem MOSFET als Schaltelement meist unter 1 µs und beim IGBT als Schaltelement meist wischen 1µs und 5µs.
Im Wechselrichter WR 210 dürfen die zwei komplementären Schaltelementen bzw. Halbleiter in einer Phase (z. B. S1 und S2 in 3) niemals gleichzeitig eingeschaltet werden. Dies kann zum Kurzschluss des Zwischenkreises führen, was eine Zerstörung des Energiespeichers wie beispielsweise des Zwischenkreiskondensators 300 oder des Akkus und/oder des Schaltelementes bzw. der Schaltelemente oder Halbleiter(schalter) zur Folge hat. Aus diesem Grund wird in der Regel eine Verriegel-Zeit (Totzeit oder Sperrzeit genannt) zwischen dem Ausschalten eines Schaltelementes bzw. Halbleiter(schalters) (d. h., einer Zeitspanne, bis alle Ladungen aus dem relevanten Bereich des Elementes ausgeräumt werden) und dem Einschalten des komplementären Schaltelementes bzw. Halbleiters in der gleichen Phase berücksichtigt.
Für die Durchführung der FOR sind neben der Rotorposition und der Zwischenkreisspannung Informationen über die Phasenströme erforderlich um die Rückführung der zu regelnde Größen (d,q-Ströme) nach 2 zu gewährleisten. Dies bedeutet, dass die Strommesssensoren 215 zur Messung der Ströme Isu, Isv, Isw benötigt werden. Üblicherweise werden zwei Stromsensoren für die Strommessung der drei Phasen der Maschine verwendet, um alle drei Phasenströme der Drehfeldmaschine 100 zu ermitteln. Dabei werden zwei Phasenströme (z. B. Is1 und Is2) gemessen und die dritte Phase durch die Gleichung Is3 = IsSum = -Is1 - Is2 berechnet.
Um nun eine Batteriestromberechnung (wobei anzumerken ist, dass hier die Batterie hier stellvertretend für einen allgemeinen Energiespeicher wie beispielsweise auch einen Akku oder einen Zwischenkreiskondensator verwendet wird) durch die einstellbaren PWM-Werten im Wechselrichter zur Ansteuerung der Maschine sowie die Phasenströme der Maschine vorzunehmen, wird der aus dem Energiespeicher abfließende Strom unter Verwendung der folgenden Gleichung GL. 1 berechnet: $Idc = PWM1 * Is1 + PWM2 * Is2 + PWM3 * Is3$
Durch diese Berechnung werden aufgrund von parasitären Effekten in der Endstufe, die hier als Schaltelement des Wechselrichters ausgebildet ist, große Abweichungen erhalten, die vor allem bei kleinen Drehzahlen sehr relevant sind. Mit den einfachen Gleichungen wie aus GL.1 entstehen zusätzlich Abweichungen außerdem auch bei großen Drehzahlen. Dies führt zu einer Verfälschung des berechneten Batteriestromes, der durch eine hohe Überwachungsebene überwacht werden soll. Mit den großen Verfälschungen werden die gewünschte und für die Batterie schönende Batteriestromgrenze nicht eingehalten. Als Konsequenz wird der Lebenslauf der Batterie schlechter und in extremen Fällen können Bauteile in die elektrische Versorgung (Batterie, Schutz, Leitungen ...) sowie im elektrischen Antrieb geschädigt werden.
In dem nachfolgend näher beschriebenen Ansatz wird ein Konzept aufgezeigt, wie der Batteriestrom optimal berechnet werden kann. Damit kann die Batterie besser geschützt und geschönt werden, was zur Erhöhung des Lebenslaufes der Batterie führt. Dazu können durch Derating-Maßnahmen mittels eines genauen berechneten Batteriestromes die Bauteile des elektrischen Antriebes vor Schäden geschützt werden, was ein Ausfall des Antriebes verhindert und die Kosten reduziert. Durch die Verwendung eines Berechnungsmodells für den Batteriestrom lassen sich auch zusätzlich Kosten, Platz und Aufwand der Messeinrichtung sowie Verluste in der Messeinrichtung sparen.
Ein wichtiger Aspekt des hier vorgestellten Ansatzes ist eine optimale Berechnung des Batteriestromes, um eine teure Strom-Messeinrichtung zu ersetzen. Dabei werden die parasitäre Effekte in der Endstufe wie den Schaltelementen des Wechselrichters 210 und/oder ein Versatz zwischen dem Spannung- und dem Stromvektors der Maschine 100 mit berücksichtigt. Dies unterstützt ein Ziel, einen günstigen Antrieb zu entwickeln bzw. eine redundante Batteriestromermittlung für Sicherheitszwecken bereitzustellen.
Um diese Aspekte möglichst gut zu erreichen, werden zwei Schritte vorgeschlagen, die jedoch auch voneinander unabhängig oder nur alleine durchgeführt werden können, wobei dann verständlicherweise die Präzision der Berechnung des Batteriestroms bzw. allgemeiner des aus dem Energiespeicher abfließenden Stroms nicht mehr so hoch ist, jedoch noch immer besser und genauer als im Stand der Technik berechnet werden kann:

A) Zum einem werden die parasitäre Effekte in der Endstufe bei der Berechnung der aus dem Energiespeicher abfließenden Stromstärke kompensiert. Dabei könne abhängig vom verwendeten Schaltelemente bzw. der Halbleiter(schalter) in der Endstufe die Spannungsabfälle berechnet und anschließend von erforderten Spannungen der Maschine 100 abgezogen werden. Die Schaltelemente können Halbleiter wie beispielsweise MOSFETs, IGBT, IGCT, Thyristoren ... sein.

Als Beispiel wird in dieser Beschreibung eine Endstufe eines Wechselrichters 210 mit MOSFETs als Halbleiter(schalter) bzw. Schaltelementen für die Erklärung der Vorgehensweise verwendet. Die wichtigsten parasitäre Effekte in der Endstufe bzw. Schaltelemente mit MOSFETs sind:

- die Sperrzeit: allgemein kann man den mittleren Spannungsabfall aufgrund der Sperrzeit im Wechselrichter über die Schaltperiode des Wechselrichters Ts wie folgt gemäß Gleichung Gl. 2 berechnen:

Δ U_{s x T o t (k)} = s i g n (I_{s x (k)}) \cdot \frac{t_{D e a d}}{T_{S}} \cdot U_{d c}

_sx(k)

