WO2012163645A2 - Verfahren zur stromermittlung in einer mehrphasigen maschine - Google Patents

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Kurt Reutlinger
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02P6/28—Arrangements for controlling current

Definitions

  • the invention relates to a method for current determination in a multi-phase machine.
  • the above-mentioned techniques can be applied to electric machines having an arbitrary number of phases.
  • electrical machines with three phases are most often found.
  • there are also electric machines with a different number of phases for example electric machines with one, two, four, five, six, seven or nine phases.
  • start-stop systems serve to stop and restart an internal combustion engine for the purpose of reducing fuel consumption and exhaust emissions.
  • a start-stop system developed by the applicant works on the basis of conventional starters.
  • the respective starter is controlled by an electronic control unit and engages by means of a pinion in a ring gear provided on the flywheel.
  • the above-mentioned machines use modes with clocking (PWM) at higher voltages and modes with block commutations (without PWM) at lower voltages or at higher speeds.
  • PWM clocking
  • a current measurement is of particular importance, since in this clock method, a current control is performed, to which a measurement of the actual currents is necessary.
  • shunt resistors are used, which convert the current into an equivalent voltage signal
  • indirect current measuring methods are used, for example current transformers or LEM converters.
  • FIG. 1 shows a five-phase electrical machine connected to a DC voltage source, for example a battery B, which has a generator 1, power electronics 2 and an intermediate circuit 3.
  • the generator 1 has in its interior five phase terminals, which via phase lines are connected to the branches Z1 to Z5 of the power electronics 2.
  • the branch Z1 of the power electronics 2 includes a high-side switch HS1 and a low-side switch LS1 and is connected at a connection point between these two switches via a phase line to the generator 1.
  • the branch Z2 of the power electronics 2 contains a high-side switch HS2 and a low-side switch LS2 and is connected to the generator 1 at a connection point between these two switches via a further phase line.
  • the branch Z3 of the power electronics 2 contains a high-side switch HS3 and a low-side switch LS3 and is connected to the generator 1 at a connection point between these two switches via a further phase line.
  • the branch Z4 of the power electronics 2 contains a high-side switch HS4 and a low-side switch LS4 and is connected to the generator 1 at a connection point between these two switches via a further phase line.
  • the branch Z5 of the power electronics 2 contains a high-side switch HS5 and a low-side switch LS5 and is connected to the generator 1 at a connection point between these two switches via a further phase line.
  • the intermediate circuit 3 of the machine shown has a DC link capacitor 3a.
  • the switches of the power electronics 2 are supplied from a not-shown control unit with control signals to produce, for example, when starting the machine a rotating field.
  • L_Bat is the current of the DC voltage source
  • l_Gen is the generator current
  • l_ZK is the DC link current
  • a method having the features specified in claim 1 has the advantage that the disadvantages of the prior art described above are avoided. In particular, no unwanted additional heating of the output stage area occurs and it does not require a high number of evaluation circuits.
  • FIG. 4 shows a five-phase machine, in which a voltage measurement takes place in the intermediate circuit
  • FIG. 5 shows diagrams for illustrating a center-aligned
  • FIGS. 6 to 8 show a different switch position of the power electronics and the respectively associated composition of the intermediate circuit current flowing through the intermediate circuit capacitor
  • FIG. 10 shows a diagram for illustrating the dependence of the capacitance value of the DC link capacitor on the temperature
  • Figure 1 1 is a diagram illustrating an example of a connection of a phase current and the associated curve of the DC link voltage.
  • FIG. 4 shows a five-phase machine connected to a DC voltage source, for example a battery, in which a voltage measurement takes place in the DC link.
  • a voltage measurement takes place at the DC link capacitor 3a, which is arranged between the terminals of the DC voltage source, for example between the battery terminals of the vehicle battery, and provides information about the intermediate circuit voltage U_ZK currently applied to the DC link capacitor 3a.
  • the further arrangement of the machine coincides with the machine shown in FIG.
  • the capacitor current can be determined from observation of the capacitor voltage.
  • the control of the switches of the power electronics takes place, for example, according to a so-called center-aligned control.
  • the time range for the current flow is concentrated on a small time range.
  • a control pattern for such a center-aligned drive, the associated course of the DC link voltage and the associated course of the DC link current are illustrated in the diagrams shown in FIG.
  • the control signals AS for the switches of the power electronics are illustrated in FIG. 5a, the intermediate circuit voltage U_ZK in FIG. 5b and the associated DC link current I ZK in FIG. 5c. It can be seen from FIG. 5a that, in the case of a center-aligned drive, the pulse centers of the drive pulses coincide in time, as indicated by a vertically extending dash-dotted line in FIG.
