DE102021100922A1 - Verfahren zur Ermittlung eines einen Gleichstrom in einem Inverter beschreibenden Gleitstromwerts, Inverteranordnung und Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ermittlung eines einen Gleichstrom in einem Inverter (3) beschreibenden Gleichstromwerts, wobei durch den Inverter (3) der Gleichstrom in einen wenigstens einen Phasenstrom umfassenden Wechselstrom oder ein wenigstens einen Phasenstrom umfassender Wechselstrom in den Gleichstrom gewandelt wird, wobei der Inverter (3) für den Phasenstrom oder die Phasenströme jeweils wenigstens ein Schaltelement (S1- S6) aufweist, welches zur Erzeugung des Wechselstroms aus dem Gleichstrom oder zur Erzeugung des Gleichstroms aus dem Wechselstrom mittels eines dem Schaltelement (S1- S6) zugeordneten Schaltsignals zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand geschaltet wird, wobei für den Phasenstrom oder die Phasenströme jeweils ein den aktuellen Phasenstrom beschreibendes Messsignal bestimmt wird, wobei für jeden Phasenstrom aus dem Schaltsignal und dem Messsignal der jeweils durch das Schaltelement (S1- S6) fließende Schalterstrom bestimmt wird und der Gleichstromwert aus dem Schalterstrom oder den Schalterströmen ermittelt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines einen Gleichstrom in einem Inverter beschreibenden Gleichstromwerts, wobei durch den Inverter der Gleichstrom in einen wenigstens einen Phasenstrom umfassenden Wechselstrom oder ein wenigstens einen Phasenstrom umfassender Wechselstrom in den Gleichstrom gewandelt wird, wobei der Inverter für den Phasenstrom oder die Phasenströme jeweils wenigstens ein Schaltelement aufweist, welches zur Erzeugung des Wechselstroms aus dem Gleichstrom oder zur Erzeugung des Gleichstroms aus dem Wechselstrom mittels eines dem Schaltelement zugeordneten Schaltsignals zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand geschaltet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Inverteranordnung und ein Kraftfahrzeug.
• Bei Invertern werden in der Regel Stromsensoren verwendet, welche einen dem Inverter zugeführten oder von dem Inverter erzeugten Gleichstrom messen, also die Stromstärke des Gleichstroms ermitteln. Die Stromstärke des Gleichstroms kann dabei beispielsweise zur Überwachung einer Leistungsaufnahme oder Leistungsabgabe des Inverters dienen und/oder zur Detektion eines Fehlerfalls in dem Inverter und/oder in einer mit dem Inverter verbundenen elektrischen Schaltung herangezogen werden.
• Neben der Verwendung eines Gleichstromsensors, welcher den Gleichstrom mit einer hohen Genauigkeit messen kann, ist es bekannt, eine Stromstärke des Gleichstroms mittels einer Leistungsbilanzbetrachtung zu berechnen, wobei die Phasenströme des Wechselstroms messende Stromsensoren zur Bestimmung der Phasenströme verwendet werden. Neben dem Stromwert des wenigstens einen Phasenstroms werden dabei zusätzlich der Modulationsgrad m des Inverters sowie der Lastwinkel cos(cp) des Wechselstroms benötigt. Der Modulationsgrad m ist dabei definiert als $$\text{m}={\widehat{\text{U}}}_{\text{LL}}{\text{/U}}_{\text{DC}}$$

  

  mit dem Spitzenwert der Leiter-Leiter-Spannung Û_LL des Wechselstroms und der Gleichspannung U_DC. Der Lastwinkel cos(cp) ergibt sich aus der Phasenverschiebung φ zwischen der Wechselspannung und dem Wechselstrom. Ausgehend von der Leistungsbilanzgleichung $${\text{P}}_{\text{AC}}={\text{P}}_{\text{DC}}\cdot \mathrm{\eta }\mathrm{,}$$

  

  wobei η den Wirkungsgrad des Inverters beschreibt, kann die Stromstärke des Gleichstroms I_DC unter Verwendung des Modulationsgrades m als $$I_{DC}=\frac{\sqrt{6}\cdot I_{Phase,RMS}\cdot m\cdot cos\left(\phi \right)}{2\cdot \mathrm{\eta }}$$

  

  bestimmt werden, ohne das dazu die Verwendung eines Gleichstromsensors erforderlich ist. Der Modulationsgrad m liegt dabei beispielsweise im Rahmen einer Regelung bereits vor und der Wirkungsgrad η des Inverters kann arbeitspunktabhängig in einer Tabelle hinterlegt werden.
• Nachteilig ist jedoch, dass der Lastwinkel cos(cp), welcher beispielsweise durch eine Steuereinrichtung mittels einer Delta-Sigma-Modulation der Phasenströme und mittels der Steuersignale der Schaltelemente ermittelt werden kann, nur sehr ungenau zu bestimmen ist. Dies führt dazu, dass eine Abweichung der berechneten Stromstärke von dem tatsächlichen Wert bei dieser Berechnungsmethode sehr groß werden kann, was sie für viele Anwendungszwecke nicht geeignet macht.
