Titel

Verfahren zur Bestimmung der Phasenströme einer elektrischen Maschine mit einem Stromrichter

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Phasenströme einer elektrischen Maschine mit einem Stromrichter sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.

Stand der Technik

Generatoren zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie sind bekannt. In Kraftfahrzeugen werden in der Regel Klauenpolgeneratoren verwendet. Diese können mit elektrischer Erregung ausgestattet sein. Da Klauenpolgeneratoren Drehstrom erzeugen, ist für die in Kraftfahrzeugen üblichen Gleichspannungsbordnetze eine Gleichrichtung erforderlich. Hierzu können Gleichrichter mit Halbleiterdioden und/oder aktiven Schaltelementen verwendet werden.

Generatoren, die auch zum Fahrzeugantrieb eingesetzt werden können (also auch motorisch betreibbar sind), sind aus dem Bereich der Hybridfahrzeuge bekannt. Ziel ist hierbei, den Verbrennungsmotor bei niedrigen Drehzahlen, bei denen dieser noch nicht sein volles Drehmoment liefert, zu unterstützen

(Boostbetrieb, Turbolochkompensation). Außerdem kann durch ein aktives elektrisches Bremsen (generatorischer Betrieb) die kinetische Energie des Fahrzeuges in das elektrische Bordnetz zurückgespeist werden (Rekuperation). Für den generatorischen Betrieb kann der Stromrichter als aktiver Gleichrichter betrieben werden, bei dem die Highside- und Lowside-Schalter phasenspannungsabhangig umgeschaltet werden. Beispielsweise werden die Lowside-Schalter geschlossen, wenn die Phasenspannung negativ ist, und die Highside-Schalter, wenn die Pha- senspannung größer als die Batteriespannung ist. Um das aktive Bremsmoment genau zu steuern, ist die Kenntnis der Phasenströme wichtig.

Die Messung der Phasenströme kann über Messwiderstände, sogenannte Shunts, erfolgen. In der Regel sind diese Shunts nicht direkt in den Phasen des

Antriebs verbaut, sondern in einem Lowside-Zweig des Stromrichters. Eine phasenindividuelle Strommessung mit Lowside-Shunts ist aus dem Bereich der An- steuerung von Elektromotoren bekannt. Allerdings muss hier, wie in der DE 103 27 690 B4 oder der DE 10 2012 217 1 16 A1 angegeben, die Strommessung mit der Ansteuerung synchronisiert werden. Dies ist relativ aufwendig. Weiterhin problematisch bei der aktiven Gleichrichtung ist, dass zu keinem Zeitpunkt alle Lowside-Schalter geschlossen sind. Jedoch können auch bei Strommessungen im Lowside-Zweig bei geöffnetem Schalter Ströme ungleich Null, z.B. wegen Messrauschen, Sensoroffsets usw., gemessen werden. Dies erschwert die Aus- wertung weiter.

Es ist daher wünschenswert, ein Verfahren anzugeben, mit dem auch in einem aktiven Gleichrichtbetrieb alle Phasenströme möglichst einfach bestimmt werden können.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Bestimmung der Phasenströme einer elektrischen Maschine mit einem Stromrichter sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Vorteile der Erfindung

Im Rahmen der Erfindung wird eine Möglichkeit vorgeschlagen, alle Phasenströme einer elektrischen Maschine mit einer Anzahl von Phasen durch im Wesentlichen gleichzeitige Messung aller Lowside-Zweig-Ströme und Verrechnung der Messwerte zu bestimmen. Von allen gemessenen Lowside-Zweig-Strömen werden dann mindestens zwei und weniger als die Anzahl der Phasen für die Berechnung der Phasenströme herangezogen. Vorzugsweise werden die heranzuziehenden Phasen anhand des Messwerts ausgewählt, insbesondere werden die beiden gemessenen Lowside-Zweig-Strömen mit der betragsmäßig größten Amplitude für die Berechnung der Phasenströme herangezogen. Dadurch ist der aktuelle Schaltzustand in den einzelnen Zweigen unerheblich. "Falsche"