WR

_Dead

_dc

Die Vorgehensweise zur Ermittlung der weiteren restlichen vier Spannungsabfälle im MOSFET-Wechselrichter ist in den nächsten Schritten dargestellt: Wird der Aufbau eines Wechselrichters WR mit MOSFETs als Halbleiter bzw. Schaltelementen in 3 betrachtet, kann erkannt werden, dass in den MOSFETs der Strom in beide Richtungen durchgeleitet werden kann. Nur während der Sperrzeit zwischen dem oberen und dem unteren MOSFET in jeder Phase x werden die Rücklaufdiode in dieser Phase x den Strom übernehmen
4 zeigt zwei schematische Schaltdiagramme für ein Ausführungsbeispiel eines Ausschnitts des Wechselrichters WR 210 zur Darstellung der Stromkommutierung während der Sperrzeit beim negativen Phasenstrom (a, linke Darstellung) und beim positiven Phasenstrom (b, rechte Darstellung). Abhängig von Vorzeichen des Stromes kann der Strom über die untere (z. B. D2) oder die obere Diode (z. B. D1) einer Phase x geleitet werden. Der obere MOSFET (z. B. S1) bzw. die obere Diode (z. B. D1) einer Phase x ist immer an +U_dc angeschlossen und der untere MOSFET (z. B. S2) bzw. die untere Diode (z. B. D2) ist immer an -U_dc angeschlossen.

- Durchschaltverluste im Halbleiter: Ein Spannungsverlust als ein Durchschaltverluste in den MOSFETs im durchgeschalteten Zustand kann aus der Gleichung GL. 3. berechnet werden: $Δ U_{s x R O n (k)} = R_{O N x} \cdot \frac{(T_{S} - t_{D e a d})}{T_{S}} \cdot I_{s x (k)}$
- Der Spannungsverlust wegen Sättigungsspannung in den MOSFETs ist aus der Gleichung GL. 4 zu berechnen: $Δ U_{s x CSat (k)} = U_{CSat (k)} \cdot \frac{(T_{S} - t_{D e a d})}{T_{S}} \cdot s i g n (I_{s x (k)})$

Wobei die Variablen aus Gl. 3 bzw. Gleichung GL. 4 wie folgt verstanden werden können:

Ts: die Schaltperiode des Wechselrichters (=1/ fs) t_Dead: die gesamte Sperrzeit des Wechselrichters während einer Schaltperiode R_ONx: der Durchschaltwiderstand des MOSFET des Wechselrichters für die Phase x, er ist temperaturabhängig
U_CSatx: der Sättigungsspannungsabfall (Schleusenspannung) im MOSFET des Wechselrichters für die Phase x

Die sogenannte Rücklaufdiode (bzw. Freilaufdiode) leitet den Strom nur während der Sperrzeit und verursacht durch ihre Forward-Spannung (Schleusenspannung) einen Spannungsabfall. Deswegen sollte zum Zeitpunkt der Sperren der beiden MOSFETs gleichzeitig das Vorzeichen sowie den Betrag des Phasenstromes in jeder Phase x bekannt sein.

- Da die Rücklaufdiode nur während der Sperrzeit den Strom leitet, können die beiden Spannungsverluste wegen Forward-Spannung (Schleusenspannung) der Diode ΔU_sxUDiode sowie wegen des internen Widerstandes der Diode (Durchlassverluste) ΔU_sxRDiode wie folgt aus den Gleichungen GL. 5 und GL. 6 ermittelt werden:

Δ U_{s x U D i o d e} = \frac{t_{D e a d}}{T_{S}} \cdot U_{Diodex} \cdot s i g n (I_{s x (k)})

Δ U_{s x R D i o d e} = \frac{t_{D e a d}}{T_{S}} \cdot R_{Diodex} \cdot I_{s x (k)}

I_sx: der Strom zum Zeitpunkt der Sperrung der beiden komplementären MOSEFTs in der Phase x
U_Diodex: der Spannungsabfall (Schleusenspannung) in der Rücklauf-Diode des Wechselrichters für die Phase x
R_Diodex: der interne Widerstand der Rücklauf-Diode des Wechselrichters für die Phase x, er ist temperaturabhängig
T_s: die Schaltperiode der PWM (= 1/fs; mit fs: Frequenz des Wechselrichters)
t_Dead: die gesamte Sperrzeit des Wechselrichters während einer Schaltperiode

Damit kann der gesamte Spannungsabfall U_sxAbfall im Wechselrichter für jede Phase x der Maschine (x=1, 2, 3; mit 1 entspricht Phase u, 2 entspricht Phase v und 3 entspricht Phase w) durch die Gleichung GL. 7 ermittelt werden: $Δ U_{s x A b f a l l} = Δ U_{s x T o t} + Δ U_{s x C S a t} + Δ U_{s x R O n} + Δ U_{s x U D i o d e} + Δ U_{s x A b f a l l}$
Alle diese Spannungsabfälle aus GL. 2 bis GL.6 bilden die parasitären Effekte in der Endstufe bzw. hier der Schaltelemente des Wechselrichters WR bzw. 210. Sie verursachen in jede Phase x einen Gesamt-Spannungsabfall U_sxAbfall entsprechend der Gleichung GL.7, der dann von dem ermittelten Spannungssollwert der Maschine für diese Phase x subtrahiert werden sollte, um einen möglichst realitätsnahen aus dem Energiespeicher anfließenden Strom bzw. dessen Stromwert (der in der Beschreibung hier als Kompensationsstromwert bezeichnet wird) zu ermitteln oder zu berechnen. Damit lässt sich auch ein realistischer Spannungswert erhalten, der für die Berechnung des realistischen PWM-Wertes jeder Phase x verwendet werden kann.
Die berechneten Spannungsabfälle in der Endstufe für jede Phase x aus der Gleichung GL. 7 U_sxAbfall (mit x=1, 2, 3) werden in Gleichung GL. 8 für die Berechnung der neuen PWM-Werte (PWM1N, PWM2N und PWM3N) verwendet: $(\begin{matrix} P W M 1 N \\ P W M 2 N \\ P W M 3 N \end{matrix}) = (\begin{matrix} P W M 1 - \frac{Δ U_{s 1 A b f a l l}}{U_{d c}} \\ P W M 2 - \frac{Δ U_{s 2 A b f a l l}}{U_{d c}} \\ P W M 3 - \frac{Δ U_{s 3 A b f a l l}}{U_{d c}} \end{matrix})$
wobei PWM1, PWM2, PWM3 sind die ursprünglichen PWM-Werte der Phase (u, v und w), die vom Stromregler 205 generiert wurden.
Mit den neuen berechneten PWM-Werten entsprechend der Gleichung GL. 8 können die tatsächlichen Spannungen in der einzelnen Phasen x berechnet werden. Diese werden in die Berechnung des genauen Batteriestromes verwendet.
In vielen Anwendungen werden großen Regelperioden (bzw. Regelzyklen) aus Kostengründen verwendet (beispielsweise bei Lenkungen, Stellantrieben...). Bei solchen Fällen ist es üblich, dass der Regelzyklus ein mehrfacher der Wechselrichter(WR)-Periode (also hier beispielsweise der PWM-Signalperiode) ist. In jeder WR-Schaltperiode wird für jede Phase ein PWM-Wert eingestellt. Die PWM-Werte jeder WR-Schaltperiode können innerhalb dem Regelzyklus für alle WR-Schaltperiode gleich oder unterschiedlich (z. B. durch Extrapolation berechnet) sein. Die PWM-Werte werden in jedem Regelzyklus vorausberechnet, damit sie im nächsten Regelzyklus nacheinander im Wechselrichter WR eingestellt werden.
5 ein Ausführungsbeispiel für in einem Diagramm dargestellte Abtastzeiten bei mehrfacher PWM-Ausgabe in einem Regelzyklus T_A (z. B. 4 PWMs/WR-Schaltperiode Ts pro Regelperiode) über die Zeit t. Das in der 5 dargestellte Diagramm zeigt ein Beispiel für eine vierfache PWM-Ausgabe in einem Regelzyklus. In jeder Schaltperiode des Wechselrichters T_s wird ein PWM-Wert eingestellt. Der Regelzyklus T_A enthält vier Schaltperiode T_s des Wechselrichters. Die Maschinenströme wird innerhalb einer der Schaltperiode des Wechselrichters zur Zeit t_Meas abgetastet (in diesem Beispiel ist die vierte WR-Schaltperiode), während in andere Schaltperiode innerhalb des Regelzyklus keine Strommessung durchgeführt wird. Bei der WR-Schaltperiode mit der Strommessung wird ein Mindestzeitabstand zwischen zu den benachbarten Flanken gefordert.
6 zeigt in zwei Diagrammen je ein Ausführungsbeispiel, in dem je unterschiedliche PWM-Verläufe der drei Phasen der Synchronmaschine 100 mit Stromabtastung zum Zeitpunkt t_Meas bei einer Schaltfrequenz fs (=1/Ts)