• Zumindest bei hohen Genauigkeitsanforderungen an die Ermittlung des Gleichstroms ist daher zusätzlich zu einem den wenigstens einen Phasenstrom messenden Wechselstromsensor im Inverter ein Gleichstromsensor zu verbauen, sodass bei einem beispielsweise dreiphasigen Inverter insgesamt vier Stromsensoren benötigt werden. Da jeder Sensor Kosten verursacht und Bauraum einnimmt, ist die Verwendung möglichst weniger Sensoren in einem Inverter wünschenswert. Weiterhin ist jedoch auch die Ermittlung des Gleichstroms mit einer hohen Genauigkeit wünschenswert, sodass Bedarf an einer Methode zur Ermittlung eines den Gleichstrom beschreibenden Gleichstromwerts ohne Verwendung eines Gleichstromsensors besteht. Dazu sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren bekannt.
• In JP 2020 127 361 A ist ein Verfahren beschrieben, welches bei einer Inverterschaltung, welche einen Wechselstromsensor und eine Steuereinheit umfasst, einen Schätzwert für den Gleichstrom auf Grundlage der Phasenströme sowie einem der jeweiligen Phase zugeordneten Tastverhältnis abschätzt. Dieser Schätzwert wird dazu verwendet, um den Messwert eines Gleichstromsensors zu überprüfen.
• In DE 11 2017 001 441 T5 wird ebenfalls ein Verfahren zur Ermittlung eines Gleichstromschätzwerts bei einem Inverter beschrieben. Dabei werden Wechselstrom-Sensorwerte mit den jeweiligen Einschaltdauerwerten der jeweiligen Phasen multipliziert, um den Gleichstromschätzwert zu bestimmen.
• CN 109 649 186 A offenbart ein Verfahren zur Ermittlung einer Gleichstromleistung bei einem Inverter zum Betrieb eines Elektromotors. Dabei wird auf Grundlage einer an den Inverter übermittelten Drehmomentanforderung eine Wechselstromlast zum Betrieb des Motors ermittelt und mit Hilfe eines Inverterwirkungsgrads die Gleichstromleistung berechnet. Aus dieser kann die Stromstärke des Gleichstroms, welcher einer mit dem Inverter verbundenen Batterie entnommen wird, bestimmt werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung eines einen Gleichstrom in einem Inverter beschreibenden Gleichstromwerts anzugeben.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass für den Phasenstrom oder die Phasenströme jeweils ein den aktuellen Phasenstrom beschreibendes Messsignal bestimmt wird, wobei für jeden Phasenstrom aus dem Schaltsignal und dem Messsignal der jeweils durch das Schaltelement fließende Schalterstrom bestimmt wird und der Gleichstromwert aus dem Schalterstrom oder den Schalterströmen ermittelt wird.
• Der Inverter umfasst zur Erzeugung des wenigstens einen Phasenstroms aus dem Gleichstrom bzw. zur Wandlung des wenigstens einen Phasenstroms in den Gleichstrom jeweils wenigstens ein Schaltelement pro Phasenstrom. Dieses Schaltelement wird mittels einem dem Schaltelement zugeordneten Schaltsignal zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand geschaltet, wobei in dem geschlossenen Zustand des Schaltelements der Gleichstrom oder ein Anteil des Gleichstroms durch das Schaltelement fließt. In dem offenen Zustand des Schaltelements fließt entsprechend kein Gleichstrom durch das Schaltelement.
• Durch die Auswertung der Schaltsignale lässt sich für jeden Phasenstrom bestimmen, wann sich das zugehörige Schaltelement im geschlossenen Zustand befindet, wobei durch das jeweils den aktuellen Phasenstrom beschreibende Messsignal der zugehörige Schalterstrom bestimmt wird. Der so ermittelte Schalterstrom bzw. die so ermittelten Schalterströme können anschließend zur Ermittlung des Gleichstromwerts herangezogen werden. Dies ermöglicht vorteilhaft, dass der Gleichstromwert mit einer hohen Genauigkeit und ohne den Leistungsfaktor cos(cp) bzw. die Phasenverschiebung zwischen dem Wechselstrom und der Wechselspannung zu kennen, ermittelt werden kann, sodass sich eine Ungenauigkeit bei der Bestimmung des Leistungsfaktors nicht auf den ermittelten Gleichstromwert fortpflanzen kann.
• Für die Ermittlung des Gleichstromwerts werden lediglich das ohnehin beim Betrieb des Inverters für jeden Phasenstrom ermittelte Messsignal sowie für jedes Schaltelement das zum Schalten des Schaltelement eingesetzte Schaltsignal benötigt, sodass zur Ermittlung des Gleichstromwerts vorteilhaft auch auf den Gleichstromsensor verzichtet werden kann. Es ist beispielsweise möglich, dass dabei ein oder mehrere Signale verwendet werden, welche auch für andere Zwecke beim Betrieb des Inverters ermittelt werden und/oder welche in Form eines Soll-Signals vorliegen, sodass für die Ermittlung des Schaltsignals bzw. für die Ermittlung des Gleichstromwerts keine weiteren Sensoren oder Ähnliches erforderlich sind. Zusätzlich oder alternativ dazu ist auch eine Messung des Schaltsignals über wenigstes ein Messmittel möglich, zum Beispiel wenn das Schaltsignal in dem Inverter nicht zurückgelesen wird und/oder nicht anderweitig ermittelt vorliegt.