  • FIG. 5b illustrates the course of the intermediate circuit voltage U_ZK, which results in the case of a center-aligned drive according to FIG. 5a. It can be seen that in each switching operation according to FIG. 5a, a voltage jump occurs in FIG. 5b and that between two successive voltage jumps, a linearly increasing or a linearly decreasing voltage profile, ie. H. a ramp, is present.
  • FIGS. 5b and 5c show that when a current jump occurs, a voltage jump also occurs, and that when a constant current profile occurs, there is a linearly decreasing or a linearly increasing voltage profile. It can be seen from the above explanations with respect to FIG. 5 that the intermediate circuit current flowing through the DC link capacitor 3a is uniquely defined at any instant in time.
  • phase current I_3 can be determined by the above-mentioned relationship.
  • M l_Bat - l_ZK - l_3 - l_2.
  • I_4 I_Bat - I_ZK - I_3 - I2 - I_1.
  • l_Phase (new) l_Bat - l_ZK - l_Phases (hitherto), where l_Phase (new) is the newly activated phase current,
  • l_Phasen (so far) are the phase currents determined so far in the present drive cycle.
  • the capacitor has an ohmic internal resistance, which generates a voltage jump across the capacitor, which is directly proportional to the fluctuating capacitor current:
  • the internal resistance of the DC link capacitor is responsible for the voltage jump which occurs in each case in a switching operation according to FIG. 5a.
  • the capacity of the DC link capacitor is responsible. This means that with knowledge of the internal resistance of the DC link capacitor on the voltage jumps or knowledge of the capacitance of the DC link capacitor can be deduced via the ramps of the capacitor voltage to the phase currents of the generator.
  • a temperature detection is already provided with respect to the electrical system of an inverter anyway, for example for monitoring purposes and / or as overload protection.
  • This temperature detection can be used advantageously, since in retirement, ie when the power stage is switched off, the temperature of the electronics is only insignificantly higher than the temperature of the intermediate temperature. differs schennikkondensators.
  • a characteristic value can be used to determine a control value for ESR and C of the capacitor.
  • An additional or alternative possibility is to impress a defined current to determine the internal resistance.
  • a fixed duty cycle or duty cycle can be set with knowledge of the stator resistors, a fixed effective voltage and thus a calculable current.
  • the current internal resistance ESR can be determined.
  • the current capacity of the DC link capacitor can be determined.
  • Another additional or alternative possibility is to memorize a measurable excitation current. If a current is clocked via a known ohmic resistance, then the current can be determined from the resistance and the measured voltage. This current can be used to calibrate the measuring system via the measured voltage fluctuations. For this purpose, with cold machine and known strand resistance of the machine, a specific duty cycle can be specified and the adjusting current can be used.
  • phase current measurement it is also conceivable to provide one of the 5 phases present with a phase current measurement, based on this phase Current measurement to calibrate the measurement method according to the invention and make all other currents via the voltage observation on the DC link. For this, the voltage jump must be evaluated by the measurable current. Then the current ESR results
  • FIG. 11 shows an example of the connection of a phase current and the associated profile of the intermediate circuit voltage U_ZK.
  • a method according to the invention allows after all a detection of several relevant currents in the control of a motor by means of an evaluation of the voltage curve at the DC link capacitor. As a result, the hardware required for power detection in comparison to

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stromermittlung in einer mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen mehrphasigen Maschine. Diese weist einen mit einem Zwischenkreiskondensator versehenen Zwischenkreis und pro Phase einen Highside-Schalter und einen Lowside-Schalter auf. Es erfolgt eine Messung des Spannungsverlaufes am Zwischenkreiskondensator. Aus dem gemessenen Spannungsverlauf werden der Strom der Gleichspannungsquelle und/oder ein oder mehrere Phasenströme ermittelt.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zur Stromermittlung in einer mehrphasigen Maschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stromermittlung in einer mehrphasigen Maschine.
Stand der Technik
Elektrische Drehfeldantriebe sind bekannt. Dabei kommen wie in der DE
102010001774 beschrieben, verschiedene Modulationsarten zum Einsatz. Sehr verbreitet bei Drehfeldantrieben ist ein Einsatz einer Pulsweitenmodulation (PWM). Eine Regelung bei derartigen Drehfeldantrieben erfolgt in Abhängigkeit von den jeweils vorliegenden Erfordernissen nach einer der folgenden Methoden
- Verwendung einer sinusförmigen Stromregelung (Sinuskommutierung),
- Verwendung einer blockförmigen Stromregelung (Blockbestromung),
- Verwendung von blockförmigen Spannungen (Steuerung mit Blockspannungen),
- Verwendung einer sinusförmigen Spannungsregelung mit überlagerten Nullspannungen.
