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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zu einer In-situ-AC-Strommessung an Stromschienen zwischen einem Pulswechselrichter und einer elektrischen Maschine als Verbraucher.
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Zur Stromversorgung zwischen einer elektrischen Maschine als Traktionsmotor eines elektrischen oder teilelektrischen Fahrzeugs und einer Batterie sind bspw. Pulswechselrichter angeordnet, welche einen an der Batterie abgegriffenen Gleichstrom in Wechselstrom umsetzen. Um bei einem Stromübertrag zwischen den einzelnen Komponenten ohmsche Verluste gering zu halten, werden massive Stromschienen eingesetzt. Welcher Strom dabei fließt, ist bspw. für eine Steuerung der elektrischen Maschine oder zur Berechnung eines verbliebenen Ladezustands der Batterie von entscheidendem Interesse.
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Bisher werden Strommessungen des zur elektrischen Maschine fließenden Stromes entweder vor oder im Pulswechselrichter vorgenommen. Das bedeutet, dass der aus der Batterie entnommene Gleichstrom gemessen wird, bevor es zu der Umsetzung in den Wechselstrom kommt. Auch ist bekannt, bspw. bei Drehstrom benötigte drei Stromphasen zwischen Pulswechselrichter und Traktionsmotor herauszuführen, durch ein externes Strommessgerät zu leiten, und anschließend der elektrischen Maschine zuzuführen. Diese Messarten führen jedoch nicht zu einer In-situ-Kenntnis des aktuellen Stromes, der tatsächlich vom Pulswechselrichter an die elektrische Maschine fließt bzw. ausgeliefert wird.
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Die Druckschrift
US 2020/0381881 A1 offenbart eine elektrische Maschine und einen über mindestens eine Stromschiene mit der elektrischen Maschine verbundenen Wechselrichter. In der mindestens einen Stromschiene werden Ausnehmungen für Magnetfeldsensoren wie bspw. Hall-Sensoren, GMR-Sensoren oder TMR-Sensoren vorgesehen, durch die eine Strommessung erfolgt.
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In der US-amerikanischen Druckschrift
US 2019/0187187 A1 werden drei Stromschienen, welche einen Elektromotor mit einem Inverter elektrisch verbinden, beschrieben. An jeder Stromschiene ist ein Stromsensor zur Messung des Stroms angeordnet, wobei der jeweilige Stromsensor als Hall-Element, als GMR-Element, als AMR-Element oder als TMR-Element ausgeführt ist.
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Die Druckschrift
US 2019/0187183 A1 erörtert einen Elektromotor und einen Inverter, wobei der Inverter über drei geschirmte Stromschienen mit dem Elektromotor verbunden ist. Der Strom wird an jeder Stromschiene durch ein Erfassungselement in Form eines magnetischen Sensors ermittelt.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches eine genaue Kenntnis eines zeitlichen Verlaufs des tatsächlich aus einem Pulswechselrichter zu einer elektrischen Maschine fließenden Stromes ermöglicht, ohne dass durch einen Messvorgang eine Rückwirkung auf einen Betrieb der elektrischen Maschine erfolgt. Ferner soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, auf welcher das Verfahren umgesetzt ist.
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Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zu einer In-situ-AC-Strommessung vorgeschlagen, wobei zwischen einem Pulswechselrichter und einer elektrischen Maschine mindestens eine Stromschiene angeordnet wird. An der mindestens einen Stromschiene werden mindestens zwei auf unterschiedlicher Messung eines magnetischen Feldes basierende Sensoren angeordnet, wobei von den mindestens zwei Sensoren eine jeweilige berührungslose Messung durchgeführt wird. Aus der jeweiligen Messung wird unter Berücksichtigung der Geometrie der mindestens einen Stromschiene und der jeweiligen Anordnung der mindestens zwei Sensoren an der mindestens einen Stromschiene ein exakter zeitlicher Verlauf der jeweiligen Amplitude und Phase des jeweilig fließenden Stromes bestimmt. Dadurch wird während eines Betriebes der elektrischen Maschine eine rückwirkungsfreie Echtzeitmessung des Stromes gewährleistet, wodurch eine Zustandsanalyse des Pulswechselrichters und der elektrischen Maschine als Grundlage einer Optimierung der Steuerung des Pulswechselrichters und der elektrischen Maschine ermöglicht wird.