• Die Verwendung des Schaltsignals des Schaltelements hat dabei weiterhin den Vorteil, dass jeweils der direkte physikalische Schaltzustand des Schaltelements ausgewertet und zur Ermittlung der jeweiligen Schalterströme herangezogen werden kann. Darüber hinaus ermöglicht das Verwenden des für den Phasenstrom oder die Phasenströme jeweils ermittelten Messsignals ein hochgenaues Bestimmen des jeweiligen Phasenstroms und somit in Kombination mit dem Schaltsignal auch ein hochgenaues Bestimmen der Schalterströme. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass auch der aus dem Schalterstrom oder den Schalterströmen ermittelte Gleichstromwert eine hohe Genauigkeit aufweist.
• Der Inverter kann insbesondere zu einem bidirektionalen Betrieb ausgebildet sein, sodass sowohl die Wandlung eines Gleichstroms in einen ein- oder mehrphasigen Wechselstrom als auch eine Wandlung eines ein- oder mehrphasigen Wechselstroms in einen Gleichstrom möglich ist. Die Ermittlung des den Gleichstrom beschreibenden Gleichstromwerts kann dabei für jede Leistungsflussrichtung in dem Inverter vorgenommen werden. Der Wechselstrom kann einphasig oder mehrphasig, zum Beispiel zweiphasig, dreiphasig oder sechsphasig, sein.
• Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass bei einem einphasigen Wechselstrom der Gleichstromwert als Mittelwert aus mehreren, zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelten Schalterströmen bestimmt wird und dass bei einem mehrphasigen Wechselstrom die zu einem Zeitpunkt jeweils bestimmten Schalterströme zu einer Schalterstromsumme addiert werden, wobei der Gleichstromwert als Mittelwert aus mehreren, zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelten Schalterstromsummen ermittelt wird.
• Die für ein Schaltelement zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelten Schalterströme weisen jeweils eine Stromstärke entsprechend des dem Phasenstrom beschreibenden Messsignals auf, wenn sich das Schaltelement in dem geschlossenen Zustand befindet. Im offenen Zustand, in dem kein Strom durch das Schaltelement fließt, weisen die Schalterströme folglich eine Stromstärke von null auf. Somit kann bei einem einphasigen Wechselstrom der Gleichstromwert als ein Mittelwert aus mehreren, zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelten Schalterströmen bestimmt werden.
• Entsprechend können bei einem mehrphasigen Wechselstrom, bei dem ein dem Inverter zugeführter oder von dem Inverter erzeugter Gleichstrom mehrere Schalterströme umfassen kann, zu verschiedenen Zeitpunkten Schalterstromsummen bestimmt werden, welche jeweils der Summe der zu diesem Zeitpunkt durch die Schaltelemente fließenden Schalterströme entsprechen. Der Gleichstromwert kann in diesem Fall als ein Mittelwert aus mehreren, zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelten Schalterstromsummen bestimmt werden.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Inverter für den Phasenstrom oder die Phasenströme jeweils wenigstens ein Highside-Schaltelement und wenigstens ein Lowside-Schaltelement aufweist, wobei zur Ermittlung des Gleichstromwerts jeweils die im geschlossenen Zustand eines Highside-Schaltelements oder die im geschlossenen Zustand eines Lowside-Schaltelements fließenden Phasenströme verwendet werden. Der Inverter kann beispielsweise bei Wandlung eines einphasigen Wechselstroms als Halbbrücke und/oder als Vollbrücke ausgeführt sein.
• Entsprechend kann der Inverter bei einem mehrphasigen Wechselstrom als Brückengleichrichter ausgeführt sein. Ein beispielsweise zur Wandlung eines Gleichstroms in einen dreiphasigen Wechselstrom und umgekehrt ausgebildeter Inverter kann als ein B6-Brückengleichrichter, welcher drei Halbbrücken und somit sechs Schaltelemente umfasst, ausgeführt sein.
• Zur Ermittlung des Gleichstromwerts können insbesondere jeweils der Phasenstrom oder die Phasenströme, welche durch das wenigstens eine Highside-Schaltelement, oder welche durch das wenigstens eine Lowside-Schaltelement fließen, berücksichtigt werden. Es ist auch möglich, dass für das oder die Highside-Schaltelemente ein erster Schalterstrom bzw. eine erste Schalterstromsumme und für das oder die Lowside-Schaltelemente ein zweiter Schalterstrom bzw. eine zweite Schaltstromsumme ermittelt werden, wobei der Gleichstromwert als Mittelwert aus dem ersten Schalterstrom bzw. der ersten Schalterstromsumme und dem zweiten Schalterstrom bzw. der zweiten Schalterstromsumme ermittelt wird.
• Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Messsignal den Phasenstrom kontinuierlich beschreibt oder dass das Messsignal diskrete Messwerte des Phasenstroms umfasst, aus denen der jeweilige kontinuierliche Phasenstrom, insbesondere mittels einer Delta-Sigma-Modulation, rekonstruiert wird, wobei der kontinuierliche Phasenstrom mit dem zugehörigen Schaltsignal zur Bestimmung der jeweiligen Schalterströme multipliziert wird.
