EP4165768A2

EP4165768A2 - Messanordnung für einen umrichter und umrichteranordnung

Info

Publication number: EP4165768A2
Application number: EP21745206.9A
Authority: EP
Inventors: Erwin Reisinger; Martin Schmidt
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2021-06-16
Publication date: 2023-04-19
Also published as: AT523994A1; US12255553B2; WO2021253064A3; WO2021253064A2; AT523994B1; US20230163699A1; JP7823819B2; KR102841672B1; KR20230024403A; JP2023529678A; CN115917951A

Abstract

Messanordnung zur Bestimmung der Brückenströme einer geschalteten elektrischen Wandlereinheit (2), in der zumindest zwei elektronische Halbbrücken (3, 3') von einer Steuereinheit (4) in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden, umfassend eine Messeinheit (1), die mit Stromsensoren (6, 6') verbunden ist, wobei die Stromsensoren (6, 6') zur Messung der Brückenströme in den Ausgangs- oder Eingangsleitungen der Halbbrücken (3, 3') angeordnet sind, und die Messeinheit (1) mit der Steuerungseinheit (4) zur zeitlichen Synchronisierung verbunden ist, wobei die Messeinheit (1) dazu ausgeführt ist, Messzeitpunkte (8, 8') der Stromsensoren (6, 6') zu definieren, die zeitlich mit den Ansteuersignalen der Halbbrücken (3, 3') synchronisiert sind, sowie Umrichteranordnung mit einer derartigen Messanordnung.

Description

Messanordnung für einen Umrichter und Umrichteranordnung

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung für einen Umrichter sowie eine Umrichteranordnung mit einer derartigen Messanordnung.

Aus dem Stand der Technik sind Messanordnungen zur Bestimmung der von einem elektrischen Umrichter übertragenen Leistung bekannt. Gewöhnlich werden dabei Strom und Spannung auf der Wechselstromseite oder auf der Gleichstromseite des Umrichters gemessen, und daraus die übertragene Leistung bestimmt. Dies ist bei störungsfreien harmonischen Signalen mit hoher Genauigkeit möglich.

Bei Umrichteranordnungen mit hochfrequent geschalteten Wandlereinheiten führen diese Messanordnungen jedoch zu ungenauen Ergebnissen. Derartige hochfrequent geschaltete Wandlereinheiten verfügen über mehrere elektronisch gesteuerte Halbbrücken, die durch eine elektronische Steuereinheit in einem Modulationsverfahren, beispielsweise Pulsweitenmodulation (PWM), mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen ein- und ausgeschaltet werden. Beispielsweise schalten bei einem PWM-Wechselrichter die Halbleiterschalter der Halbbrücken die Eingangsspannung mit hoher und zeitlich variabel gesteuerter Schaltfrequenz ein und aus; die erzeugte Wechselspannung setzt sich somit aus kleinen, unterschiedlich breiten Impulsen zusammen, die auf eine Drossel geführt werden, sodass sich ein annähernd sinusförmiger Ausgangsstrom einstellt. Die Schaltfrequenz der Halbbrücken ist dabei wesentlich höher als die Frequenz des Nutzsignals. Diese hohe Schaltfrequenz schlägt auf das erzeugte Ausgangssignal durch, sodass dieses mit Oberschwingungen behaftet ist. Die Oberschwingungen bewirken Verluste, sodass die geschaltete elektrische Leistung und andere elektrische Kenngrößen bei derartigen Umrichtern nur schwierig bestimmt werden können. Beispielsweise ist die Bestimmung des Arbeitspunkts und Wirkungsgrads einer elektrischen Maschine bei einer Messung der maschineneingangsseitigen elektrischen Parameter nur schwer möglich, da eine derartige Messung in einem bestimmten Frequenzbereich erfolgen muss und die Leistung der Oberschwingungen nicht berücksichtigt. Dies führt dazu, dass die für die Regelung der elektrischen Maschine erforderlichen Kenngrößen und Maschinenparameter mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Nichtlineare Effekte über Strom und Schaltfrequenz können praktisch nicht ermittelt werden.

Aus diesen und anderen Gründen besteht Bedarf nach einer Messanordnung zur exakten Bestimmung der geschalteten elektrischen Leistung und anderer Kenngrößen bei geschalteten Umrichtern. Diese und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß mit einer Messanordnung nach Anspruch 1 gelöst.