Lowside-Zweig-Ströme, die durch Rauschen, Sensoroffsets usw. gemessen werden, obwohl der zugehörige Lowside-Schalter geschlossen ist, sind betragsmäßig immer kleiner als "richtige" Lowside-Zweig-Ströme, die durch den geöffneten Lowside-Schalter fließen. Auch eine Synchronisierung der Messung mit der

Schaltfolge ist aus demselben Grund nicht mehr nötig. Vielmehr kann die Messung aller Lowside-Zweig-Ströme zu beliebigen Zeitpunkten und unabhängig von Schaltzeiten des aktiven Gleichrichtbetriebs stattfinden. Zweckmäßigerweise werden alle Lowside-Zweig-Ströme im Wesentlichen gleichzeitig gemessen. Dies kann insbesondere durch eine entsprechende Anzahl von parallelen AD-

Wandlungen oder z.B. durch einen Multiplexer und serielle AD-Wandlungen, solange diese seriellen AD-Wandlungen so schnell durchgeführt werden, dass keine signifikante Veränderung des Phasenstroms während dessen zu erwarten ist, erfolgen. Zweckmäßigerweise werden die Lowside-Zweig-Ströme in einem re- gelmäßigen zeitlichen Raster gemessen.

Die Erfindung eignet sich für alle mehrphasigen Maschinen mit mindestens vier Phasen. Die Phasenströme sind aus einer geeigneten Anzahl von mindestens zwei und höchsten N-1 , wobei N die Anzahl der Phasen ist, Lowside-Zweig- Strömen immer berechenbar, da die Winkelabstände zwischen den Phasen für jede Maschine bekannt sind. Eine besonders geeignete Auswahl ist die der zwei betragsmäßig größten Lowside-Zweig-Ströme. Dies wird weiter unten am Beispiel einer fünfphasigen Maschine näher ausgeführt. Besondere Vorteile entfaltet die Erfindung bei Maschinen mit mehr als vier Phasen, da dort die Anzahl der be- rechneten Phasenströme immer gleich oder größer der Anzahl der beiden betragsmäßig größten Lowside-Zweig-Ströme ist, d.h. aus nur zwei validen Messwerten können alle invaliden Werte berechnet werden. Die Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft zur Verwendung in Hybrid- bzw. Rekuperationsantriebstechniken, da dort die Kenntnis aller Phasenströme die genaue Einstellung eines aktiven Bremsmoments ermöglicht.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend 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.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels/von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine elektrische Maschine mit einem Stromrichter, wie sie der Erfindung zugrunde liegen kann, in schematischer Darstellung. Figur 2 zeigt ein Ansteuerschema für aktive Gleichrichtung einer elektrischen Maschine mit einem Stromrichter gemäß Figur 1 in schematischer Darstellung.

Ausführungsform(en) der Erfindung

Figur 1 zeigt die zur Veranschaulichung der Erfindung wesentlichen Elemente einer elektrischen Maschine mit einem Stromrichter in stark vereinfachter Darstellung, wie sie Teil eines Kraftfahrzeugbordnetzes sein kann. Hiervon umfasst ist ein fünfphasiger Ständer (bzw. Stator) 10. Der fünfphasige Ständer 10 weist ins- gesamt fünf Ständerwicklungsstränge (auch als Statorwicklungen bezeichnet) 1 1 bis 15 auf. Ein Läufer (bzw. Rotor) ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Der fünfphasige Ständer 10 ist mit seinen fünf Ständerwicklungssträngen 1 1 bis 15 an einen Stromrichter 2 angebunden, der fünf Stromrichterbrücken 21 bis 25 mit aktiven Schaltelementen 2, 3, beispielsweise MOSFETs, als Schalter aufweist. Die fünf Ständerwicklungsstränge 1 1 bis 15 bzw. die fünf Stromrichterbrücken 21 bis 25 definieren die fünf Phasen U bis Y der elektrischen Maschine. Der Stromrichter 2 kann als Gleichrichter (üblicherweise bei einem generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine zum Versorgen des Bordnetzes) oder als

Wechselrichter (üblicherweise bei einem motorischen Betrieb der elektrischen Maschine) betrieben werden.