• Das Messsignal kann beispielsweise als analoges Signal fortlaufend den aktuellen Phasenstrom kontinuierlich beschreiben oder es kann beispielsweise als ein digitales Signal fortlaufend ermittelte, diskrete Messwerte umfassen, aus denen der kontinuierliche Verlauf des Phasenstroms rekonstruiert werden kann. Zur Rekonstruktion kann dabei beispielsweise eine Delta-Sigma-Modulation eingesetzt werden. Dabei kann auch ein durch die Delta-Sigma-Modulation erhaltenes quasi-kontinuierliches Signal eines Phasenstroms als Maß für einen kontinuierlichen Phasenstrom verwendet werden. Eine Ermittlung eines Schalterstroms kann dabei durch eine Multiplikation des zugehörigen, kontinuierlichen Phasenstroms, welcher als Messignal vorliegt oder aus dem Messsignal ermittelt wird, und des zugehörigen Schaltsignals erfolgen. Das Schaltsignal kann beispielsweise ein Rechtecksignal sein, welches zwischen einer ersten Spannung beziehungsweise einer logischen 1 bei einem geschlossenen Zustand des Schalters und einer zweiten Spannung bzw. einer logischen 0 bei einem geöffneten Zustand des Schalters alterniert, wobei zum Beispiel durch eine Multiplikation mit den logischen Zuständen des Schaltsignals jeweils direkt die Schalterströme ermittelbar sind. Eine gegebenenfalls vorhandene Messverzögerung zwischen dem Schaltsignal und dem Phasenstrom bzw. dem Messsignal kann dabei berücksichtigt und somit kompensiert werden.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein zur Ansteuerung des Inverters ermitteltes Schaltsignal verwendet wird und/oder dass wenigstens ein Schaltsignal verwendet wird, welches durch ein dem Schaltsignal zugeordnetes Messmittel kontinuierlich oder als diskrete Signalmesswerte bestimmt wird. Die Schaltsignale können beispielsweise bereits in einer Steuereinheit, welche die Schaltsignale zur Ansteuerung des Inverters ermittelt, vorliegen, sodass sie vorteilhaft auch zur Ermittlung des Gleichstromwerts verwendet werden können. Vorteilhaft ist es auch möglich, dass wenigstens ein Schaltsignal verwendet wird, welches durch ein dem Schaltsignal zugeordnetes Messmittel kontinuierlich oder als diskrete Signalmesswerte bestimmt wird.
• Das Bestimmen des Schaltsignals als diskrete Signalmesswerte ermöglicht dabei zum Beispiel eine Rekonstruktion des kontinuierlichen Schaltsignals aus den diskreten Signalmesswerten. Die Verwendung eines gemessenen Schaltsignals hat den Vorteil, dass weitere Fehler in der Hardware des Inverters bzw. einer den Inverter umfassenden Schaltungsanordnung ermittelt werden können, da sich Fehler in den Ansteuersignalen und somit Fehler in der Ansteuerung der Schaltelemente auch in dem ermittelten Gleichstromwert niederschlagen. Auf diese Weise kann ein Fehler in dem Schaltsignal vorteilhaft auch in der Ermittlung des Gleichstromwerts berücksichtigt werden.
• Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die diskreten Messwerte und/oder die diskreten Signalmesswerte jeweils mit einer Messfrequenz, welche gleich oder größer als die Schaltfrequenz des Schaltelements oder der Schaltelemente des Inverters ist, erfasst werden. In Abhängigkeit der Schaltfrequenz des Inverters kann die Frequenz, mit der die diskreten Messwerte, welche den Phasenstrom oder die Phasenströme beschreiben, und/oder die diskreten Signalmesswerte, welche das Schaltsignal oder die Schaltsignale beschreiben, ermittelt werden, bis zu 100 kHz, insbesondere zwischen 5 kHz und 40 kHz, betragen. Die Abtastung der Schaltsignale, also die Ermittlung der diskreten Signalmesswerte, kann insbesondere wenigstens mit der doppelten Frequenz, mit der die Schaltelemente maximal geschaltet werden, ermittelt werden. Die Messfrequenz, mit der die diskreten Messwerte, welche den Phasenstrom oder die Phasenströme beschreiben, ermittelt werden, kann auch noch größer, zum Beispiel größer als 100 kHz, sein. Auch die Messfrequenz, mit der die diskreten Signalmesswerte, welche das Schaltsignal oder die Schaltsignale beschreiben, ermittelt werden, kann größer, zum Beispiel größer als 1 MHz, sein. Der Phasenstrom oder die Phasenströme können jeweils vorteilhaft mit einer hohen Abtastrate abgetastet werden, sodass durch die diskreten Messwerte des Phasenstroms ein möglichst vollständiger Verlauf des Phasenstroms, gegebenenfalls mit vorhandenen Oberschwingungen oder ähnlichem, rekonstruiert werden kann. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass die Messfrequenz der diskreten Messwerte und/oder der Signalmesswerte kleiner als die Schaltfrequenz des Schaltelements oder der Schaltelemente des Inverters, zum Beispiel kleiner als 1 kHz, ist.
• Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass durch den Inverter ein wenigstens dreiphasiger Wechselstrom aus dem Gleichstrom oder in den Gleichstrom gewandelt wird und/oder dass als Inverter ein Multi-Level-Inverter verwendet wird. Der Inverter kann dabei beispielsweise mit einer elektrischen Maschine verbunden sein, welche über den Inverter in einem Motorbetrieb und/oder in einem Generatorbetrieb betrieben werden kann.
• Für eine erfindungsgemäße Inverteranordnung ist vorgesehen, dass sie einen Inverter, eine Steuereinrichtung und wenigstens ein Messmittel umfasst, wobei durch den Inverter der Gleichstrom in einen wenigstens einen Phasenstrom umfassenden Wechselstrom oder ein wenigstens einen Phasenstrom umfassender Wechselstrom in den Gleichstrom wandelbar ist, wobei der Inverter für den Phasenstrom oder die Phasenströme jeweils wenigstens ein Schaltelement aufweist, welches zur Erzeugung des Wechselstroms aus dem Gleichstrom oder zur Erzeugung des Gleichstroms aus dem Wechselstrom mittels eines dem Schaltelement zugeordneten Schaltsignals zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand schaltbar ist, wobei für den Phasenstrom oder die Phasenströme durch das wenigstens eine Messmittel jeweils ein den aktuellen Phasenstrom beschreibendes Messsignal bestimmbar ist, wobei die Steuereinrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
• Die Steuereinrichtung kann dabei zur Ermittlung der Schaltsignale eingerichtet und/oder ausgebildet sein, sodass sie in der Steuereinrichtung bereits vorliegen. Es ist auch möglich, dass die Steuereinrichtung mit einem dem wenigstens einen Schaltelement zugeordneten Messmittel verbunden ist, über welches das dem Schaltelement zugeordnete Schaltsignal bestimmbar ist. Weiterhin ist möglich, dass die Schaltsignale von einer weiteren Steuereinrichtung bestimmt und an die das erfindungsgemäße Verfahren durchführende Steuereinrichtung übermittelt werden. Die Inverteranordnung kann vorteilhaft ohne einen Gleichstromsensor ausgebildet sein.
• Für die erfindungsgemäße Inverteranordnung gelten die in Bezug zu dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen entsprechend.
• Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es eine erfindungsgemäße Inverteranordnung umfasst.
• Das Kraftfahrzeug kann erfindungsgemäß eine elektrische Maschine als Traktionsmotor aufweisen, wobei eine Wechselstromseite des Inverters mit dem Traktionsmotor verbunden ist.
• Die vorangehend in Bezug zu dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder zu der erfindungsgemäßen Inverteranordnung beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese schematische Darstellungen und zeigen:
• 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
• 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Inverteranordnung, und
• 3 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
• In 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 dargestellt, welches eine Inverteranordnung 2 aufweist. Die Inverteranordnung 2 umfasst einen Inverter 3, eine Steuereinrichtung 4 sowie ein Messmittel 5. Mittels des Inverters 3 ist ein von einer Traktionsbatterie 6 des Kraftfahrzeugs 1 bereitstellbarer Gleichstrom in einen Wechselstrom zum Betrieb eines elektrischen Traktionsmotors 7 des Kraftfahrzeugs 1 wandelbar. Auch ein von dem Traktionsmotor 7 in einem Generatorbetrieb erzeugter Wechselstrom kann von dem Inverter 3 in einen Gleichstrom zum Einspeisen in die Traktionsbatterie 6 gewandelt werden. Vorliegend ist der Inverter 3 zur Wandlung eines dreiphasigen Wechselstroms ausgebildet.
• In 2 ist ein Schaltbild der Inverteranordnung 2 dargestellt. Der Inverter 3 ist als ein Brückengleichrichter ausgeführt und umfasst sechs Schaltelemente S₁ - S₆ sowie sechs jeweils parallel zu den Schaltelementen S₁ - S₆ geschaltete Freilaufdioden 8. Mittels der Schaltelemente S₁ - S₆ werden aus dem von der Traktionsbatterie 6 abgegebenen Gleichstrom I_DC die drei Phasenströme I_U, I_V und I_W, welche zum Betrieb des Traktionsmotors 7 verwendet werden, erzeugt. Umgekehrt ist auch in einem Generatorbetrieb des Traktionsmotors 7 aus den Phasenströmen I_U, I_V und I_W der Gleichstrom I_DC erzeugbar. Über das Strommessmittel 5 sind jeweils die aktuellen Phasenströme I_U, I_V und I_W beschreibende Messsignale ermittelbar. Dazu umfasst das Messmittel 5 beispielsweise drei Phasenstromsensoren 9, mittels denen jeweils ein Messsignal erfasst werden kann, welches jeweils einen der Phasenströme I_U, I_V oder I_W beschreibt. Weiterhin umfasst der Inverter 3 einen Zwischenkreiskondensator 10, welcher parallel zu der Gleichstromseite des Inverters 3 geschaltet ist.