Grundsätzlich lassen sich die vorstehend genannten Techniken bei elektrischen Maschinen mit einer beliebigen Phasenzahl anwenden. In der Praxis findet man am Häufigsten elektrische Maschinen mit drei Phasen. Es gibt jedoch auch elektrische Maschinen mit einer anderen Phasenzahl, beispielsweise elektrische Maschinen mit einer, zwei, vier, fünf, sechs, sieben oder neun Phasen.
Des Weiteren sind bereits sogenannte Start-Stopp-Systeme bekannt. Diese dienen zum Stoppen und Wiederstarten eines Verbrennungsmotors zum Zwecke einer Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und der Abgasemissionen. Ein von der Anmelderin entwickeltes Start-Stopp-System arbeitet auf der Basis von konventionellen Startern. Dabei wird der jeweilige Starter durch ein elektronisches Steuergerät angesteuert und greift mittels eines Ritzels in einen am Schwungrad vorgesehenen Zahnkranz ein.
Des Weiteren wurde bereits vorgeschlagen, einen Startergenerator im Riementrieb (RSG) auf Basis eines Klauenpolgenerators mit einem zusätzlichen elektronischen Steuergerät zu realisieren. Bei derartigen Startergeneratoren werden oftmals die Phasen direkt über elektronische Halbleiterschalter mit einer Gleich- spannungsquelle, beispielsweise einer Batterie verbunden, ohne dass ein Taktverfahren wie beispielsweise die PWM angewendet wird.
Um im Bremsfall höhere Energien rekuperieren zu können, sind Systeme mit höheren Spannungen notwendig. Bei höheren Spannungen wird für ein Starten des Verbrennungsmotors eine Taktung der Versorgungsspannung im Umrichter notwendig, um den Strom in der Maschine auf einen vorgegebenen maximalen Wert zu begrenzen. Ein getakteter Umrichter erfordert einen Zwischenkreis mit Kondensatoren hoher Kapazität, um die Wechselanteile im Aufnahmestrom zu glätten. In den Endstufen bestimmt oftmals die Dimensionierung der Zwischenkreise den Platzbedarf für die jeweilige Endstufe.
Wie oben ausgeführt wurde, kommen bei den genannten Maschinen Betriebsarten mit Taktverfahren (PWM) bei höheren Spannungen und Betriebsarten mit Blockkommutierungen (ohne PWM) bei niedrigeren Spannungen oder bei höhe- ren Drehzahlen zum Einsatz. Bei den Taktverfahren ist eine Strommessung von besonderer Bedeutung, da bei diesen Taktverfahren eine Stromregelung durchgeführt wird, zu welcher eine Messung der Istströme notwendig ist.
Für eine Strommessung in den einzelnen Phasen der elektrischen Maschine kommen entweder Shunt-Widerstände zum Einsatz, die den Strom in ein äquivalentes Spannungssignal umwandeln, oder es werden indirekte Strom messverfahren verwendet, beispielsweise Stromübertrager oder LEM-Wandler.
Die Figur 1 zeigt eine an eine Gleichspannungsquelle, beispielsweise eine Batte- rie B angeschlossene fünfphasige elektrische Maschine, die einen Generator 1 , eine Leistungselektronik 2 und einen Zwischenkreis 3 aufweist. Der Generator 1 weist in seinem Inneren fünf Phasenanschlüsse auf, die über Phasenleitungen mit den Zweigen Z1 bis Z5 der Leistungselektronik 2 verbunden sind. In den Phasenleitungen fließen Phasenströme l_X bis l_Y, wie es in der Figur 1 angedeutet ist.
Der Zweig Z1 der Leistungselektronik 2 enthält einen Highside-Schalter HS1 und einen Lowside-Schalter LS1 und ist an einem Verbindungspunkt zwischen diesen beiden Schaltern über eine Phasenleitung mit dem Generator 1 verbunden.
Der Zweig Z2 der Leistungselektronik 2 enthält einen Highside-Schalter HS2 und einen Lowside-Schalter LS2 und ist an einem Verbindungspunkt zwischen diesen beiden Schaltern über eine weitere Phasenleitung mit dem Generator 1 verbunden.
Der Zweig Z3 der Leistungselektronik 2 enthält einen Highside-Schalter HS3 und einen Lowside-Schalter LS3 und ist an einem Verbindungspunkt zwischen diesen beiden Schaltern über eine weitere Phasenleitung mit dem Generator 1 verbunden.