Eine erfindungsgemäße Messanordnung ist zur Bestimmung der elektrischen Leistung einer geschalteten elektrischen Wandlereinheit ausgebildet, in der zumindest zwei elektronische Halbbrücken von einer Steuerungseinheit in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden. Die Halbbrücken können jeweils zwei Halbleiterschalter aufweisen, insbesondere SiC- oder GaN- Halbleiterschalter. Derartige Halbeiterschalter können aus mehreren Bauteilen bestehen und insbesondere in Parallelschaltung angeordnete Freilaufdioden umfassen.

Bei der Wandlereinheit kann es sich um eine geschaltete Wechselrichteranordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung Vdc in eine Wechselspannung V_ac handeln. Die Wandlereinheit kann auch eine geschaltete Gleichrichteranordnung zur Umwandlung einer Wechselspannung V_ac in eine Gleichspannung Vdc sein. Ferner kann die Wandlereinheit auch ein geschalteter Gleichspannungswandler zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung Vi in eine zweite Gleichspannung \ sein. Die erfindungsgemäße Messanordnung umfasst eine Messeinheit, die mit Stromsensoren verbunden ist, welche zur Messung der Brückenströme in den Ausgangs- oder Eingangsleitungen der Halbbrücken der Wandlereinheit ausgebildet sind. Zu diesem Zweck können Schnittstellen der Wandlereinheit genutzt werden. Die Stromsensoren können hochdynamische Sensoren sein, deren Messfrequenz zumindest gleich hoch oder höher ist als die Schaltfrequenz des PWM-Verfahrens. Die Stromsensoren können in den Ausgangs- oder Eingangsleitungen der Halbbrücken der Wandlereinheit angeordnet sein.

Die Steuerungseinheit und die Messeinheit können als elektronische Datenverarbeitungseinheiten ausgebildet sein. Die Steuerungseinheit und die Messeinheit können als getrennte und unabhängige Einheiten ausgebildet sein, sodass eine bestehende Umrichteranordnung mit einer Steuerungseinheit durch eine kompatible Messeinheit zur Leistungsmessung ergänzt werden kann. Alternativ können die Steuereinheit und die Messeinheit in einer gemeinsamen Einheit integriert sein.

Die Messeinheit ist mit der Steuerungseinheit zur zeitlichen Synchronisierung verbunden. Dadurch können die von der Steuerungseinheit definierten Zeitpunkte der PWM-Ansteuersignale an die Messeinheit übertragen werden.

Die Messeinheit ist dazu ausgebildet, Messzeitpunkte der Stromsensoren zu definieren, die zeitlich mit den Ansteuersignalen der Halbbrücken synchronisiert sind. Dadurch wird erreicht, dass Messwerte der Stromsensoren zu jenen Zeitpunkten berücksichtigt werden, zu denen die entsprechende Halbbrücke aktiviert, also stromführend, ist. Somit kann in jedem Puls des PWM-Verfahrens der von der Halbbrücke gelieferte oder bezogene elektrische Strom gemessen werden. Folglich können bei der Berechnung der elektrischen Leistung die Ströme jeder einzelnen Halbbrücke der Wandlereinheit berücksichtigt werden, was in einer genaueren Leistungsmessung resultiert, als wenn nur der resultierende Gesamtstrom berücksichtigt werden würde. Insbesondere wird dadurch ermöglicht, dass auch Totzeiten zwischen den Brückenschaltern berücksichtigt werden. Die Messeinheit kann dazu ausgebildet sein, die Stromsensoren mit einer Messfrequenz abzufragen, die etwa der Frequenz der Ansteuersignale entspricht. In diesem Fall definiert die Steuereinheit oder die Messeinheit im Vorhin Messzeitpunkte, die zeitlich im Wesentlichen in der Mitte der Einschaltdauer der Ansteuersignale liegen. Alternativ kann die Messeinheit dazu ausgebildet sein, die Stromsensoren mit einer Messfrequenz abzufragen, die höher ist als die Frequenz der Ansteuersignale. In diesem Fall bezieht die Messeinheit mehrere Messwerte während eines PWM-Impulses und die Messeinheit wählt im Nachhinein jene Messzeitpunkte aus, die zeitlich im Wesentlichen in der Mitte der Einschaltdauer ton der Ansteuersignale liegen. In diesem Fall kann die Messeinheit auch dazu ausgebildet sein, die Stromsensoren während der Einschaltdauer der Ansteuersignale zu mehreren Messzeitpunkten abzufragen, und die resultierenden Messwerte während eines PWM-Impulses zu mittein. Dadurch kann besonders genau der mittlere Stromwert dieses PWM-Impulses gemessen werden.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Messeinheit mit zumindest einem, auf der Gleichspannungsseite der Wandlereinheit angeordneten Gleichspannungssensor verbunden ist. Die Messeinheit kann dazu ausgebildet sein, die geschaltete elektrische Leistung aus den gemessenen Brückenströmen und der gemessenen Gleichspannung auf der Gleichspannungsseite zu bestimmen. Dabei ist es grundsätzlich nicht relevant, in welche Richtung der Leistungsfluss zeigt; die Wandlereinheit kann als Gleichrichter oder Wechselrichter ausgebildet sein. Die gesamte, während einer Periode des Nutzsignals übertragene elektrische Leistung kann als Summe der einzelnen gemessenen Stromwerte in den PWM-Impulsen mal der gemessenen Gleichspannung berechnet werden, bezogen auf die jeweilige Zeitdauer der PWM-Impulse gegenüber der Periodendauer des Nutzsignals. Diese Berechnung kann bei einer mehrphasigen Wandlereinheit auch für einzelne Phasen der Wandlereinheit durchgeführt werden, um die je Phase gelieferte oder bezogene elektrische Leistung zu bestimmen.