• Über Steuersignale, welche jeweils an Steueranschlüssen 11 der Schaltelemente S₁ - S₆ anliegen, können die Schaltelemente S₁ - S₆ jeweils zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand geschaltet werden. Die Schaltelemente S₁ - S₆ können beispielsweise als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder als Bipolartransistoren mit isolierendem Gate (IGBTs) ausgeführt sein, wobei die Steueranschlüsse 11 zum Beispiel jeweils die Gate-Anschlüsse sind. Die Schaltsignale, mittels welcher die Schaltelemente S₁ - S₆ zwischen dem offenen Zustand und dem geschlossenen Zustand geschaltet werden, sind dabei die Gate-Spannungen. Diese weisen zum Beispiel den Verlauf einer Rechteckspannung auf, welche zwischen einem ersten Spannungswert und einem zweiten Spannungswert alterniert. Bei einem ersten Spannungswert bzw. einer logischen 1 sind dabei die Schaltelemente S₁ - S₆ geöffnet und beim zweiten Spannungswert bzw. einer logischen 0 sind die Schaltelemente entsprechend geschlossen. Es ist möglich, dass den Schaltelementen S₁ - S₆ jeweils ein Messmittel 12 zur Ermittlung der jeweiligen Steuersignale zugeordnet ist.
• Für den Betrieb des Inverters 3, insbesondere zum Betrieb des Traktionsmotors 7 über den Inverter 3, ist es wünschenswert, den Gleichstrom I_DC mit einer hohen Genauigkeit zu kennen. Um auf den Einsatz eines Strommessmittels zur Messung des Gleichstromsensors I_DC verzichten zu können, wird eine Ermittlung eines den Gleichstrom I_DC beschreibenden Gleichstromwerts vorteilhaft aus den die Phasenströme lu, Iv und I_W beschreibenden Messsignalen sowie mittels der die Schaltelemente S₁ - S₆ schaltenden Steuersignalen durch die Steuereinrichtung 4 vorgenommen.
• In 3 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung des den Gleichstrom I_DC in dem Inverter 3 beschreibenden Gleichstromwerts dargestellt.
• In Schritt S1 erfolgt dabei ein Bestimmen der Schalterströme, welche durch die Schaltelemente S₁ - S₆ des Inverters 3 fließen. Dabei ist es grundsätzlich ausreichend, die Schalterströme durch die Highside-Schaltelemente S₁ - S₃ oder durch die Lowside-Schaltelemente S₄ - S₆ zu ermitteln, da diese jeweils entweder den zum Traktionsmotor 7 fließenden oder den aus dem Traktionsmotor 7 fließenden Strom führen.
• Die Schalterströme werden aus den von dem Messmittel 5 insbesondere fortlaufend ermittelten Messsignalen der Phasenströme I_U, I_V und I_W sowie aus den Steuersignalen an den Steueranschlüssen 11 der Schaltelemente S₁ bis S₃ ermittelt. Die die Phasenströme I_U, I_V und I_W beschreibenden Messwerte können durch das Messmittel 5 zum Beispiel kontinuierlich erfasst werden. Das kontinuierliche Signal kann durch Abtastung oder durch Delta-Sigma-Wandlung digitalisiert werden. Durch Verwendung einer hohen Abtastrate oder einer Delta-Sigma-Wandlung mit kleinen Zeitintervallen liegt in der Steuereinrichtung 4 ein quasi-kontinuierliches Signal der Phasenströme vor. Es ist auch möglich, dass durch das Messmittel 5 diskrete oder digitale Messwerte übermittelt werden. Diese müssen durch die Steuereinheit 4 dann geeignet zu einem quasi-kontinuierlichen Signal verarbeitet werden. Das quasi-kontinuierliche Signal kann anschließend als ein Maß für die kontinuierlichen Phasenströme verwendet werden. Auch das Durchführen einer Filterung der Messwerte ist möglich, um die Genauigkeit des rekonstruierten Phasenstroms zu verbessern.
• Die kontinuierlichen Phasenströme werden dann fortlaufend zu verschiedenen Zeitpunkten mit den Schaltsignalen multipliziert, wobei die Schaltsignale dabei in einer Form, in der sie zwischen einer 1 bei geschlossenem Schalter und einer 0 bei geöffnetem Schaltelement alternieren, verwendet werden. Auf diese Weise wird ein von Null verschiedener Stromwert für den Schalterstrom erhalten, wenn der Schalter geschlossen ist und ein Phasenstrom in der jeweiligen Phase fließt. Im geöffneten Zustand des Schalters wird entsprechend ein Stromwert von Null erhalten. Die Schalterströme werden zum Beispiel für das Schaltelement S₁ aus dem den Phasenstrom lu beschreibenden Messsignal, für das Schaltelement S₂ aus dem den Phasenstrom I_V beschreibenden Messsignal sowie für das Schaltelement S₃ aus dem den Phasenstrom I_W beschreibenden Messsignal ermittelt. Alternativ können auch die Schalterströme in den jeweiligen Lowside-Schaltelementen S₄ - S₆ der jeweiligen Phasen ermittelt werden.