Der Zweig Z4 der Leistungselektronik 2 enthält einen Highside-Schalter HS4 und einen Lowside-Schalter LS4 und ist an einem Verbindungspunkt zwischen diesen beiden Schaltern über eine weitere Phasenleitung mit dem Generator 1 verbunden.
Der Zweig Z5 der Leistungselektronik 2 enthält einen Highside-Schalter HS5 und einen Lowside-Schalter LS5 und ist an einem Verbindungspunkt zwischen diesen beiden Schaltern über eine weitere Phasenleitung mit dem Generator 1 verbunden.
Der Zwischenkreis 3 der gezeigten Maschine weist einen Zwischenkreiskonden- sator 3a auf.
Die Schalter der Leistungselektronik 2 werden von einer nicht gezeichneten Steuereinheit mit Steuersignalen beaufschlagt, um beispielsweise beim Anlaufen der Maschine ein Drehfeld zu erzeugen.
Wie aus der Figur 1 ersichtlich ist, gilt für die in der Maschine fließenden Ströme die folgenden Beziehung: l_Bat = l_Gen + l_ZK
Dabei handelt es sich bei l_Bat um den Strom der Gleichspannungsquelle, bei l_Gen um den Generatorstrom und bei l_ZK um den Zwischenkreisstrom.
Es ist bereits bekannt, bei einer elektrischen Maschine, wie sie in der Figur 1 gezeigt ist, Strommessungen unter Verwendung von Shunt-Widerständen vorzu- nehmen, die in die Phasenleitungen zwischen den Zweigen Z1 bis Z5 und dem
Generator 1 eingesetzt sind. Dies ist in der Figur 2 veranschaulicht. Dies hat den Nachteil, dass in allen Betriebsmodi der elektrischen Maschine sehr hohe Verlustleistungen umgesetzt werden, die zu einer unerwünschten zusätzlichen Erwärmung des Endstufenbereiches während des gesamten Arbeitsbetriebes der Maschine führen. Dies ist dadurch begründet, dass die Shunt-Widerstände mit dem vollen Betriebsstrom der Maschine beaufschlagt werden.
Des Weiteren ist es bereits bekannt, bei einer elektrischen Maschine, wie sie in der Figur 1 gezeigt ist, Strommessungen unter Verwendung von Shunt- Widerständen vorzunehmen, die in den Zweigen der Leistungselektronik 2 angeordnet sind, beispielsweise im Lowsidebereich des jeweiligen Zweiges. Dies ist in der Figur 3 veranschaulicht. Auch dies hat den Nachteil, dass in allen Betriebsmodi der elektrischen Maschine sehr hohe Verlustleistungen umgesetzt werden, die zu einer unerwünschten zusätzlichen Erwärmung des Endstufenbereiches während des gesamten Arbeitsbetriebes der Maschine führen. Dies ist dadurch begründet, dass die Shunt-Widerstände mit dem vollen Betriebsstrom der Maschine beaufschlagt werden.
Weitere Nachteile der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Strommessungen beste- hen darin, dass eine vergleichsweise hohe Anzahl von Auswerteschaltungen vorgehalten werden muss und eine Messung des Stroms der Gleichspannungsquelle mit dieser Anordnung nicht möglich ist. Es ist in diesen Konfigurationen lediglich eine Schätzung des Stroms der Gleichspannungsquelle über die gemessenen Phasenströme und die Ansteuerdauern möglich. Offenbarung der Erfindung
Ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die vorstehend beschriebenen Nachteile des Stan- des der Technik vermieden werden. Insbesondere tritt keine unerwünschte zusätzliche Erwärmung des Endstufenbereiches auf und es bedarf keiner hohen Anzahl von Auswerteschaltungen. Diese Vorteile werden dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren zur Stromermittlung bei einer mehrphasigen Maschine, welche einen mit einem Kondensator versehenen Zwischenkreis und pro Phase ei- nen Highside-Schalter und einen Lowside-Schalter aufweist, die Stromermittlung unter Verwendung einer Spannungsmessung im Zwischenkreis durchgeführt wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender Erläute- rung anhand der Figuren 4 - 1 1. Es zeigt
Figur 4 eine fünfphasige Maschine, bei welcher eine Spannungsmessung im Zwischenkreis erfolgt, Figur 5 Diagramme zur Veranschaulichung eines Center-Aligned-
Ansteuerungsmusters, der dabei auftretenden Zwischenkreis- spannung und des dabei auftretenden Zwischenkreisstromes,
Figuren 6 - 8 verschiedene Schalterstellung der Leistungselektronik und die je- weils zugehörige Zusammensetzung des durch den Zwischen- kreiskondensator fließenden Zwischenkreisstromes,
Figur 9 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit des Innenwiderstandes des Zwischenkreiskondensators von der Tempe- ratur,
Figur 10 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit des Kapazitätswertes des Zwischenkreiskondensators von der Temperatur und Figur 1 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für eine Zu- schaltung eines Phasenstromes und den zugehörigen Verlauf der Zwischenkreisspannung.