a) links beginnenden PWMs und
b) zentrierten PWMs

In der 6 ist somit ein PWM-Verlauf der einzelnen Phasen für zwei unterschiedliche PWM-Muster [a) links beginnende PWM, b) zentrierte PWM] mit einem Beispiel für die Strommessung zum Zeitpunkt t_Meas.
Für eine genaue Batteriestromberechnung sollten beispielsweise nur die PWM-Werten der PWM-Periode, in der die Strommessung zum Zeitpunkt t_Meas stattfindet, verwendet werden, um eine bessere Synchronisation der Spannung- und Stromzeiger der Maschine zu gewährleisten. Weitere Maßnahmen zur genauen Synchronisation der Spannung- und Stromzeiger der Maschine werden im zweiten Schritt unten erläutert.
B) Der zweite Schritt zur genauen Messung des Batteriestromes ist die genaue Synchronisation des Spannungsvektors mit dem Stromvektor der Maschine. Dabei wird beispielsweise die PWM-Periode (bzw. WR-Schaltperiode) ausgewählt, in der die Phasenströme der Maschine 100 abgetastet werden. Dazu sollte noch der Zeitpunkt t_Meas der Stromabtastung passend zu einem Zeitpunkt in der PWM-Periode, bei dem der Spannungsvektor in der Mitte eingestellt wird. In der Regel befindet sich dieser Zeitpunkt um die Mitte der PWM-Periode. Wird zum Beispiel der Strom am Ende der PWM-Periode (wie bei links beginnend PWM-Muster im 6a) abgetastet wird, sollte eine Korrektur des Stromzeigerwinkels um einen Winkel-Offset von θ_z durchgeführt werden.
7 zeigt ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels, in der eine Darstellung einer solchen Korrektur eines Winkel-Offsets von θ_z wiedergegeben ist. Es ist somit in 7 eine Darstellung des Stromzeigers in Stator- und Rotorkoordinatensystem mit einer Winkelkorrektur des Phasenstromzeigers wiedergegeben. Die Winkelkorrektur um den Winkel-Offset θ_z kann man mittel der Drehzahl (bzw. elektrische Winkelgeschwindigkeit) der Maschine und dem Zeitversatz ΔT_Syn (siehe 6a) berechnen werden.
Die elektrische Winkelgeschwindigkeit der Maschine lässt sich durch die Anwendung der Gleichung GL. 9 ermitteln: $ω_{e l} = \frac{n * 2 * π * Ζ p}{60}$
wobei die Variablen aus den Gleichungen GL. 5 und GL. 6 wie folgt verstanden werden können:

n: die aktuelle Drehzahl der Maschine in [U/min]
Zp: Polpaarzahl der Maschine

Es können daher zuerst der neue Stromvektor (bzw. Zeiger) durch die abgetasteten Phasenströme ermittelt werden. Dabei wird aus den abgetasteten Phasenströmen der Stromzeigerbetrag und -winkel ermittelt. Es kann dafür die Gleichung GL. 10 für die Komponenten Isα und Isβ verwendet werden: $(\begin{matrix} I s α \\ I s β \end{matrix}) = (\begin{array}{l} \frac{2}{3} & - \frac{1}{3} & - \frac{1}{3} \\ 0 & \frac{1}{\sqrt{3}} & - \frac{1}{\sqrt{3}} \end{array}) * (\begin{matrix} I s u \\ I s v \\ I s w \end{matrix})$
Aus den beiden Stromkomponenten Isα und Isβ lässt sich der Phasenstrombetrag II $‖ I \vec{s} ‖$
II und den Phasenstromwinkel θ_Is gemäß der Gleichung GL. 11 ermitteln: $(\begin{matrix} I s α \\ I s β \end{matrix}) \to (‖ \vec{I s} ‖, θ_{I s})$
Zur besseren Synchronisation der Spannungs- und Stromvektor wird (wie z. B. in 7) der Zeitverzug ΔT_Syn kompensiert. Der neue Winkel des Stromzeigers kann dann unter Verwendung der Gleichung GL. 12 korrigiert werden: $θ_{I s N} = θ_{I s} + Δ T_{Syn} \cdot ω_{e l} = θ_{I s N} + θ_{Z}$
Wobei ΔT_Syn der Zeitversatz zur Korrektur des Stromzeigers, damit die PWM-Werte und die Stromwerte der einzelnen Phasen der Maschine miteinander synchronisiert und für den gleichen Zeitpunkt abgetastet werden seine sollen. Der Zeitversatz liegt beispielsweise zwischen - Ts/2 und Ts/2, beispielsweise auch abhängig von Zeitpunkt der Stromabtastung innerhalb der PWM-Periode T_s. Soll der Stromzeiger vorgedreht werden, kann ein positiver Zeitversatz ΔT_Syn gewählt werden. Um den Stromzeiger zurückzudrehen, kann ein negativer Zeitversatz ΔT_Syn gewählt werden. Für das Beispiel aus 7 ist ein negativer Zeitversatz ΔT_Syn zu wählen, um den Stromzeiger zurückzudrehen.
Es lassen sich dann mit dem neuen Winkel des Phasenstromzeigers die neue Alpha- und Beta- Stromkomponenten entsprechen der Gleichung GL. 13 ermitteln: $(\begin{matrix} I s α N \\ I s β N \end{matrix}) = (\begin{matrix} ‖ \vec{I s} ‖ \cdot cos (θ_{I s N}) \\ ‖ \vec{I s} ‖ \cdot sin (θ_{I s N}) \end{matrix})$
Die neue Stromwerte der einzelnen Phasen u, v und w, die zu den PWM-Werte in den zugeordneten WR-Schaltperiode passen, lassen sich durch Anwendung der folgenden Gleichung GL. 14 ermitteln: $(\begin{matrix} I s u N \\ I s v N \\ I s w N \end{matrix}) = (\begin{matrix} 1 & 0 \\ - \frac{1}{2} & \frac{\sqrt{3}}{2} \\ - \frac{1}{2} & - \frac{\sqrt{3}}{2} \end{matrix}) * (\begin{matrix} I s α \\ I s β \end{matrix})$
C) Berechnung des Batteriestromes I_dc (der hier als Kompensationsstromwert bezeichnet wird):