• Die Steuereinrichtung 4 kann die Steuersignale, mittels welcher die Schaltelemente S₁ - S₆ angesteuert werden, zum Beispiel im Rahmen einer Regelung des Traktionsmotors 7 selbst ermitteln, sodass sie die zur Ansteuerung des Inverters 3 ermittelten Schaltsignale bei der Berechnung der Schalterströme bereits in der Steuereinrichtung 4 vorliegen und zur Ermittlung der Schalterströme herangezogen werden können.
• Alternativ können die den Schaltelementen S₁ - S₆ jeweils zugeordneten Messmittel 12 zur Ermittlung der jeweiligen Steuersignale verwendet werden. Durch das Messmittel 12 können die Steuersignale dabei in kontinuierlicher Form oder als diskrete Signalmesswerte ermittelt werden, wobei aus den diskreten Signalmesswerten die kontinuierlichen Steuersignale durch die Steuereinrichtung 4 zum Beispiel mittels einer in der Steuereinrichtung 4 hinterlegten Rechenvorschriftrekonstruiert werden können. Auch das Durchführen einer Filterung der Signalmesswerte ist möglich, um die Genauigkeit des rekonstruierten Steuersignale zu verbessern. Durch das Verwenden der über die Messmittel 12 gemessenen Steuersignale an den Schaltelementen S₁ - S₆ ist es vorteilhaft möglich, Fehler im Hardwaresystem, beispielsweise in der Ansteuerung des Inverters 3, bei der Ermittlung des den Gleichstrom I_DC beschreibenden Gleichstromwerts zu berücksichtigen.
• In Schritt S2 werden die zu jeweils einem Zeitpunkt von der Steuereinrichtung 4 bestimmten Schalterströme in den Schaltelementen S₁, S₂ und S₃ zu einer Schalterstromsumme addiert. Diese Schalterstromsumme beschreibt die in Summe durch die High-Side-Schalter S₁ bis S₃ fließenden Schalterströme zu dem jeweiligen Zeitpunkt. Die jeweils fortlaufend zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelten Schalterstromsummen können dann für eine vorbestimmte Dauer in der Steuereinrichtung 4 gespeichert werden.
• In Schritt S3 erfolgt eine Ermittlung des den Gleichstrom I_DC beschreibenden Gleichstromwerts aus der Bildung eines Mittelwerts aus mehreren, zu unterschiedlichen Zeitpunkten gemessenen Schalterstromsummen. Dabei können zum Beispiel alle für die vorbestimmte Dauer in der Steuereinrichtung gespeicherten Schalterstromsummen berücksichtigt werden. Die Ermittlung des den Gleichstrom I_DC beschreibenden Gleichstromwerts kann dabei fortlaufend, insbesondere für jede zu einem Zeitpunkt neu ermittelte Schalterstromsumme aktualisiert werden, sodass ein hochgenauer Gleichstromwert erreicht werden kann.
• Um die Genauigkeit des ermittelten Gleichstroms weiter zu steigern, werden die die Phasenströme I_U, I_V und I_W beschreibenden Messwerte mit einer hohen Messfrequenz abgetastet bzw. durch eine Delta-Sigma-Wandlung mit kleinen Zeitintervallen ermittelt. So kann das Ermitteln der diskreten Messwerte, aus welchen die kontinuierlichen Ströme I_U, I_V und I_W zusammengesetzt werden können, mit einer Frequenz erfolgen, welche höher als die Schaltfrequenz der Schaltelemente S₁ - S₆ ist. Insbesondere kann die Ermittlung der die Phasenströme I_U, I_V und I_W beschreibenden Messsignale über das Messmittel 5 mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und 100 kHz, insbesondere zwischen 5 kHz und 40 kHz, vorgenommen werden. Auch eine größere Messfrequenz der die Phasenströme beschreibenden Messsignale, zum Beispiel von größer als 100 kHz, oder die Verwendung einer Delta-Sigma-Wandlung mit kleinen Zeitintervallen, zum Beispiel mit einem oder mehreren Messwert pro ps, ist möglich.
• Auch die über die Messwerte 12 ermittelten Signalmesswerte können mit einer hohen Frequenz abgetastet werden, welche bevorzugt wenigstens doppelt so hoch wie die Schaltfrequenz der der Schaltelemente S₁ - S₆ sein kann. Insbesondere kann die Ermittlung der Signalmesswerte über die Messmittel 12 ebenfalls mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und 100 kHz, insbesondere zwischen 5 kHz und 40 kHz, vorgenommen werden. Es ist auch möglich, dass die Ermittlung der Signalmesswerte, bzw. einer Einschaltzeit oder eines Signalwerts eines Schaltsignals, mit einer Frequenz von 1 MHz erfolgt, zum Beispiel über ein Einlesen von einem Wert an einem Eingang wie einem Digital-Pin einer als Mikrocontroller ausgebildeten Steuereinrichtung 4.