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Als berührungslos wird hier eine Messung verstanden, welche ohne elektrischen Kontakt stattfindet. Dies ist bspw. gewährleistet, wenn sich zwischen den mindestens zwei Sensoren und der mindestens einen Stromschiene an allen Berührungspunkten eine Isolationsschicht befindet.
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Die erfindungsgemäßen mindestens zwei unterschiedlichen Messprinzipien ermöglichen über physikalische Gleichungen, welche durch grundlegende Lehrbücher aus dem Stand der Technik bekannt sind, und unter modellhafter Beschreibung der vorliegenden Geometrie eine exakte Berechnung des zeitlichen Verlaufs von Amplitude und Phase eines jeweiligen in einer jeweiligen Stromschiene fließenden Stroms. Eine genaue Kenntnis dieses Stroms ermöglicht vorteilhaft zum einen eine Optimierung einer Motorregelung mit Blick auf einen Leistungsverbrauch. Zum anderen können dadurch Verlustquellen aufgedeckt werden, welche in folgenden Motorgenerationen verringert oder gar beseitigt werden können.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die mindestens zwei verschiedenen Sensoren, welche das durch Stromfluss in der mindestens einen Stromschiene verursachte magnetische Feld messen, aus folgender Liste gewählt: Hall-Sensor, GMR-Sensor (Riesenmagnetowiderstand bzw. Englisch „giant magnetoresistance“), TMR-Sensor (Tunnelmagnetowiderstand), AMR-Sensor (anisotropischer Magnetowiderstand).
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In einer fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein erster Sensor durch einen Hall-Sensor und ein zweiter Sensor durch einen GMR-Sensor gebildet.
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In einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die Anordnung des mindestens einen Sensors ein erster Bypass gebildet. Der erste Bypass wird an eine jeweilige Form der mindestens einen Stromschiene angepasst. Je nach Typ bzw. Messprinzip des an dem ersten Bypass angeordneten mindestens einen Sensors kann der erste Bypass eine Windung aufweisen. An diesem ersten Bypass wird bspw. ein GMR-Sensor angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Kalibrierung eines jeweiligen Messergebnisses der mindestens zwei Sensoren mittels eines definierten Stromimpulses durchgeführt.
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In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kalibrierung entweder durch eine direkte Messung eines Stromes an einem Bypass, welcher der erste Bypass oder ein zweiter Bypass ist, mittels eines I/U-Verstärkers ausgeführt oder mittels direkter Messung eines Spannungsabfalls an der mindestens einen Stromschiene mittels eines U/U-Verstärker ausgeführt. In beiden Fällen entsteht ein virtueller Massepunkt auf der mindestens einen Stromschiene. Dieser virtuelle Massepunkt muss von der Masse eines ein Primärsignal weiterverarbeitenden Messsystems, welches sich außerhalb einer die Stromschienen enthaltenden Kammer befindet, galvanisch über Optokoppler getrennt werden.
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Sowohl die berührungslose als auch die direkte Messmethode erlauben eine Abtastung der Stromverläufe mit Raten über 100 kHz und damit eine ausreichend genaue Berechnung des zeitlichen Verlaufs der jeweiligen Stromphase. Zur Kompensation des Einflusses der im Betrieb des Motors sich signifikant ändernden Temperatur wird ein Temperatursensor an den Stromschienen angeordnet. Die messtechnische Kompensation kann im Falle der direkten Strommessung bereits im Raum der Stromschienen und damit vor einer galvanischen Trennung erfolgen. Im Falle der berührungslosen Messung wird das Temperatursignal zusammen mit den Signalen der Magnetsensoren direkt nach außen geführt. Beide Messmethoden sind auch einsetzbar, wenn der Raum der Stromschienen ölgeflutet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch den Pulswechselrichter ein Drehstrom gebildet. Entsprechend sind drei Stromschienen notwendig, wobei mindestens drei Sensoren angeordnet werden, um aus deren Messdaten den jeweiligen in der jeweiligen Stromschiene fließenden Strom in Amplitude und Phase genau berechnen zu können.