Mit den vorausgehenden Überlegungen können dann die neuen PWM-Werte (die hier als Korrektursteuerparameter bezeichnet werden) entsprechend der Gleichung GL. 8 und/oder die neuen Phasenströme (die hier als Korrekturstromwert bezeichnet werden) entsprechend der Gleichung GL. 14, für eine genauere Berechnung des Zwischenkreisstromes (bzw. des Batteriestromes) verwendet werden, wobei dieser genauere Wert für den aus dem Energiespeicher (wie dem Zwischenkreis, der Batterie oder dm Akku) abfließenden Strom als Kompensationsstromwert bezeichnet wird. Der Batteriestromes bzw. des zu Ermittelnden Kompensationsstromwertes kann daher gemäß der Gleichung GL. 15 ermittelt werden: $I_{dcCalc} = I_{suN} + PWM1N + I_{svN} + PWM2N + I_{swN} + PWM3N$

Es ist jedoch auch anzumerken, dass bereits die alleinige, einzige Berücksichtigung von einem parasitären Effekt eines Schaltelementes des Wechselrichters oder einem neuen Phasenstrom ebenfalls eine Verbesserung bei der Berechnung des aus dem Energiespeicher abfließenden Stroms gegenüber einem Ansataz aus dem Stand der Technik bewirken, sodass der hier vorgestellte Ansatz nicht zwingend die Kombination der Berücksichtigung bzw. Kompensation der parasitären Effekte aller der Schaltelemente des Wechselrichters zusammen mit allen kompensierten Phasenströmen für alle drei Phasen des Wechselrichters erfordert.
Zusammenfassend kann die gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellte Vorgehensweise anhand eines Blockschaltbilds und eines Ablaufdiagramms nochmals beschrieben werden.
8 zeigt in einer Blockschaltbilddarstellung die Erweiterung der der feldorientierten Regelung gemäß eines Ausführungsbeispiels der hier neu vorgeschlagenen Struktur mit dem Konzept zur Batteriestromberechnung bzw. der Ermittlung des Kompensationsstromwertes IdcCalc. Hierzu wird als neues Element die Ermittlungsvorrichtung 800 zur Ermittlung des Kompensationsstromwertes IdcCalc vorgeschlagen, die eine Einleseschnittstelle 810, eine Ermittlungseinheit 820 und eine Berechnungseinheit 830 aufweist. Die Einleseschnittstelle 810 ist zum Einlesen zumindest eines Abtaststromwertes Isu, Isv, Isw und/oder eines Steuerparameters PWM1, PWM2, PWM3 zur Ansteuerung des Schaltelementes ausgebildet, wobei der Abtaststromwert einen gemessenen Stromfluss aus dem Energiespeicher repräsentiert und der Steuerparameter einen Steuerbefehl zur Ansteuerung des Schaltelementes repräsentiert. Die Ermittlungseinheit 820 ist zum Ermittlen eines Korrekturstromwertes IsuN, ISvN, IswN unter Verwendung des Abtaststromwertes und eines von einem Abtastzeitpunkt einer Abtastung des Abtaststromwertes abhängigen Stromkorrekturparameters T_Syn in einer Stromkorrektureinheit 840 und/oder zum Ermitteln zumindest eines Korrektursteuerparameters PWM1N, PWM2N PWM3N unter Verwendung von zumindest einem Schaltelementparameter PWM1, PWM2, PWM3 in einer entsprechenden Korrektursteuerparameter-Ermittlungseinheit 850, hier einer PWM-Korrektureinheit ausgebildet. Schließlich erfolgt in der Berechnungseinheit 830 ein Berechnen des Kompensationsstromwertes IdcCalc zumindest unter Verwendung eines Korrekturstromwertes IsuN, ISvN, IswN und/oder eines Korrektursteuerparameters PWM1N, PWM2N PWM3N. Die drei neue Einheiten Korrektursteuerparameter-Ermittlungseinheit 850 („PWM-Korrektur“) , Stromkorrektureinheit 840 („Stromvektor-Korrektur“) und Berechnungseinheit 830 („I_dc-Berechnung“) können für jede andere Regelung mit einer anderen Maschinen-Art (wie z. B. für eine Asynchronmaschine (ASM)) und für Wechselrichter mit anderen Halbleiter (z. B.: IGBT, ... ) entsprechend angepasst ebenfalls verwendet werden.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 900 zum Ermitteln eines Kompensationsstromwertes eines aus einem Energiespeicher zu einem Wechselrichter abfließenden Gleichstroms. In diesem Ablaufdiagramm für das Verfahren 900 werden auszuführende Schritte für das Konzept zur Optimierung der Batteriestromberechnung abgebildet. Dabei wird von einer aus dem Stand der Technik verwendeten Vorgehensweise ausgegangen und dieser Ansatz mit den vorgestellten zusätzlichen Kompensationen erweitert, um den realitätsnäheren und präziseren, also genaueren Batteriestrom IdcCalc zu ermitteln.
Zunächst wird ein einem Schritt 905 der Algorithmus gestartet. In einem folgenden Schritt 910 des Einlesens wird zumindest ein Abtaststromwert Isu(k), Isv(k) oder Isw(k) und/oder zumindest ein Steuerparameter PWM1(k), PWM2(k) PWM3(k) (bezogen auf einen Messzeitpunkt t_Meas der Messung der Stromstärke an den Phasen) zur Ansteuerung des Schaltelementes eingelesen, wobei der Abtaststromwert einen gemessenen Stromfluss aus dem Energiespeicher repräsentiert und der Steuerparameter einen Steuerbefehl zur Ansteuerung des Schaltelementes repräsentiert. In einem anschließenden Schritt 920 des Ermittelns wird zumindest ein Korrekturstromwert IsuN(k), IsvN(k) oder IswN(k) unter Verwendung des Abtaststromwertes und eines von einem Abtastzeitpunkt einer Abtastung des Abtaststromwertes abhängigen Stromkorrekturparameters und/oder ein Korrektursteuerparameter PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k) unter Verwendung von zumindest einem Schaltelementparameter ermittelt. Schließlich wird in einem Schritt 930 des Berechnens der Kompensationsstromwertes IdcCalc zumindest unter Verwendung des Korrekturstromwertes IsuN(k), IsvN(k) oder IswN(k) und/oder des Korrektursteuerparameters PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k) beispielsweise mittels der Gleichung GL. 15 berechnet, bevor der Algorithmus in einem Schritt 935 stoppt.