Die aktiven Schaltelemente 2, 3 sind über Stromschienen mit den Ständerwick- lungssträngen 1 1 bis 15 einerseits und Gleichspannungsanschlüssen 5, 6 andererseits verbunden. Die Gleichspannungsanschlüsse 5, 6 können mit einem elektrischen Energiespeicher in einem Bordnetz, beispielsweise einer Batterie 40, verbunden sein. Der obere Gleichspannungsanschluss 5 ist dabei mit dem positiven Batteriepol, der untere Gleichspannungsanschluss 6 mit dem negativen Batteriepol bzw. Masse verbunden. Die aktiven Schaltelemente 2 sind damit im sogenannten oberen Gleichrichterzweig angeordnet, die aktiven Schaltelemente 3 im unteren Gleichrichterzweig. Bei den aktiven Schaltelementen 2 handelt es sich damit um sogenannte Highside-Schaltelemente als obere Schalter, bei den aktiven Schaltelementen 3 um sogenannte Lowside-Schaltelemente als untere Schalter. Man spricht auch von einem Highside-Zweig (vom Mittelpunkt der jeweiligen Stromrichterbrücken 21 bis 25 über die Schaltelemente 2 zu dem Gleichspannungsanschluss 5) bzw. einem Lowside-Zweig (vom Mittelpunkt der jeweiligen Stromrichterbrücken 21 bis 25 über die Schaltelemente 3 zu dem Gleichspannungsanschluss 6).

Eine Strommessung erfolgt über Messwiderstände (Shunts) 4 in den Lowside- Zweigen des Stromrichters 20. Bekanntermaßen wird hierzu die an dem Messwiderstand abfallende Spannung gemessen, hier insbesondere an einem Ana- log/Digital-Wandlereingang eines Steuergeräts 30.

Ein Verfahren zur Bestimmung aller Phasenströme gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben. Das Steuergerät 30 ist programmtechnisch zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet.

In Figur 2 sind übereinander die zeitlichen Verläufe der Phasenspannungen der fünf Phasen U, V, W, X und Y dargestellt. Eine Batteriespannung einer zwischen dem oberen Gleichspannungsanschluss 5 und dem unteren Gleichspannungs- anschluss 6 angeschlossenen Batterie ist mit U _Ba t, Masse mit "0" gekennzeichnet. Bei einem typischen Hybridantrieb ist der Stromrichter 20 mit einem Hochspannungsbordnetz mit z.B. 48 V verbunden.

Gemäß dem aktiven Gleichrichtbetrieb wird jedes der Highside-Schaltelemente 2 geschlossen, solange die zugehörige Phasenspannung gegenüber Masse größer als die am oberen Gleichspannungsanschluss 5 anliegende Batteriespannung gegenüber Masse ist. Das Schaltschema ist jeweils mit 101 bezeichnet.