Die Figur 4 zeigt eine an eine Gleichspannungsquelle, beispielsweise eine Batterie angeschlossene fünfphasige Maschine, bei welcher eine Spannungsmessung im Zwischenkreis erfolgt. Diese Spannungsmessung erfolgt am Zwischenkreis- kondensator 3a, der zwischen den Anschlüssen der Gleichspannungsquelle, beispielsweise zwischen den Batterieanschlüssen der Fahrzeugbatterie, angeordnet ist, und liefert eine Information über die momentan am Zwischenkreiskondensa- tor 3a anliegende Zwischenkreisspannung U_ZK. Die weitere Anordnung der Maschine stimmt mit der in der Figur 1 gezeigten Maschine überein.
Für die Zwischenkreisspannung U_ZK der Maschine gilt für jeden Zeitpunkt die folgende Beziehung:
Figure imgf000007_0001
wobei C die Kapazität des Zwischenkreiskondensators und ESR der innere Widerstand des Zwischenkreiskondensators ist. Für einen konstanten Strom l_ZK gilt
/ ZK
U ZK = I ZK · ESR + U0 + • At .
C
Folglich kann aus einer Beobachtung der Kondensatorspannung der Kondensatorstrom ermittelt werden.
Die Ansteuerung der Schalter der Leistungselektronik erfolgt beispielsweise nach einer sogenannten Center-Aligned-Ansteuerung. Bei dieser ist der Zeitbereich für den Stromfluss auf einen kleinen Zeitbereich konzentriert. Ein Ansteuermuster für eine derartige Center-Aligned-Ansteuerung, der zugehörige Verlauf der Zwischenkreisspannung und der zugehörige Verlauf des Zwischenkreisstromes sind in den in der Figur 5 gezeigten Diagrammen veranschaulicht. Dabei sind in der Figur 5a die Ansteuersignale AS für die Schalter der Leistungselektronik, in der Figur 5b die Zwischenkreisspannung U_ZK und in der Figur 5c der zugehörige Zwischenkreisstrom I ZK veranschaulicht. Aus der Figur 5a ist ersichtlich, dass bei einer Center-Aligned-Ansteuerung die Pulsmitten der Ansteuerimpulse zeitlich übereinstimmen, wie es durch eine senkrecht verlaufende, strichpunktierte Linie in der Figur 5a angedeutet ist. Ferner geht aus der Figur 5a hervor, dass die Flanken der Ansteuerimpulse zeitlich voneinander verschieden sind und sich in einem begrenzten zeitlichen Bereich befinden. Mit dem Text„Freilauf LS" ist angedeutet, dass in diesem Zeitintervall alle Lowside-Schalter durchgesteuert sind. Mit dem Text„Freilauf HS" ist angedeutet, dass in diesem Zeitintervall alle Highside-Schalter durchgesteuert sind. Mit dem Text„Antrieb" wird zum Ausdruck gebracht, dass in diesem engen Zeitfenster durch die Schalterstellungen die elektrische Maschine an die äußere Spannung angeschlossen wird. Dadurch wird eine Stromänderung in den Ständerwicklungen der Maschine hervorgerufen. Befindet sich ein Ansteuerimpuls auf seinem hohen Spannungsniveau, dann ist der jeweils zugehörige Highside-Schalter durchgesteuert. Befindet sich ein Ansteuerimpuls auf seinem niedrigen Ansteuerniveau, dann ist der jeweils zugehörige Lowside-Schalter durchgesteuert.
In der Figur 5b ist der Verlauf der Zwischenkreisspannung U_ZK veranschaulicht, der sich im Falle einer Center-Aligned-Ansteuerung gemäß der Figur 5a ergibt. Es ist ersichtlich, dass bei jedem Schaltvorgang gemäß Figur 5a ein Spannungssprung in der Figur 5b auftritt und dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungssprüngen ein linear ansteigender oder ein linear abfallender Spannungsverlauf, d. h. eine Rampe, vorliegt.
Aus dem in der Figur 5c gezeigten Verlauf des Zwischenkreisstromes l_ZK ist ersichtlich, dass im Falle einer Center-Aligned-Ansteuerung gemäß der Figur 5a bei jedem Schaltvorgang auch eine sprunghafte Stromveränderung erfolgt und dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stromsprüngen ein konstanter Stromverlauf vorliegt.