Ferner kann die Messeinheit dazu ausgebildet sein, bei der Berechnung der elektrischen Leistung der Wandlereinheit die elektrischen Innenwiderstände der Halbleiterschalter und anderer elektronischer Komponenten der Halbbrücken, beispielsweise parallelgeschalteter Freilaufdioden, zu berücksichtigen. Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass die Messeinheit auch mit einem, auf der Gleichspannungsseite der Wandlereinheit angeordneten Gleichstromsensor verbunden ist. Folglich kann die Messeinheit die auf der Gleichstromseite bezogene oder gelieferte elektrische Leistung berechnen. Durch Vergleich mit der auf der Wechselstromseite aus den einzelnen Brückenströmen berechneten elektrischen Leistung kann der elektrische Wirkungsgrad der Wandlereinheit berechnet werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Umrichteranordnung mit einer erfindungsgemäßen Messanordnung, wobei die Wandlereinheit eine geschaltete Gleichrichteranordnung, eine geschaltete Wechselrichteranordnung, oder ein geschalteter Gleichspannungswandler sein kann. In diesem Fall ist die Messeinheit vorzugsweise mit der Steuereinheit in eine gemeinsame Datenverarbeitungseinheit integriert.

Die Wandlereinheit kann an eine elektrische Maschine, beispielsweise einen Elektromotor oder einen Elektrogenerator, angeschlossen sein. Die Messeinheit kann ebenfalls mit der elektrischen Maschine verbunden sein.

Insbesondere kann die Messeinheit zur Entgegennahme von mechanischen Messwerten wie Drehzahl, Drehmoment, Beschleunigung und dergleichen und zur Berechnung der mechanischen Leistung der elektrischen Maschine aus diesen mechanischen Messwerten ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann die Messeinheit zum Anschluss an externe Sensoren der Maschine ausgebildet sein.

Die Messeinheit kann zur Entgegennahme von thermischen Messwerten wie Temperatur einer Motorwicklung, Abwärme oder Differenztemperatur eines Kühlmediums der elektrischen Maschine oder dergleichen ausgebildet sein. Die Messeinheit kann auch dazu ausgebildet sein, aus diesen thermischen Messwerten die mechanische Leistung der elektrischen Maschine zu bestimmen.

Die Messeinheit kann dazu ausgebildet sein, aus den elektrischen oder mechanischen Messwerten Parameter der Komponenten eines elektrischen und/oder mechanischen Ersatzschaltbildes der elektrischen Maschine zu bestimmen. Die Messeinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, aus der berechneten elektrischen Leistung der Wandlereinheit und der berechneten mechanischen Leistung der elektrischen Maschine den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine zu bestimmen, also die Effizienz der Umwandlung der elektrischen Leistung in mechanische Leistung oder umgekehrt.

Die Messeinheit kann auch dazu ausgeführt sein, aus den elektrischen und mechanischen Messwerten abgeleitete Kenngrößen wie Wirkleistung, Blindleistung oder Leistungsfaktor der elektrischen Maschine zu bestimmen.

Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Umrichteranordnung in einer industriellen Anwendung, einem Prüfstand für Fahrzeuge, oder in einem Fahrzeug eingesetzt wird. Besonders bevorzugt kann die Wandlereinheit der Umrichteranordnung auch eine Gleichspannung einem Gleichspannungszwischenkreis eines Prüfstands beziehen oder einen solchen speisen. Bei der Anwendung in einem Prüfstand kann der Gleichspannungssensor vorzugsweise in einem zentralen Gleichspannungszwischenkreis angeordnet sein, um die von der Wandlereinheit bezogene oder gelieferte elektrische Leistung einfach berechnen zu können.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen, den Figuren und der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Die Erfindung wird im Folgenden an Hand nicht ausschließlicher Ausführungsbeispiele erläutert:

Fig. 1a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Blockschaltbild mit einer elektrischen Maschine;

Fig. 1b zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Schaltbild;

Fig. 1c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Schaltbild;

Fig. 2a zeigt schematisch den Verlauf der Ansteuersignale und des resultierenden Stroms in der Ausgangsleitung der Halbbrücken bei einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung; Fig. 2b zeigt schematisch den Verlauf der Ansteuersignale und des resultierenden Stroms in der Ausgangsleitung der Halbbrücken bei einerweiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung;

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einerweiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Schaltbild;

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung als schematisches Blockschaltbild.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Blockschaltbild mit einer Wechselrichteranordnung; Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Blockschaltbild mit einem geschalteten Gleichspannungswandler.

Fig. 1a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Blockschaltbild. Die Messanordnung umfasst eine elektronische Messeinheit 1, die über Schnittstellen mit (nicht dargestellten) Stromsensoren 6, 6‘ in einer elektrischen Wandlereinheit 2 verbunden ist.

Weiters ist die Messeinheit 1 über Schnittstellen mit Sensoren zur Messung mechanischer Größen einer elektrischen Maschine 7 verbunden, nämlich der Geschwindigkeit, der Beschleunigung, des Drehmoments und der Abwärme der elektrischen Maschine.

Die Wandlereinheit 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine geschaltete Wechselrichteranordnung, die eine von einer Batterie zur Verfügung gestellte Gleichspannung Vi in eine Wechselspannung V_ac zum Betrieb der elektrischen Maschine 7 umwandelt. Die Wandlereinheit 2 umfasst zwei elektronische Halbbrücken 3, 3‘, die von einer elektronischen Steuerungseinheit 4 in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Steuerungseinheit 4 und die Messeinheit 1 als getrennte Einheiten ausgebildet. Die Steuerungseinheit 4 berechnet Triggerzeitpunkte zur Ansteuerung der elektronischen Halbbrücken 3, 3‘ der Wandlereinheit 2 und stellt diese der Wandlereinheit 2 zur Verfügung. Die Stromsensoren 6, 6‘ sind zur Messung der Brückenströme in den Ausgangs- oder Eingangsleitungen der Halbbrücken 3, 3‘ der Wandlereinheit 2 angeordnet.

Die Messeinheit 1 ist mit der Steuerungseinheit 4 zur zeitlichen Synchronisierung verbunden und ist dazu ausgeführt, Messzeitpunkte 8, 8‘ der Stromsensoren 6, 6‘ zu definieren, die zeitlich mit den Ansteuersignalen der Halbbrücken 3, 3‘ synchronisiert sind. Dadurch kann die Messeinheit 1 die Stromwerte genau dann detektieren, wenn die PWM-Ansteuersignale die jeweilige Halbbrücke aktivieren.

Fig. 1b zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Schaltbild. In diesem Schaltbild ist der innere Aufbau der Wandlereinheit 2, welche hier als Wechselrichter arbeitet, schematisch dargestellt. Die Halbbrücken 3, 3‘ umfassen jeweils zwei elektronische Halbleiterschalter, nämlich -je nach gewünschtem Spannungsbereich und gewünschter Dynamik - SiC- oder GaN-Transistoren Qi, Cte, Qi‘, Cte' mit parallelgeschalteten Freilaufdioden (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt). Diese Halbleiterschalter sind über Ansteuerleitungen mit der Steuerungseinheit 4 verbunden.

Eingangsseitig, also auf Seiten der Gleichspannung Vi, ist ein Gleichspannungssensor 10 angeordnet. Ausgangsseitig, also auf Seiten der Wechselspannung V_ac, sind in den beiden Ausgangsleitungen der Halbbrücken 3, 3‘ Stromsensoren 6, 6‘ mit hoher Dynamik angeordnet. Der Gleichspannungssensor 10 und die Stromsensoren 6, 6‘ sind mit der Messeinheit 1 über Datenleitungen verbunden. Die Steuerungseinheit 4 stellt der Messeinheit 1 ein Triggersignal zur Verfügung, um eine Synchronisierung der Strommessung mit den PWM-Ansteuersignalen zu ermöglichen.