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Ferner wird eine Vorrichtung zu einer In-situ-AC-Strommessung beansprucht, wobei die Vorrichtung mindestens eine Stromschiene und mindestens zwei auf unterschiedlicher Messung eines magnetischen Feldes basierende Sensoren aufweist. Die mindestens eine Stromschiene ist zwischen einem Pulswechselrichter und einer elektrischen Maschine angeordnet, wobei an der mindestens einen Stromschiene die mindestens zwei Sensoren angeordnet sind. Die mindestens zwei Sensoren sind dazu konfiguriert, jeweilig eine berührungslose Messung durchzuführen. Aus der jeweiligen Messung ist unter Berücksichtigung der Geometrie der mindestens einen Stromschiene und der jeweiligen Anordnung der mindestens zwei Sensoren an der mindestens einen Stromschiene ein exakter zeitlicher Verlauf der jeweiligen Amplitude und Phase des jeweilig fließenden Stromes berechenbar. Dadurch ist während eines Betriebes der elektrischen Maschine eine rückwirkungsfreie Echtzeitmessung des Stromes gewährleistet, wodurch eine Zustandsanalyse des Pulswechselrichters und der elektrischen Maschine als Grundlage einer Optimierung der Steuerung des Pulswechselrichters und der elektrischen Maschine ermöglicht ist.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die mindestens zwei verschiedenen Sensoren, welche das durch Stromfluss in der mindestens einen Stromschiene verursachte magnetische Feld messen, aus folgender Liste gewählt: Hall-Sensor, GMR-Sensor, TMR-Sensor, AMR-Sensor.
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In einer fortgesetzten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ein erster Sensor durch einen Hall-Sensor und ein zweiter Sensor durch einen GMR-Sensor gebildet.
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In einer weiter fortgesetzten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist für die Anordnung mindestens einen Sensors ein erster Bypass gebildet. Dieser erste Bypass ist an eine jeweilige Form der mindestens einen Stromschiene angepasst. Je nach Typ bzw. Messprinzip des an dem ersten Bypass angeordneten mindestens einen Sensors kann der erste Bypass eine Windung aufweisen. An diesem ersten Bypass ist bspw. ein GMR-Sensor angeordnet.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Kalibrierung eines jeweiligen Messergebnisses der mindestens zwei Sensoren mittels eines definierten Stromimpulses durchgeführt.
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In einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Kalibrierung entweder durch eine direkte Strommessung an einem Bypass, welcher der erste Bypass oder ein zweiter Bypass ist, mittels eines I/U-Verstärkers ausgeführt oder mittels einer direkten Messung eines Spannungsabfalls an der mindestens einen Stromschiene mittels eines U/U-Verstärker ausgeführt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- 1 zeigt schematisch einen Elektroantrieb zu einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
- 2 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Sensor-Anordnung in der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
- 3 zeigt schematisch eine Stromschiene mit einem Bypass in einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
- 4 zeigt ein Schema einer direkten Strommessung in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 wird schematisch ein Elektroantrieb 10 eines Elektrofahrzeugs zu einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Der Elektroantrieb 10 umfasst einen Pulswechselrichter 11, eine elektrische Maschine 12 und ein Getriebe 13. Der Pulswechselrichter 11 ist über drei Stromschienen 14 mit der elektrischen Maschine 12 elektrisch verbunden. An diesen drei Stromschienen 14 erfolgt berührungslos die erfindungsgemäße In-situ-AC-Strommessung 15, welche Eigenschaften eines von den in den drei Stromschienen 14 fließenden Strömen erzeugten magnetischen Feldes misst und durch Berücksichtigung einer Anordnungsgeometrie eine Berechnung einer Wechselspannung UAC und eines Wechselstromes IAC ermöglicht. Der Wechselstrom IAC veranlasst die elektrische Maschine 12 zu einer Kraftübertragung 16, bspw. beschrieben durch Drehmoment Mmech und Drehzahl nmech.