Ein Vergleich der Figuren 5b und 5c zeigt, dass beim Auftreten eines Stromsprunges auch ein Spannungssprung auftritt, und dass beim Auftreten eines konstanten Stromverlaufes ein linear abfallender oder ein linear ansteigender Spannungsverlauf vorliegt. Aus den vorstehenden Erläuterungen zu Figur 5 ist ersichtlich, dass zu jedem augenblicklichen Zeitpunkt der durch den Zwischenkreiskondensator 3a fließende Zwischenkreisstrom eindeutig definiert ist.
Nachfolgend wird anhand der Figuren 6, 7 und 8 die Zusammensetzung des durch den Zwischenkreiskondensator 3a fließenden Zwischenkreisstromes zu verschiedenen Zeitpunkten beispielhaft erläutert, wobei in diesen Figuren die Phasenströme im Unterschied zu den vorhergehenden Figuren mit 11 , 12, 13, 14 und 15 bezeichnet sind.
Gemäß der Figur 6 sind alle Highside-Schalter geöffnet und alle Lowside- Schalter durchgesteuert bzw. geschlossen. In diesem Zustand der Schalter kann durch eine Messung des durch den Zwischenkreiskondensator 3a fließenden Zwischenkreisstromes l_ZK der Strom der Gleichspannungsquelle l_Bat ermittelt werden. Denn in diesem Zustand gilt stets: l_Gen = 0 und l_Bat = l_ZK.
Die Zeiträume, in denen alle Highside-Schalter geöffnet und alle Lowside-Schal- ter durch gesteuert bzw. geschlossen sind, sind in der Figur 5a mit dem Text "Freilauf LS" bezeichnet. Ein möglicher Messzeitpunkt ist in der Figur 5c mit t1 bezeichnet.
Wird - wie es in der Figur 7 veranschaulicht ist - der Highside-Schalter HS3 geschlossen und der zugehörige Lowside-Schalter LS3 geöffnet, dann gilt die folgende Beziehung: l_3 = l_Bat - l_ZK.
Folglich kann bei bereits bekanntem Strom der Gleichspannungsquelle durch eine Differenzbildung des Stromes der Gleichspannungsquelle mit dem im Zeitraum nach der Zuschaltung des ersten Phasenstromes l_3 gemessenen Zwischenkreisstrom der Phasenstrom l_3 durch die vorstehend genannte Beziehung ermittelt werden. Ein möglicher Messzeitpunkt ist in der Figur 5c mit t2 bezeichnet. Wird dann - wie es in der Figur 8 veranschaulicht ist - der Highside-Schalter HS2 geschlossen und der zugehörige Lowside-Schalter LS2 geöffnet, dann gilt die folgende Beziehung: l_2 = l_Bat - l_ZK - l_3.
Folglich können bei bereits bekanntem Strom der Gleichspannungsquelle und bereits bekanntem Phasenstrom l_3 im Zeitraum nach der Zuschaltung des zweiten Phasenstromes l_2 durch eine Messung des Zwischenkreisstromes Rückschlüsse auf den Phasenstrom l_2 durch eine Anwendung der vorstehenden Beziehung gezogen werden. Ein möglicher Messzeitpunkt ist in der Figur 5c mit t3 bezeichnet.
Entsprechend gilt im Zeitraum nach der Zuschaltung des dritten Phasenstroms l_1 die folgende Beziehung:
M = l_Bat - l_ZK - l_3 - l_2.
Folglich können im Zeitraum nach der Zuschaltung des dritten Phasenstromes l_1 durch eine Messung des Zwischenkreisstromes Rückschlüsse auf den Phasenstrom l_1 durch eine Anwendung der vorstehenden Beziehung gezogen werden.
Im Zeitraum nach der Zuschaltung des vierten Phasenstromes l_4 gilt die folgende Beziehung: l_4 = l_Bat - l_ZK - l_3 - \_2 - l_1.
Folglich können im Zeitraum nach der Zuschaltung des vierten Phasenstromes l_4 durch eine Messung des Zwischenkreisstromes Rückschlüsse auf den Phasenstrom l_4 durch eine Anwendung der vorstehenden Beziehung gezogen werden.
Es gilt folglich innerhalb eines Ansteuerzyklus die folgende allgemeine Beziehung: l_Phase(neu) = l_Bat - l_ZK - l_Phasen(bisher), wobei l_Phase(neu) der jeweils neu zugeschaltete Phasenstrom,
l_Bat der Strom der Gleichspannungsquelle,
l_ZK der aktuell gemessene Zwischenkreisstrom und
l_Phasen(bisher) die im vorliegenden Ansteuerzyklus bisher ermittelten Phasenströme sind.