• Das Verfahren ist grundsätzlich bei Invertern unabhängig von der Anzahl der Phasen durchführbar. Das Verfahren kann analog zu den vorangehenden Ausführungen beispielsweise auch bei einem einphasigen Inverter ausgeführt werden, bei dem eine Last beispielsweise zwischen zwei Schaltelemente oder in den Brückenzweig einer Vollbrücke geschaltet ist. Auch in diesem Fall kann durch die Auswertung der durch das oder die Highside-Schaltelemente oder durch das oder die Lowside-Schaltelemente fließenden Schalterströme der Gleichstromwert ermittelt werden. Weiterhin ist ein Einsatz des Verfahrens auch bei Invertern möglich, welche zwei Phasen oder mehr als drei Phasen, zum Beispiel sechs Phasen, aufweisen und/oder welche als Multilevel-Inverter ausgeführt sind.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• JP 2020127361 A [0006]
• DE 112017001441 T5 [0007]
• CN 109649186 A [0008]

Claims (10)

1. Verfahren zur Ermittlung eines einen Gleichstrom in einem Inverter (3) beschreibenden Gleichstromwerts, wobei durch den Inverter (3) der Gleichstrom in einen wenigstens einen Phasenstrom umfassenden Wechselstrom oder ein wenigstens einen Phasenstrom umfassender Wechselstrom in den Gleichstrom gewandelt wird, wobei der Inverter (3) für den Phasenstrom oder die Phasenströme jeweils wenigstens ein Schaltelement (S₁ - S₆) aufweist, welches zur Erzeugung des Wechselstroms aus dem Gleichstrom oder zur Erzeugung des Gleichstroms aus dem Wechselstrom mittels eines dem Schaltelement (S₁-S₆) zugeordneten Schaltsignals zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand geschaltet wird, wobei für den Phasenstrom oder die Phasenströme jeweils ein den aktuellen Phasenstrom beschreibendes Messsignal bestimmt wird, wobei für jeden Phasenstrom aus dem Schaltsignal und dem Messsignal der jeweils durch das Schaltelement (S₁ - S₆) fließende Schalterstrom bestimmt wird und der Gleichstromwert aus dem Schalterstrom oder den Schalterströmen ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem einphasigen Wechselstrom der Gleichstromwert als Mittelwert aus mehreren, zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelten Schalterströmen bestimmt wird und dass bei einem mehrphasigen Wechselstrom die zu einem Zeitpunkt jeweils bestimmten Schalterströme zu einer Schalterstromsumme addiert werden, wobei der Gleichstromwert als Mittelwert aus mehreren, zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelten Schalterstromsummen ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter (3) für den Phasenstrom oder die Phasenströme jeweils wenigstens ein Highside-Schaltelement (S₁-S₃) und wenigstens ein Lowside-Schaltelement (S₄- S₆) aufweist, wobei zur Ermittlung des Gleichstromwerts jeweils die im geschlossenen Zustand eines Highside-Schaltelements (S₁ - S₃) und/oder die im geschlossenen Zustand eines Lowside-Schaltelements (S₄- S₆) fließendenden Phasenströme verwendet werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal den aktuellen Phasenstrom kontinuierlich beschreibt oder dass das Messsignal diskrete Messwerte des Phasenstroms umfasst, aus denen der jeweilige kontinuierliche Phasenstrom, insbesondere mittels einer Delta-Sigma-Modulation, rekonstruiert wird, wobei der kontinuierlichen Phasenstrom mit dem zugehörigen Schaltsignal zur Bestimmung der jeweiligen Schalterströme multipliziert wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zur Ansteuerung des Inverters (3) ermitteltes Schaltsignal verwendet wird und/oder dass wenigstens ein Schaltsignal verwendet wird, welches durch ein dem Schaltsignal zugeordnetes Messmittel (12) kontinuierlich oder als diskrete Signalmesswerte bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Messwerte und/oder die diskreten Signalmesswerte jeweils mit einer Messfrequenz, welche gleich oder größer als die Schaltfrequenz des Schaltelements oder der Schaltelemente (S₁ - S₆) des Inverters (3) ist, erfasst werden.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Inverter (3) ein wenigstens dreiphasiger Wechselstrom aus dem Gleichstrom oder in den Gleichstrom gewandelt wird und/oder dass als Inverter (3) ein Multi-Level-Inverter verwendet wird.
8. Inverteranordnung umfassend einen Inverter (3), eine Steuereinrichtung (4) und wenigstens ein Messmittel (5), wobei durch den Inverter (3) der Gleichstrom in einen wenigstens einen Phasenstrom umfassenden Wechselstrom oder ein wenigstens einen Phasenstrom umfassender Wechselstrom in den Gleichstrom wandelbar ist, wobei der Inverter (3) für den Phasenstrom oder die Phasenströme jeweils wenigstens ein Schaltelement (S₁ - S₆) aufweist, welches zur Erzeugung des Wechselstroms aus dem Gleichstrom oder zur Erzeugung des Gleichstroms aus dem Wechselstrom mittels eines dem Schaltelement (S₁-S₆) zugeordneten Schaltsignals zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand schaltbar ist, wobei für den Phasenstrom oder die Phasenströme durch das wenigstens eine Messmittel (5) jeweils ein den aktuellen Phasenstrom beschreibendes Messsignal bestimmbar ist, wobei die Steuereinrichtung (4) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist.
9. Kraftfahrzeug umfassend eine Inverteranordnung (2) nach Anspruch 8.
10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (1) eine elektrische Maschine als Traktionsmotor (7) aufweist, wobei eine Wechselstromseite des Inverters (3) mit dem Traktionsmotor verbunden ist.

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