Fig. 1c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Schaltbild. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen jener aus Fig. 1b, wobei jedoch die Steuerungseinheit 4 die Messeinheit 1 umfasst, mit anderen Worten, die Funktion der Messeinheit 1 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch die Steuerungseinheit 4 übernommen. Fig. 2a zeigt schematisch den Verlauf der Ansteuersignale der Schalter Q1 , Q2‘ bzw. Q2, Q1‘ und des resultierenden Stroms I3 in der Ausgangsleitung der linken Halbbrücken 3 der Schaltung aus Fig. 1b. Dabei sind die PWM-Ansteuersignale der Schalter mit durchgezogenen Linien dargestellt. Die Steuerungseinheit 4 steuert die Halbleiterschalter derart mit PWM-modulierten Signalen an, dass sich in der Ausgangsleitung ein etwa sinusförmiger Stromverlauf ergibt. Die strichlierten Linien zeigen die Messzeitpunkte 8, 8‘ der Stromsensoren 6, 6‘. Die Messeinheit 1 fragt die Stromsensoren in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Frequenz ab, die etwa der Frequenz der Ansteuersignale entspricht, sodass in jedem der PWM-Ansteuersignale eine Strommessung erfolgt. Der je Periode T gemessene Stromwert ist durch einen Punkt dargestellt. Die Periodendauer der PWM-Ansteuersignale ist mit dem Symbol T gekennzeichnet.

Die Messeinheit 1 kennt hier den zu erwartenden Verlauf der Ansteuersignale und definiert vorab Messzeitpunkte 8, 8‘, die zeitlich im Wesentlichen in der Mitte der Einschaltdauer ton der Ansteuersignale liegen. Folglich müssen bei dieser Ausführungsform die Stromsensoren 6, 6‘ auf eine Frequenz ausgelegt sein, die der Frequenz der PWM-Ansteuersignale entspricht.

Die übertragene elektrische Leistung des Ausgangssignals berechnet sich als Summe über die Anzahl M der Halbbrücken und die Anzahl N der PWM-Pulse je Periode des Ausgangssignals Tout aus dem mittleren gemessenen Brückenstrom lij je Halbbrücke und der im aktuellen Puls gemessenen Gleichspannung Vij auf der Gleichspannungsseite der Wandlereinheit, wobei die im aktuellen Puls gemessene Gleichspannung Vi j gegebenenfalls auch als konstant angenommen werden kann: Die berechnete übertragene elektrische Leistung kann in Folge der aus den mechanischen Größen der elektrischen Maschine 7 berechneten mechanischen Leistung gegenübergestellt werden.

Aus dem Verhältnis der mechanischen Leistung zur elektrischen Leistung kann ein Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 7 berechnet werden. Die mechanische Leistung der elektrischen Maschine 7 kann auch aus der gemessenen Abwärme bestimmt werden.

Fig. 2b zeigt schematisch den Verlauf der Ansteuersignale und des resultierenden Stroms in der Ausgangsleitung der Halbbrücken bei einerweiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung. In diesem Ausführungsbeispiel fragt die Messeinheit 1 die Stromsensoren 6, 6‘ mit einer Messfrequenz ab, die wesentlich höher ist als die Frequenz der Ansteuersignale, wie durch die zahlreichen strichlierten Linien ersichtlich ist. Erst im Nachhinein, also in einem Post-Processing-Schritt, wählt die Messeinheit 1 jene Messzeitpunkte 8, 8‘ aus, die zeitlich im Wesentlichen in der Mitte der Einschaltdauer ton der Ansteuersignale liegen. Die übertragene elektrische Leistung des Ausgangssignals berechnet sich auch hier nach der obigen Formel. Dies erlaubt die flexible Anpassung der Leistungsmessung an das PWM-Verfahren; erfordert jedoch die Verwendung hochdynamischer Stromsensoren.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einerweiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Schaltbild. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Wandlereinheit 2 als 3-phasiger Wechselrichter ausgebildet, der eine Gleichspannung Vi mittels sechs parallel angeordneter, elektronisch von der Steuerungseinheit 4 angesteuerter Halbbrücken 3, 3‘, 3a, 3a‘, 3b, 3b‘ in eine 3-phasige Wechselspannung mit den Phasen L1, L2, L3 umwandelt. Je zwei Halbbrücken sind über stromkompensierte Interleaving-Drosseln 9, 9‘, 9a, 9a‘, 9b, 9b‘ zusammengeschaltet, um einen glatten Stromübergang zwischen den Halbbrücken zu ermöglichen. In jeder Ausgangsleitung der Halbbrücken ist ein Stromsensor 6, 6‘, 6a, 6a‘, 6b, 6b‘ angeordnet; die Eingangs-Gleichspannung wird über einen Gleichspannungssensor 10 gemessen. Wiederum ist die Messeinheit 1 in diesem Ausführungsbeispiel in die Steuerungseinheit 4 integriert. Die Messeinheit 1 ist dazu ausgebildet, aus den synchronisierten Messwerten der Stromsensoren 6, 6‘, 6a, 6a‘, 6b, 6b‘ und des Gleichspannungssensors 10 die elektrische Leistung jeder Phase L1, L2,