Bei der in der Figur 4 gezeigten Maschine werden Schwankungen des Zwi- schenkreisstromes durch den Zwischenkreiskondensator 3a aufgenommen. Aus der Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, wird wegen der Netzinduktivitäten (Induktivität der Anschlussleitungen und Induktivität von Entstördrosseln) weitgehend nur ein Gleichstrom entnommen. Da es sich bei einem Zwischenkreiskondensator um kein ideales Bauelement mit unendlicher Kapazität handelt, ergeben sich durch die Schwankungen des Kondensatorstromes auch Schwankungen der Kondensatorspannung. Diese Schwankungen der Kondensatorspannung weisen im Wesentlichen zwei Anteile auf:
Zum einen erfolgt aufgrund der Kapazität des Kondensators je nach momentaner Stromrichtung ein Anstieg oder ein Abfall der Kondensatorspannung:
Figure imgf000011_0001
Für I = konst gilt: U(t)
Zum anderen besitzt der Kondensator einen ohmschen Innenwiderstand, der einen Spannungssprung am Kondensator erzeugt, welcher dem schwankenden Kondensatorstrom direkt proportional ist:
U = R · I
Folglich ist für den Spannungssprung, der jeweils bei einem Schaltvorgang gemäß Figur 5a auftritt, der Innenwiderstand des Zwischenkreiskondensators verantwortlich. Für den kontinuierlichen Spannungsanstieg bzw. Spannungsabfall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungssprüngen ist die Kapazität des Zwischenkreiskondensators verantwortlich. Dies bedeutet, dass bei Kenntnis des Innenwiderstandes des Zwischenkreiskondensators über die Spannungssprünge oder bei Kenntnis der Kapazität des Zwischenkreiskondensators über die Rampen der Kondensatorspannung auf die Phasenströme des Generators rückgeschlossen werden kann. Somit besteht die Möglichkeit, eine Erfassung der Phasenströme und des Stroms der Gleichspannungsquelle unter Verwendung des gemessenen Spannungsverlaufes am Zwischenkreiskondensator vorzunehmen. Ausgewertet werden dabei die zu den Schaltzeitpunkten auftretenden Spannungssprünge und/oder die zwischen zwei Schaltzeitpunkten auftretenden Spannungsänderungen (Rampen).
Sowohl der Innenwiderstand ESR des Zwischenkreiskondensators als auch die Kapazität C des Zwischenkreiskondensators sind stark abhängig von der Temperatur, von Alterungseffekten und von Fertigungsstreuungen.
Die Abhängigkeit des Innenwiderstandes ESR von der Temperatur ist in der Figur 9 veranschaulicht, die Abhängigkeit der Kapazität von der Temperatur in der Figur 10.
Folglich besteht die Notwendigkeit, die genannten Parameter im Betrieb der Maschine in Ruhephasen, beispielsweise während eines Nachlaufes oder beim Vorliegen einer ruhenden Maschine, aktuell zu ermitteln.
Dies kann in vorteilhafter Weise unter Verwendung einer Messung der Temperatur des Zwischenkreiskondensators erfolgen. Da diese Temperatur insbesondere beim Vorliegen eines Elektrolytkondensators einen wesentlichen Einflussfaktor auf den Innenwiderstand ESR hat, kann diesem Einflussfaktor unter Verwendung einer Temperaturmessung im Sinne einer Vorsteuerung entgegengewirkt werden.
In vielen Fällen ist bezüglich der Elektrik eines Umrichters bereits ohnehin eine Temperaturerfassung vorgesehen, beispielsweise zu Überwachungszwecken und/oder als Überlastschutz. Diese Temperaturerfassung kann in vorteilhafter Weise mitbenutzt werden, da im Ruhestand, d. h. bei abgeschalteter Endstufe, die Temperatur der Elektronik nur unwesentlich von der Temperatur des Zwi- schenkreiskondensators abweicht. Über ein Kennfeld kann ein Versteuerwert für ESR und C des Kondensators ermittelt werden.
Eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit besteht darin, einen definierten Strom zur Ermittlung des Innenwiderstandes einzuprägen. Durch eine Einstellung eines festen Tastverhältnisses bzw. Duty-Cycles kann bei Kenntnis der Ständerwiderstände eine feste effektive Spannung und damit ein berechenbarer Strom eingestellt werden. Durch eine Beobachtung bzw. Messung eines Spannungssprunges kann der aktuelle Innenwiderstand ESR ermittelt werden. Auch durch eine Beobachtung bzw. Messung eines kontinuierlichen Spannungsanstiegs oder Spannungsabfalls kann die aktuelle Kapazität des Zwischenkreiskon- densators ermittelt werden.