Weiterhin wird gemäß dem aktiven Gleichrichtbetrieb jedes der Lowside- Schaltelemente 3 geschlossen, solange die zugehörige Phasenspannung gegenüber Masse kleiner als die am unteren Gleichspannungsanschluss 5 anliegende Masse ist. Das Schaltschema ist jeweils mit 102 bezeichnet. Im Rahmen der Erfindung ist es nun möglich, alle Phasenströme lu, lv, Iw, Ιχ, Ιγ durch zweckmäßigerweise gleichzeitige Messung aller Lowside-Zweig-Ströme ILSU , ILS , LsW, ILS , LSY ZU bestimmen. Von allen gemessenen Lowside-Zweig- Strömen werden dann die beiden mit der betragsmäßig größten Amplitude für die Berechnung der Phasenströme herangezogen. Diese sind in Figur 2 mit "valid" gekennzeichnet, die anderen drei mit "invalid". Beispielhafte Messzeitpunkte sind durch vertikale gestrichelte Linien gekennzeichnet. Die Messzeitpunkte können insbesondere beliebig und unabhängig von Schaltzeiten des aktiven Gleichrichtbetriebs liegen. Im vorliegenden Beispiel sind die Messzeitpunkte äquidistant in einem regelmäßigen zeitlichen Raster At.

Aus der Kenntnis der Winkelabstände zwischen den Phasen (hier 72°) kann jeder Phasenstrom als Funktion der zwei betragsmäßig größten, d.h. validen Lowside-Zweig-Ströme berechnet werden. Dafür werden folgende Umrechnungsfaktoren definiert:

Faktorl 1 = sin (216°) / sin (288°)

Faktor21 = cos (216°) - (sin (216°)/tan (288°)

Faktorl 2 = sin (144°) / sin (216°)

Faktor22 = cos (144°) - (sin (144°)/tan (216°)

Faktorl 3 = sin (72°) / sin (144°)

Faktor23 = cos (72°) - (sin (72°)/tan (144°)

Im vorliegenden Beispiel sind demnach zu einem Messzeitpunkt t-ι die Lowside- Zweig-Ströme Ls und LsW valide, welche damit gleichzeitig die Phasenströme lv bzw. I _w sind. Die anderen Phasenströme ergeben sich daraus zu:

Ix = (ILSV - l _LS W- ^* Faktorl 1 ) / Faktor21

Ιγ = (ILSV - l _LS W ^* Faktorl 2) / Faktor22

lu = (ILSV - l _LS W ^* Faktorl 3) / Faktor23 Zu einem Messzeitpunkt t ₂ sind die Lowside-Zweig-Ströme l _L sU und l _L sY valide, welche damit gleichzeitig die Phasenströme lu bzw. I _Y sind. Die anderen Phasenströme ergeben sich daraus zu:

lv = (ILSY - ILSU ^* Faktorl 1 ) / Faktor21

l _w = (ILSY - ILSU ^* Faktorl 2) / Faktor22

Ix = (ILSY - ILSU ^* Faktorl 3) / Faktor23

Zu einem Messzeitpunkt t ₄ sind die Lowside-Zweig-Ströme Ls und LsY valide, welche damit gleichzeitig die Phasenströme l _x bzw. I _Y sind. Die anderen Phasen- ströme ergeben sich daraus zu:

lu = (LsX - ILSY ^* Faktorl 1 ) / Faktor21

lv = (LsX - LsY ^* Faktorl 2) / Faktor22

lw = (LsX - LsY ^* Faktorl 3) / Faktor23 Für valide Lowside-Zweig-Ströme LsU und Ls ergeben sich die anderen Phasenströme zu:

lw = (LsU - l _LS V ^* Faktorl 1 ) / Faktor21

Ix = (ILSU - l _LS V ^* Faktorl 2) / Faktor22

IY = (ILSU - l _LS V ^* Faktorl 3) / Faktor23

Schließlich ergeben sich für valide Lowside-Zweig-Ströme LsW und Ls die anderen Phasenströme zu:

l _Y = (l _LS W - l _LS X ^* Faktorl 1 ) / Faktor21

lu = (l _LS W - l _LS X ^* Faktorl 2) / Faktor22

l _v = (l _LS W - l _LS X ^* Faktorl 3) / Faktor23

Insgesamt können somit mittels der Erfindung alle Phasenströme einer elektrischen Maschine mit mindestens vier Phasen auch dann bestimmt werden, wenn der Stromrichter als aktiver Gleichrichter betrieben wird.