L3 zu berechnen.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung als schematisches Blockschaltbild. 1. Die Umrichteranordnung umfasst eine Messanordnung und zwei Wandlereinheiten 2, 2‘, die als Wechselrichter und nachgeschalteter Gleichrichter arbeiten. Wiederum ist die Messeinheit 1 in diesem Ausführungsbeispiel in die Steuerungseinheit 4 integriert. In jeder der Wandlereinheit 2, 2‘ werden zwei elektronische Halbbrücken 3, 3‘ von einer Steuereinheit 4 in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet. Gemeinsam bilden die beiden Wandlereinheiten 2, 2‘ also einen Gleichspannungswandler, der die Gleichspannung Vi auf die Gleichspannung V2 umwandelt.

In jedem der beiden Wandlereinheiten 2, 2‘ werden die Eingangs- bzw.

Ausgangsströme der Halbbrücken über Stromsensoren 6, 6‘ synchron zu den Ansteuersignalen gemessen; ferner werden die Gleichspannungen V1 und V2 ebenfalls gemessen. Dadurch kann die elektrische Leistung der beiden Wandlereinheiten 2, 2‘ getrennt voneinander gemessen werden, und es kann der Wirkungsgrad jeder Wandlereinheit 2, 2‘ bestimmt werden. Ferner sind in diesem Ausführungsbeispiel eingangsseitig und ausgangsseitig Gleichstromsensoren 5, 5‘ vorgesehen. Diese können zur Kalibrierung der in den Wandlereinheiten 2, 2‘ angeordneten dynamischen Stromsensoren 6, 6‘ verwendet werden, wobei zu diesem Zweck ausgangsseitig eine vorab definierte Last angeschlossen wird.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorliegenden Ausführungsbeispiele, sondern umfasst sämtliche Vorrichtungen und Verfahren im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von Pulsweitenmodulationsverfahren mit konstanter Schaltfrequenz beschränkt, sondern umfasst auch die Verwendung von Pulsweitenmodulationsverfahren mit variabler Schaltfrequenz. Hierin verwendete Begriffe sollen nicht zu eng ausgelegt werden. Auch ist die konkrete schaltungstechnische Realisierung der Wechsel- oder Gleichrichteranordnung nicht erfindungswesentlich.

Erfindungsgemäß vorgesehene Wandlereinheiten in Form von Wechsel- oder Gleichrichteranordnungen bzw. Gleichspannungswandler können stets auch eine interne galvanische Trennung vorsehen und können für mittlere bis hohe elektrische Leistungen vorgesehen sein, beispielsweise Leistungen im Bereich von 10 kW bis 100 kW bei einer Gleichspannung von 12V, 24V, 48V, 230V oder 850 V bzw. bis zu 300 kVA Wechselstromleistung.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Blockschaltbild. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1a beschriebenen dadurch, dass eine Wechselrichteranordnung 11 statt einer elektrischen Maschine 7 getestet wird. Die Messanordnung umfasst eine elektronische Messeinheit 1, die über Schnittstellen mit (nicht dargestellten) Stromsensoren 6, 6‘ in einer elektrischen Wandlereinheit 2 verbunden ist.

Weiters ist die Messeinheit 1 über Schnittstellen mit Sensoren zur Messung elektrischen Größen der zu testenden Wechselrichteranordnung 11 verbunden, nämlich Gleichstrom Idc und Gleichspannung Vdc.