Eine weitere zusätzliche oder alternative Möglichkeit besteht darin, einen mess- baren Erregerstrom einzuprägen. Wird ein Strom über einen bekannten ohm- schen Widerstand getaktet, dann kann aus dem Widerstand und der gemessenen Spannung der Strom ermittelt werden. Dieser Strom kann herangezogen werden, um über die gemessenen Spannungsschwankungen das Messsystem zu eichen. Hierzu kann bei kalter Maschine und bekanntem Strangwiderstand der Maschine ein bestimmtes Taktverhältnis vorgegeben werden und der sich einstellende Strom genutzt werden.
Für fremderregte Maschinen ergibt sich die Möglichkeit, einen Erregerstrom mit Strommessung anzutakten, den sich einstellenden Erregerstrom mit einem Stro- merfassungssystem zu messen und den Spannungssprung, der sich durch das
Taktverfahren am Zwischenkreis ergibt, mit zu messen. Durch einen Vergleich zwischen einem gemessenen Erregerstrom einerseits und einem gemessenen Spannungsverlauf am Zwischenkreiskondensator andererseits ist eine Ermittlung des aktuellen Innenwiderstands des Zwischenkreiskondensators und der aktuel- len Kapazität des Zwischenkreiskondensators möglich.
Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, einen gesonderten Eichwiderstand zu verwenden, der ausschließlich zur Eichung der Stromermittlung herangezogen wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist es auch denkbar, eine der 5 vorliegenden Phasen mit einer Phasenstrommessung auszustatten, anhand dieser Phasen- Strommessung die erfindungsgemäße Messmethode zu eichen und alle weiteren Ströme über die Spannungsbeobachtung am Zwischenkreis vorzunehmen. Dazu muss der Spannungssprung durch den messbaren Strom ausgewertet werden. Dann ergibt sich der aktuelle ESR zu
AU
ESR =
Phas ,gem
Aus der Differenz der Rampe vor und nach Zuschaltung des gem. Phasenstromes ergibt sich für die Kapazität des Zwischenkreiskondensators:
Phase, gern
Rampel - Rampe 2
Dies ist in der Figur 1 1 veranschaulicht, die ein Beispiel für die Zuschaltung eines Phasenstromes und den zugehörigen Verlauf der Zwischenkreisspannung U_ZK zeigt.
Ein Verfahren gemäß der Erfindung erlaubt nach alledem eine Erfassung von mehreren relevanten Strömen in der Ansteuerung eines Motors mit Hilfe einer Auswertung des Spannungsverlaufes am Zwischenkreiskondensator. Dadurch wird der zur Stromerfassung notwendige Hardwareaufwand im Vergleich zum
Stand der Technik reduziert. Des Weiteren ermöglicht die Verwendung eines Verfahrens gemäß der Erfindung eine Ermittlung von relevanten Strömen ohne eine Erhöhung der Gesamtverlustleistung des Systems, indem die nicht idealen Eigenschaften des Zwischenkreiskondensators genutzt werden.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Stromermittlung in einer mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen mehrphasigen Maschine, welche einen mit einem Zwischenkreiskondensator versehenen Zwischenkreis und pro Phase einen Highside- Schalter und einen Lowside-Schalter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messung des Spannungsverlaufes am Zwischenkreiskondensator (3, 3a) vorgenommen wird und aus dem gemessenen Spannungsverlauf (U_zk) der Strom (l_Bat) der Gleichspannungsquelle (V_bat) und/oder ein oder mehrere Phasenströme ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung von im gemessenen Spannungsverlauf (U_zk) auftretenden Spannungssprüngen erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung von im gemessenen Spannungsverlauf (U_zk) auftretenden Spannungsrampen erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Stroms der Gleichspannungsquelle und/ oder eines oder mehrerer Phasenströme unter Berücksichtigung des jeweils aktuellen Innenwiderstandes des Zwischenkreiskondensators (3, 3a) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Innenwiderstandes des Zwischenkreiskondensators (3, 3a) eine Messung der Temperatur des Zwischenkreiskondensators erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Innenwiderstandes des Zwischenkreiskondensators eine ohnehin vorhandene Temperaturerfassung mit verwendet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Innenwiderstandes des Zwischenkreiskon- densators ein Einprägen eines definierten Stromes bei stehender Maschine erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Innenwiderstandes des Zwischenkreiskon- densators ein Einprägen eines messbaren Stromes erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke einer Eichung ein Phasenstrom gemessen wird und die weiteren Phasenströme unter Verwendung einer Messung des Spannungsverlaufes (U_zk) am Zwischenkreiskondensator (3, 3a) ermittelt werden.
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