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In 2 wird in perspektivischer Darstellung 20 eine Sensor-Platzierung in der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Ein Stromschienenbauteil 24 weist die in einer Abschirmung eingebetteten drei Stromschienen (s. 1, Bezugszeichen 14) auf und ist entsprechend mit drei Pulswechselrichteranschlüssen 21 und drei Elektromaschinenanschlüssen 22 zwischen Pulswechselrichter (s. 1, Bezugszeichen 11) und elektrischer Maschine (s. 1, Bezugszeichen 12) befestigt 23. An dem Stromschienenbauteil 24 angeordnet, befinden sich zwei Hall-Sensoren 25 und zwei GMR-Sensoren 26, welche zwar in die Abschirmung des Stromschienenbauteils 24 eingelassen sein können, aber nicht elektrisch mit den darin befindlichen Stromschienen verbunden sind. Durch die erfindungsgemäße Beachtung einer Geometrie des Stromschienenbauteils 24 und der daran angeordneten Sensoren, hier insbesondere der Hall-Sensoren 25 und der GMR-Sensoren 26, lässt sich ein zeitlicher Verlauf einer jeweiligen Stromphase, welche in einer jeweiligen Stromschiene fließt, berechnen.
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In 3 wird schematisch 30 eine Stromschiene 34 mit einem Bypass 37 in einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Die Stromschiene 34 weist an ihrem einen Ende einen Pulswechselrichteranschluss 31 und an ihrem anderen Ende einen Elektromaschinenanschluss 32 auf. An dem der jeweiligen Ausformung der Stromschiene 34 angepassten Bypass 37 ist ein GMR-Sensor 36 angeordnet.
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In 4 wird ein Schema 40 einer direkten Strommessung in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Über die beiden Eingangsanschlüsse 41 einer Stromschiene des Stromschienenbauteils 44 wird eine direkte Strommessung 48 durchgeführt, wobei ein Instrumentierverstärker, bspw. mit einer Signalverstärkung von etwa 90 dB, eingesetzt wird. Gleichfalls kann die direkte Strommessung 48 auch über einen Bypass der Stromschiene und dem Instrumentierverstärker ausgeführt werden. In beiden Fällen kommt es auf der Stromschiene zu einem virtuellen Massepunkt, welcher von der Masse eines ein Primärsignal weiterverarbeitenden Messsystems, welches sich außerhalb einer die Stromschienen enthaltenden Kammer befindet, galvanisch über Optokoppler 49 getrennt wird. An dem Ausgang 42 des Optokopplers 49 liegt dann das Messsignal vor.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schema Elektroantrieb
- 11
- Pulswechselrichter
- 12
- Elektrische Maschine
- 13
- Getriebe
- 14
- Stromschienen
- 15
- In-situ-Wechselstrommessung (UAC, IAC)
- 16
- Kraftübertragung (nmech,Mmech)
- 20
- Sensor-Platzierung am Stromschienenbauteil
- 21
- Pulswechselrichteranschlüsse
- 22
- Elektromaschinenanschlüsse
- 23
- Befestigungselement
- 24
- Stromschienenbauteil
- 25
- Hall-Sensor
- 26
- GMR-Sensor
- 30
- Bypass an Stromschiene
- 31
- Pulswechselrichteranschluss
- 32
- Elektromaschinenanschluss
- 34
- Stromschiene
- 36
- GMR-Sensor
- 37
- Bypass
- 40
- Schema für direkte Strommessung
- 41
- Eingangsanschluss
- 42
- Ausgang
- 44
- Stromschienenbauteil
- 48
- Direkte Strommessung
- 49
- Optokoppler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20200381881 A1 [0004]
- US 20190187187 A1 [0005]
- US 20190187183 A1 [0006]