Im Schritt 920 des Ermittelns können gemäß dem im Ablaufdiagramm aus der 9 dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Teilschritte ausgeführt werden. So kann in einem ersten Teilschritt 940 aus den Abtaststromwerten Isu(k), Isv(k) oder Isw(k) beispielsweise unter Verwendung der Gleichung GL. 10 die Stromkomponenten Isα(k) und Isβ(k) ermittelt werden. In einem weiteren Teilschritt 945 kann dann beispielsweise unter Verwendung der Gleichung GL. 11 der Strombetrag Is(k) und der Stromwinkel θ_Is ermittelt werden, wobei dann nachfolgend beispielsweise unter Verwendung der Gleichung GL. 12 und der elektrische Winkelgeschwindigkeit ω_el einer Korrektur des Phasenstromwinkels θ_IsN(k) in einem weiteren Teilschritt 950 erfolgen kann. Dieser korrigierte Phasenstromwinkel 8_IsN(k) kann dann in einem nachfolgenden Teilschritt 955 zur Berechnung der neuen Phasenströme IsuN(k), IsvN(k) oder IswN(k) beispielsweise unter Verwendung der Gleichungen GL. 13 und GL. 14 sowie des Strombetrags Is(k) verwendet werden, die dem Schritt 930 des Berechnens des Kompensationsstromwertes IdcCalc als Eingangsvariable zugeführt werden. Alleine durch diese Berücksichtigung der neuen Phasenströme IsuN(k), IsvN(k) oder IswN(k) bei der Berechnung des Kompensationsstromwertes IdcCalc kann bereits eine Verbesserung der Präzision bei der Bestimmung Kompensationsstromwertes IdcCalc erreicht werden.
Auch können die neuen Phasenströme IsuN(k), IsvN(k) oder IswN(k) einem weiteren Teilschritt 960 als Eingangsvariablen zugeführt werden, in dem das Vorzeigen der einzelnen Phasenströme ermittelt wird. Diese Vorzeichen der einzelnen Phasenströme können dann zusammen mit den einzelnen Phasenströmen in einem nächsten Teilschritt 965 beispielsweise unter Verwendung einer oder mehrerer der Gleichungen GL. 2 bis GL. 6 zur Ermittlung von entsprechenden Spannungsabfällen ΔU_sxTot, ΔU_sxCSat, ΔU_sxROn, ΔU_sxUDiode verwendet werden, die durch parasitäre Effekte der Schaltelemente des Wechselrichters bedingt sind. Hierzu können beispielsweise Schaltelementparameter verwendet werden, die aus Datenblättern oder aus Versuchen zu einem Schaltverhalten der Schaltelemente erhalten werden. Unter Kenntnis dieser Spannungsabfälle (oder auch nur eines der genannten Spannungsabfälle) können dann in einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel in einem weiteren Teilschritt 970 die gesamten Spannungsverluste ΔU_s1Abfall, ΔU_s2Abfall, ΔU_s3Abfall in allen drei Phasen, beispielsweise unter Verwendung der Gleichung GL. 7 berechnet werden. Hiermit können dann in einem weiteren Teilschritt 975 die neuen PWM-Werte als Korrektursteuerparameter PWM1N(k), PWM2N(k), PWM3N(k), beispielsweise unter Verwendung der Gleichung GL. 8, berechnet und als Eingangsvariablen dem Schritt 930 des Berechnens zur Verfügung gestellt werden.
Die Optimierung bei der Berechnung des Kompensationsstromwertes IdcCalc basiert somit auf zwei Hauptmaßnahmen, die jedoch auch nur teilweise bzw. unabhängig voneinander eingesetzt werden können. Zum einem werden die parasitäre Effekte in der Endstufe bzw. einem oder mehrerer der Schaltelemente des Wechselrichters kompensiert (Block „PWM-Korrektur“ 850 in 8), dadurch lassen sich die tatsächlichen Spannungen, die in der Endstufe bzw. dem betreffenden Schaltelement eingestellt werden, besser nachbilden. Um dies zu erreichen werden beispielsweise für jede Phase der Maschine 100 die einzelnen Spannungsabfälle in der Endstufe bzw. dem Schaltelement berechnet. Dabei werden die Phasenströme der Maschine 100 sowie Parameter der Endstufe bzw. des Schaltelementes des Wechselrichters verwendet. In der Regel werden diese Parameter aus den Datenblättern der verwendeten Bauteilelemente entnommen oder durch spezielle Versuche ermittelt. Aus dem Ablaufdiagramm aus 9 kann entnommen werden, dass, nachdem die Vorzeichen der einzelnen Phasenströme der Maschine ermittelt wurden, aus Gleichungen GL. 2 bis GL. 6 die einzelnen Spannungsabfälle für jede Phase x berechnet werden können. Anschließend werden diese einzelnen Spannungsabfälle für jede Phase x zusammen addiert Gleichung GL. 7, es ergibt sich der gesamte Spannungsabfall ΔU_sx-_Abfall für jede Phase x, mit x=1, 2 oder 3 (1 entspricht Phase u, 2 entspricht Phase v und 3 entspricht Phase w). Mittels der Gleichung GL. 8 lassen sich nun beispielsweise aus den ursprünglichen PWM-Werten (PWM1, PWM2 und PWM3), der Zwischenkreisspannung U_dc sowie den einzelnen Summen der Spannungsabfälle in jeder Phase (ΔUs_1Abfall ΔU_s2Abfall, ΔU_s3Abfall) die neue PWM-Wert PWM1 N, PWM2N und PWM3N für die drei Phasen der Maschine ermitteln. Die neuen PWM-Werte (PWM1 N, PWM2N und PWM3N) bilden den Spannungsvektor der Maschine 100 mit Berücksichtigung der parasitären Effekten in der Endstufe bzw. eines oder mehrerer der Schaltelement(e).
Die zweite Maßnahme ist die Berücksichtigung des Phasenversatzes zwischen dem Stromzeiger und dem Spannungszeiger der Maschine, der aus den PWM-Werten in die WR-Schaltperiode mit der Strommessung gebildet wird. In Block „Stromvektor-Korrektur“ 840 aus 8 wird diese Korrektur durchgeführt. Es werden beispielsweise genau die PWM-Werte der WR-Schaltperiode ausgewählt, an denen auch die Phasenströme abgetastet werden, um den Verzug auf Minimum zu reduzieren. Dazu wird der restliche Phasenversatz durch Drehung des Stromzeigers der Maschine kompensiert. 9 zeigt beispielhaft die Vorgehensweise: Nachdem die Phasenströme abgetastet werden, werden der Phasenstromzeigerbetrag und der winkel aus den Gleichungen GL. 10 und GL. 11 berechnet. Der Winkel des Stromzeigers wird mittels eines Synchronisationszeit-Offsets ΔT_Syn und der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω_el um die Winkelkorrektur θ_z korrigiert. Der Synchronisationszeit- Offset ΔT_Syn liegt in der Regel zwischen - Ts/2 und Ts/2, je nach Zeitpunkt der Abtastung der Ströme innerhalb der PWM-Periode Ts (Ts=1/fs, mit fs Schaltfrequenz des Wechselrichter zum Zeitpunkt der Strommessung).
Mittels der Gleichung GL. 12 lassen sich nun der neue Winkel des Stromzeigers θ_IsN ermitteln. Anschließend werden die neue Phasenströme I_suN, I_svN und I_swN durch die Gleichungen GL. 13 bis GL. 14 berechnet. Es werden Phasenströme (bzw. Phasenstromzeiger) erhalten, die synchron zu den PWM-Werten (bzw. zum Spannungszeiger der Maschine) sind.
Die ermittelten neuen Werte der Phasenströme (I_suN, I_svN und I_swN) sowie ihre entsprechende kompensierten PWM-Werte (PWM1N, PWM2N und PWM3N) werden für die optimale Berechnung des Batteriestromes verwendet. Hierdurch kann durch Anwendung der Gleichung GL. 15 der neue gewünschte Batteriestrom I_dcCalc mit mehr Genauigkeit ermittelt werden.
10 zeigt in mehreren Diagrammen die Ergebnisse von Messungen bzw. einer Berechnung über die Zeit t bei einem Verlauf einer PSM-Maschine mit einem sinusförmigen Drehzahl-Verlauf und einem Vielfachen Drehmomentverlauf für einen Stellantrieb. Dabei ist von oben nach unten dargestellt.