Die Wandlereinheit 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine geschaltete Wechselrichteranordnung, die eine von einer Batterie zur Verfügung gestellte Gleichspannung Vi in eine Wechselspannung V_ac zum Betrieb der zu testenden Wechselrichteranordnung 11 umwandelt. Die Wandlereinheit 2 umfasst zwei elektronische Halbbrücken 3, 3‘, die von einer elektronischen Steuerungseinheit 4 in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Steuerungseinheit 4 und die Messeinheit 1 als getrennte Einheiten ausgebildet. Die Steuerungseinheit 4 berechnet Triggerzeitpunkte zur Ansteuerung der elektronischen Halbbrücken 3, 3‘ der Wandlereinheit 2 und stellt diese der Wandlereinheit 2 zur Verfügung. Die Stromsensoren 6, 6‘ sind zur Messung der Brückenströme in den Ausgangs- oder Eingangsleitungen der Halbbrücken 3, 3‘ der Wandlereinheit 2 angeordnet.

Bei der zu testenden Wechselrichteranordnung 11 handelt es sich insbesondere um einen einer elektrischen Maschine zugeordneten Umrichter.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Blockschaltbild, bei der ein geschalteter Gleichspannungswandler 12 getestet wird. Die Messanordnung umfasst eine elektronische Messeinheit 1, die über Schnittstellen mit (nicht dargestellten) Stromsensoren 6, 6‘ in einer elektrischen Wandlereinheit 2 verbunden ist.

Weiters ist die Messeinheit 1 über Schnittstellen mit Sensoren zur Messung elektrischen Größen der zu testenden geschalteten Gleichspannungswandler 12 verbunden, nämlich Gleichstrom Idc2 und Gleichspannung Udc2.

Die Wandlereinheit 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls ein geschalteter Gleichspannungswandler, der eine von einer Batterie zur Verfügung gestellte Gleichspannung Vi in eine Gleichspannung Vdc zum Betrieb des zu testenden geschalteten Gleichspannungswandlers 12 umwandelt. Die Wandlereinheit 2 umfasst zwei elektronische Halbbrücken 3, 3‘, die von einer elektronischen Steuerungseinheit 4 in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Steuerungseinheit 4 und die Messeinheit 1 als getrennte Einheiten ausgebildet. Die Steuerungseinheit 4 berechnet Triggerzeitpunkte zur Ansteuerung der elektronischen Halbbrücken 3, 3‘ der Wandlereinheit 2 und stellt diese der Wandlereinheit 2 zur Verfügung. Die Stromsensoren 6, 6‘ sind zur Messung der Brückenströme in den Ausgangs- oder Eingangsleitungen der Halbbrücken 3, 3‘ der Wandlereinheit 2 angeordnet. Die Messeinheit 1 ist mit der Steuerungseinheit 4 zur zeitlichen Synchronisierung verbunden und ist dazu ausgeführt, Messzeitpunkte 8, 8‘ der Stromsensoren 6, 6‘ zu definieren, die zeitlich mit den Ansteuersignalen der Halbbrücken 3, 3‘ synchronisiert sind. Dadurch kann die Messeinheit 1 die Stromwerte genau dann detektieren, wenn die PWM-Ansteuersignale die jeweilige Halbbrücke aktivieren.

Bei dem zu testenden geschalteten Gleichspannungswandler 12 handelt es sich insbesondere um einen einer Brennstoffzelle nachgeschalteten Gleichspannungswandler im Fahrzeug oder einen Gleichspannungswandler einer Gleichspannungsladeinfrastruktur.

Bezugszeichenliste

1 Messeinheit

2 2 Wandlereinheit

3, 3‘, 3a, 3a‘, 3b, 3b‘ Halbbrücke 4 Steuerungseinheit

5, 5‘ Gleichstromsensor

6, 6‘, 6a, 6a‘, 6b, 6b‘ Stromsensor 7 Elektrische Maschine

8 8 Messzeitpunkt

9, 9‘, 9a, 9a‘, 9b, 9b‘ Interleavingdrossel

10 10 Gleichspannungssensor

11 Wechselrichteranordnung

12 Gleichspannungswandler

Claims

Patentansprüche

1. Messanordnung zur Bestimmung der elektrischen Leistung einer geschalteten elektrischen Wandlereinheit (2), in der zumindest zwei elektronische Halbbrücken (3, 3‘) von einer Steuerungseinheit (4) in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden, umfassend eine Messeinheit (1), die mit Stromsensoren (6, 6‘) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Stromsensoren (6, 6‘) zur Messung der Brückenströme in den Ausgangs- oder Eingangsleitungen der Halbbrücken (3, 3‘) der Wandlereinheit (2) ausgebildet sind, und b. die Messeinheit (1 ) mit der Steuerungseinheit (4) zur zeitlichen Synchronisierung verbunden ist, wobei c. die Messeinheit (1) dazu ausgebildet ist, Messzeitpunkte (8, 8‘) der Stromsensoren (6, 6‘) zu definieren, die zeitlich mit den Ansteuersignalen der Halbbrücken (3, 3‘) synchronisiert sind.

2. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) dazu ausgebildet ist, die Stromsensoren (6, 6‘) mit einer Messfrequenz abzufragen, die etwa der Frequenz der Ansteuersignale entspricht und im Vorhin Messzeitpunkte (8, 8‘) zu definieren, die zeitlich im Wesentlichen in der Mitte der Einschaltdauer ton der Ansteuersignale liegen.

3. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) dazu ausgebildet ist, die Stromsensoren (6, 6‘) mit einer Messfrequenz abzufragen, die höher ist als die Frequenz der Ansteuersignale, und im Nachhinein jene Messzeitpunkte (8, 8‘) auszuwählen, die zeitlich im Wesentlichen in der Mitte der Einschaltdauer ton der Ansteuersignale liegen.

4. Messanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) dazu ausgebildet ist, die Stromsensoren (6, 6‘) während der Einschaltdauer ton der Ansteuersignale zu mehreren Messzeitpunkten (8, 8‘) abzufragen, und die resultierenden Messwerte zu mittein.

5. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) a. mit zumindest einem, auf der Gleichspannungsseite der Wandlereinheit (2) angeordneten Gleichspannungssensor (10) verbunden ist, und b. zur Berechnung der geschalteten elektrischen Leistung der Wandlereinheit (2) oder einzelner Phasen der Wandlereinheit (2) aus den gemessenen Brückenströmen und der gemessenen Gleichspannung ausgebildet ist.

6. Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) dazu ausgebildet ist, bei der Berechnung der elektrischen Leistung der Wandlereinheit (2) die elektrischen Innenwiderstände der Halbleiterschalter und anderer elektronischer Komponenten der Halbbrücken (3, 3‘) zu berücksichtigen.

7. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) a. mit zumindest einem, auf der Gleichspannungsseite der Wandlereinheit (2) angeordneten Gleichstromsensor (5) verbunden ist, und b. zur Berechnung der elektrischen Leistung auf der Gleichspannungsseite der Wandlereinheit (2) ausgebildet ist, sowie c. zur Berechnung des elektrischen Wirkungsgrades der Wandlereinheit (2) ausgebildet ist.

8. Umrichteranordnung, umfassend eine Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und eine Wandlereinheit (2), in der zumindest zwei elektronische Halbbrücken (3, 3‘) von einer Steuereinheit (4) in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (2) eine geschaltete Wechselrichteranordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung Vdc in eine Wechselspannung V_ac ist.

9. Umrichteranordnung, umfassend eine Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und eine Wandlereinheit (2), in der zumindest zwei elektronische Halbbrücken (3, 3‘) von einer Steuereinheit (4) in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (2) eine geschaltete Gleichrichteranordnung zur Umwandlung einer Wechselspannung V_ac in eine Gleichspannung Vdc ist.

10. Umrichteranordnung, umfassend eine Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und eine Wandlereinheit (2), in der zumindest zwei elektronische Halbbrücken (3, 3‘) von einer Steuereinheit (4) in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (2) ein geschalteter Gleichspannungswandler zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung Vi in eine zweite Gleichspannung V2 ist.

11. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (2) an eine elektrische Maschine (7), beispielsweise einen Elektromotor oder einen Elektrogenerator, angeschlossen ist, und die Messeinheit (1) mit der elektrischen Maschine (7) verbunden ist.

12. Umrichteranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) zur Entgegennahme von mechanischen Messwerten wie Drehzahl, Drehmoment und dergleichen und zur Berechnung der mechanischen Leistung der elektrischen Maschine (7) ausgebildet ist.

13. Umrichteranordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) zur Entgegennahme von thermischen Messwerten wie Temperatur einer Motorwicklung, Abwärme oder Differenztemperatur eines Kühlmediums der elektrischen Maschine (7) ausgebildet ist.

14. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) dazu ausgebildet ist, aus den elektrischen oder mechanischen Messwerten Parameter der Komponenten eines elektrischen und/oder mechanischen Ersatzschaltbildes der elektrischen Maschine (7) zu bestimmen.

15. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) dazu ausgebildet ist, aus der geschalteten elektrischen Leistung der Wandlereinheit (2) und der mechanischen Leistung der elektrischen Maschine (7) den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine (7) zu bestimmen.

16. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (4) und die Messeinheit (1) in einer gemeinsamen Einheit integriert sind.