1. Bildteil von oben:
- - Batteriestrom gemessen 1010
- - und Batteriestrom 1020 berechnet mittels des Konzeptes nach 9
2. Bildteil von oben:
- - Soll- und Istwert des d-Stromes 1030
- - Soll- und Istwert des q-Stromes 1040
3. Bildteil von oben:
- - Drehzahl 1050
- - Soll und Istwert des Drehmomentes 1060
4. Bildteil von oben:
- - PWM-Werte der drei Phasen der Maschine 1070

Es lässt sich erkennen, dass der mittel des hier vorgestellten Ansatzes Konzeptes berechneten Batteriestrom, d. h., der Kompensationsstromwert auf den berechneten Batterieströmen in allen Betriebszuständen der Maschine liegt. Durch das hier vorgestellte Konzept entsprechend der Blockschaltbild-Darstelung gemäß 8 und dem Ablaufdiagramm aus 9 lässt sich der Batteriestrom bzw. der aus dem Energiespeicher abfließende Strom in allen Betriebs-Quadranten der Maschine sehr genau nachbilden.
Zusammenfassend kann angemerkt werden, dass der hier vorgestellte neue Ansatz mehrere Aspekte betrifft:

• Es wird eine Erweiterung der bekannten Batteriestromberechnung mit einer Kompensation der parasitären Effekten in der Endstufe und Kompensation des Zeitverzugs zwischen Strom- und Spannungsvektor der Maschine eröffnet (siehe Beschreibung zu 9)
• Es wird eine Kompensation der parasitären Effekte durch die Berechnung von Spannungsabfällen in den Schaltelementen bzw. Halbleiter(schaltern) des Wechselrichters aufgezeigt, wobei zwischen Schaltelemente-Technologien der IGBT, MOSFTs unterschieden werden kann. Das Beispiel für MOSFETs als Schaltelement ist in der vorliegenden Beschreibung dargelegt. Für IGBTs oder andere Halbleiter als Schaltelement lassen sich analog dazu die Spannungsabfälle ermitteln.
• Es wird eine Kompensation des Phasenverzuges zwischen Spannung- und Stromzeiger über das Vor- oder Zurückdrehen des Stromzeigers ermöglicht, wobei die elektrische Winkelgeschwindigkeit der Maschine und einem Zeitversatz-Parameter ΔT_Syn bei der Berechnung der Phasenkorrektur verwendet werden kann. Der Zeitversatz ΔT_Syn kann zwischen Ts/2 und Ts/2 liegen (Ts: Schaltperiode des Wechselrichters beim Abtasten des Stromes).
• Die elektrische Maschine kann eine PSM oder ASM oder jede drei-phasige Maschine sein. Bei ASM kann die elektrische Winkelgeschwindigkeit des Rotorflusses für die Berechnung der Phasenkorrektur verwendet werden.
• Bei der Batteriestromberechnung bzw. der Berechnung des aus dem Energiespeicher abfließenden Stroms können die PWM-Werte aus derjeningen PWM-Periode verwendet werden, bei der die Strommessung stattfindet. Bei mehrfacher PWM-Ausgabe sollten nur die PWM-Werte aus derjeningen PWM-Periode verwendet werden, bei der auch das Abtasten des Stromes erfolgt.

Durch den hier vorgestellten Ansatz lassen sich mehrere Vorteile erreichen. Auch kann der hier vorgestellte Ansatz für mehrere Anwendungen verwendet werden.

• Durch den Verzicht auf die Batteriestrommessung kann beispielsweise bei elektrischen Antrieben in der Automobil-Industrie der Aufwand der Strommessung reduziert werden.
• Auch kann der Aufwand (in Bezug auf erforderliche Sensoren, A/D-Wandler, Platinenfläche, usw....) und damit auch die Kosten und Raum (bei Millionen Stückzahlen im Automobil-Industrie: z. B. in Servolenkungen) reduziert werden.
• Durch das neue hier vorgestellte Konzept zur Verbesserung der Batteriestromberechnung bzw. der Ermittlung/Berechnung des aus dem Energiespeicher abfließenden Stroms kann eine sehr genaue Batteriestromberechnung erreicht werden.
• Durch das neue hier vorgestellte Konzept zur Verbesserung der Batteriestromberechnung bzw. der Ermittlung/Berechnung des aus dem Energiespeicher abfließenden Stroms kann die Batterie bzw. der Energiespeicher besser überwacht werden. Dadurch lässt sich auch die Lebensdauer der Batterie bzw. des Energiespeichers erhöhen.
• Durch den Batterieschutz bzw. den Schutz des Energiespeichers (Überwachung Batteriestrom/Energiespeicherabflussstom) lässt sich die Verfügbarkeit des Antriebes durch das Schönen der Batterie/des Energiespeichers verbessern, weil der Antrieb nicht zwangsweise ausgeschaltet werden braucht.
• Durch das neue hier vorgestellte Konzept zur Verbesserung der Batteriestromberechnung /Berechnung des Energiespeicherabflussstroms können Schäden in Teilen des elektrischen Antriebs verhindert werden.
• Auch bei mehrfacher PWM-Ausgabe lässt sich der den Batteriestrom/Energie-speicherabflussstom genauer berechnen. In der Automobilindustrie können damit kostengünstige Mikrocontroller mit kleiner Rechenleistung (und damit großer Reglerzyklus mit mehrfacher PWM-Ausgabe) verwendet werden. Bei der Notwendigkeit der Verwendung von Millionen Stückzahlen (z. B. iin Servolenkungen, Stellantrieben in dem Getriebe, ... ) kann dies zu einer massiven Kostenreduktion führen.
• Das hier vorgestellte Konzept der Optimierung der Batteriestromberechnung bzw. der Berechnung des Abflussstroms aus dem Energiespeicher lässt sich auch in anderen Wechselrichtern mit anderen Schaltelementen bzw. Halbleitern (IGBT, IGCT...) als der hier vorgestellten Variante für die Schaltelemente verwenden. Die Spannungsabfälle im Wechselrichter unterscheiden sich in diesem Fall je nach Art der Schaltelemente/Halbleiter.
• Das hier vorgestellte Konzept lässt sich auch bei anderen Maschinenarten (z. B. Asynchronmaschine) einsetzen.
• Das hier vorgestellte Konzept lässt sich bei EVD2 oder EVD3 als Ersatzstrommessung für den Batteriestrom/Strom aus dem Energiespeicher verwenden, falls die direkte Batteriestrommessung mit teuren LEM-Wandlern ausfällt.
• Das hier vorgestellte Konzept lässt sich bei E-Mobilität-Projekten als Überwachungsmessung für den Batteriestrom bzw. dem Strom aus dem Energiespeicher verwenden, um die Sicherheit des elektrischen Antriebes und der Batterie bzw. des Energiespeichers zu gewährleisten.
• Das hier vorgestellte Konzept ermöglicht bei E·Mobilität·Projekten, die Messung des Batteriestromes bzw. des Stroms aus dem Energiespeicher zu ersetzen, um Kosten zu sparen oder Schwierigkeiten bei Unterbringung der Messeinrichtung zu vermeiden.
• Bei einigen Stellantrieben können auch sehr hohe Anforderungen der Kunden bezüglich der Genauigkeit der Stromberechnung in Low-Cost-Variante erfüllt werden.

Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezugszeichenliste

100: Synchronmaschine
110: Rotor
200: Phasenspanungsbestimmungseinheit
205: Stromregler
210, WR: Wechselrichter
215: Strommesssensoren
220: dq-Strom-Ermittlungseinheit
225: Entkopplungseinheit
230: Positionssensor
300: Zwischenkreis-Kondensator
800: Ermittlungsvorrichtung
810: Einleseschnittstelle
820: Ermittlungseinheit
830: Berechnungseinheit, I_dc-Berechnung
840: Stromkorrektureinheit, Stromvektor-Korrektur
850: Korrektursteuerparameter-Ermittlungseinheit, PWM-Korrektureinheit
900: Verfahrens zum Ermitteln eines Kompensationsstromwertes
905: Start des Verfahrens
910: Schritt des Einlesens
920: Schritt des Ermittelns
930: Schritt des Berechnens
935: Ende des Verfahrens
940: Teilschritt der Berechnung der Stromkomponenten
945: Teilschritt der Ermittlung des Strombetrags und des Stromwinkels
950: Teilschritt der Korrektur des Phasenwinkels
955: Teilschritt der Berechnung der neuen Phasenströme
960: Teilschritt der Ermittlung von Vorzeichen der Phasenströme
965: Teilschritt der Berechnung der Spannungsabfälle in allen drei Phasen
970: Teilschritt der Berechnung der gesamten Spannungsverluste in allen drei Phasen
975: Teilschritt der Berechnung der neuen PWM-Werte
1010: Kennlinie für den Batteriestrom gemessen
1020: Kennlinie für den mittels des hier vorgestellten Konzeptes berechneten Batteriestrom
1030: Kennlinie für den Soll- und Istwert des d-Stromes
1040: Kennlinie für den Soll- und Istwert des q-Stromes
1050: Kennlinie für die Drehzahl
1060: Kennlinie für den Soll und Istwert des Drehmomentes
1070: Kennlinie für PWM-Werte der drei Phasen der Maschine

Claims

Verfahren (900) zum Ermitteln eines Kompensationsstromwertes (IdcCalc) eines aus einem Energiespeicher (300) zu einem Wechselrichter (WR, 210) abfließenden Gleichstroms, wobei der Wechselrichter (WR, 210) zumindest ein Schaltelement (S1, S2, S3, S4, S5, S6) aufweist, um aus dem Gleichstrom einen Wechselstrom zu generieren, wobei das Verfahren (900) die folgenden Schritte aufweist: - Einlesen (910) eines Abtaststromwertes (Isu(k), Isv(k), Isw(k)) und/oder eines Steuerparameters (PWM1(k), PWM2(k) PWM3(k)) zur Ansteuerung des Schaltelementes (S1, S2, S3, S4, S5, S6), wobei der Abtaststromwert (Isu(k), Isv(k), Isw(k)) einen gemessenen Stromfluss aus dem Energiespeicher (300) repräsentiert und der Steuerparameter (PWM1(k), PWM2(k) PWM3(k)) einen Steuerbefehl zur Ansteuerung des Schaltelementes (S1, S2, S3, S4, S5, S6)repräsentiert; - Ermitteln (920) eines Korrekturstromwertes (IsuN(k), IsvN(k), IswN(k)) unter Verwendung des Abtaststromwertes (Isu(k), Isv(k), Isw(k)) und eines von einem Abtastzeitpunkt (t_Meas) einer Abtastung des Abtaststromwertes (Isu(k), Isv(k), Isw(k)) abhängigen Stromkorrekturparameters (ΔT_Syn) und/oder Ermitteln eines Korrektursteuerparameters (PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k)) unter Verwendung von zumindest einem Schaltelementparameter (t_Dead, R_ONx, U_CSatx,...); und - Berechnen (930) es Kompensationsstromwertes (IdcCalc) zumindest unter Verwendung des Korrekturstromwertes (IsuN(k), IsvN(k), IswN(k)) und/oder des Korrektursteuerparameters(PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k)).
Verfahren gemäß Anspruch 1 wobei der Wechselrichter (WR, 210) ausgebildet ist, um einen mehrphasigen Wechselstrom zu generieren, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (910) des Einlesens ein Abtaststromwert (Isu(k), Isv(k), Isw(k)) und/oder ein Steuerparameter (PWM1(k), PWM2(k) PWM3(k)) zur Ansteuerung des Schaltelementes (S1, S2, S3, S4, S5, S6) für je eine von unterschiedlichen Phasen (u, v, w) des mehrphasigen Wechselstroms eingelesen werden, wobei im Schritt (920) des Ermittelns pro Phase (u, v, w) ein Korrekturstromwert (IsuN(k), IsvN(k), IswN(k)) und/oder ein Korrektursteuerparameter (PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k)) ermittelt werden und wobei im Schritt (930) des Berechnens der Kompensationsstromwertes (IdcCalc) unter Verwendung des Korrekturstromwertes (IsuN(k), IsvN(k), IswN(k)) und/oder des Korrektursteuerparameters (PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k)) jeder Phase berechnet wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Schaltelement (S1, S2, S3, S4, S5, S6)des Wechselrichters (WR, 210) mit unterschiedlichen Perioden wechselnder Steuerparametern (PWM1(k), PWM2(k) PWM3(k)) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass, im Schritt (910) des Einlesens der eingelesene Abtaststromwert (Isu(k), Isv(k), Isw(k)) in einer gleichen Periode gemessen wird, in der das Schaltelement (S1, S2, S3, S4, S5, S6) mit dem eingelesenen Steuerparameter (PWM1(k), PWM2(k) PWM3(k)) angesteuert wird.
Verfahren (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (920) des Ermittelns des Korrektursteuerparameters (PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k)) ein Schaltelementparameter (ΔU_sxTot(k)) verwendet wird, der einen Spannungsabfall in einer Sperrzeit (t_Dead) im Schaltelement (S1, S2, S3, S4, S5, S6) repräsentiert.
Verfahren (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (920) des Ermittelns des Korrektursteuerparameters (PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k)) ein Schaltelementparameter verwendet wird, der einen Durchschaltspannungsabfall (ΔU_sxROn(k)) im Schaltelement (S1, S2, S3, S4, S5, S6) repräsentiert.
Verfahren (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (920) des Ermittelns des Korrektursteuerparameters (PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k)) ein Schaltelementparameter verwendet wird, der eine Sättigungsspannung (ΔU_sxcsat(k)) im Schaltelement (S1, S2, S3, S4, S5, S6) repräsentiert.
Verfahren (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Schaltelement (S1, S2, S3, S4, S5, S6) ein Gleichrichtelement (D1, D2, D3, D4, D5, D6), insbesondere eine Diode aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (920) des Ermittelns des Korrektursteuerparameters (PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k)) ein Schaltelementparameter verwendet wird, der einen durch einen Durchbruchspannung (ΔU_sxUDiode) und/oder einen Innenwiderstand (ΔU_sxRDiode) des Gleichrichtelementes bedingten Spannungsabfall repräsentiert.
Verfahren (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (920) des Ermittelns zumindest der Korrektursteuerparameter (PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k)) unter Verwendung des Korrekturstromwertes (IsuN(k), IsvN(k), IswN(k)) ermittelt wird.
Verfahren (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (910) des Einlesens ferner eine an dem Energiespeicher (300) anliegende Spannung (U_dc) und/oder eine Winkelgeschwindigkeit (ω_el) einer von dem Wechselrichter (WR, 210) gespeisten elektrischen Maschine (100) eingelesen wird und wobei im Schritt (920) des Ermittelns der Korrekturstromwert (IsuN(k), IsvN(k), IswN(k)) unter Verwendung der Winkelgeschwindigkeit (ω_el) ermittelt wird und/oder der Korrektursteuerparameter (PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k)) unter Verwendung der an dem Energiespeicher (300) anliegenden Spannung (U_dc) ermittelt wird.
Verfahren (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (920) des Ermitteln des Korrekturstromwertes (IsuN(k), IsvN(k), IswN(k)) ein Stromkorrekturparameter (θz) verwendet wird, der eine Drehung eines Stromzeigers repräsentiert oder abbildet und/oder der einen Wert zwischen -T_s/2 und T_s/2 aufweist, wobei T_s eine Periodendauer eines Steuerparameters (PWM1(k), PWM2(k) PWM3(k)) für das Schaltelement (S1, S2, S3, S4, S5, S6) repräsentiert.
Verfahren (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (930) des Berechnens der Kompensationsstromwert (IdcCalc) zumindest unter Verwendung einer Multiplikation des Korrekturstromwertes (IsuN(k), IsvN(k), IswN(k)) mit dem Korrektursteuerparameter (PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k)) ermittelt wird.
Verfahren (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (920) des Ermittelns der Korrekturstromwert (IsuN(k), IsvN(k), IswN(k)) und/oder der Korrektursteuerparameter (PWM1N(k), PWM2N(k) PWM3N(k)) in Abhängigkeit von des Abtaststromwert (Isu(k), Isv(k), Isw(k)) und/oder einem Vorzeichen (sign(Isu(k), Isv(k), Isw(k)) des Abtaststromwertes (Isu(k), Isv(k), Isw(k)) ermittelt wird.
Ermittlungsvorrichtung (800), die eingerichtet ist, um die Schritte (910, 920, 930) des Verfahrens (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten (810, 820, 830) auszuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte (910, 920, 930) des Verfahrens (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 12 auszuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.