AT528537B1 - Bestimmungsverfahren für eine Bestimmung eines DC-Stromwertes auf einer DC-Seite eines Inverters - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bestimmungsverfahren für eine Bestimmung eines DC-Stromwerts (DCI) auf einer DC-Seite (DCS) eines Inverters (110), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Erfassen eines AC-Stromwerts (ACI) für wenigstens zwei Phasen auf einer AC-Seite (ACI) des Inverters (110), - Erfassen eines DC-Spannungswertes (DCU) auf der DC-Seite (DCS) des Inverters (110), - Bestimmen eines DC-Stromwertes (DCI) auf Basis des erfassten AC- Stromwertes (ACI) und des erfassten DC-Spannungswertes (DCU) unter Verwendung einer kalibrierten AC-DC-Beziehung (ADB), wobei der erfasste AC-Stromwert (ACI) einer Frequenzanalyse unterzogen wird zur Bestimmung von AC-Rippelstromwerten (ACR), wobei die Bestimmung des DC-Stromwertes (DCI) auf Basis der bestimmten AC- Rippelstromwerte (ACR) und des erfassten DC-Spannungswertes (DCU) unter Verwendung der kalibrierten AC-DC-Beziehung (ADB) erfolgt.

Description

Beschreibung

BESTIMMUNGSVERFAHREN FÜR EINE BESTIMMUNG EINES DC-STROMWERTES AUF ElNER DC-SEITE EINES INVERTERS

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bestimmungsverfahren für eine Bestimmung eines DC-Stromwertes auf einer DC-Seite eines Inverters, eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines DC-Stromwerts auf einer DC-Seite eines Inverters sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Bestimmungsverfahrens.

[0002] Aus dem Stand der Technik ist KR 100839073 B1 bekannt, welche eine Messvorrichtung für die Bestimmung eines DC-Stromwerts auf einer DC-Seite eines Inverters beschreibt. Weiters offenbart EP 4340213 A1 ein Verfahren zur Bestimmung eines DC-Stromwertes auf der DC-Seite eines Invertes für einen Motor eines Elektrofahrzeuges. US 2023014369 A1 beschreibt eine Vorrichtung, um den DC-Stromwert auf der DC-Seite eines Inverters für einen Elektromotor abschätzen zu können. Und DE 102014109841 A1 beschreibt an Hand eines DC-DC-Wandlers eine Maßnahme, wie ein betriebspunktabhängiger Wirkungsgrad durch eine Kalibrierung im Zuge der Fertigung des Wandlers aufgezeichnet wird und in einem Speicher abgelegt werden kann.

[0003] Es ist grundsätzlich bekannt, dass beim Betrieb von Invertern, welche eine Umrichterfunktionalität zwischen Wechselstrom und Gleichstrom zur Verfügung stellen, eine Strommessung sinnvoll sein kann. Insbesondere dann, wenn ein solcher Inverter die Wechselstromseite, also die AC-Seite des Inverters, mit einem elektrischen Verbraucher und auf einer Gleichstromseite oder auch der DC-Seite, einen elektrischen Speicher, zum Beispiel eine Batterievorrichtung, aufweist. Für die Versorgung von elektrischen Verbrauchern mit Wechselstrom aus mit Gleichstrom betriebenen Batterievorrichtungen sind die Wechselrichter notwendig, um den gespeicherten Gleichstrom in Wechselstrom umzurichten und auf diese Weise den Betrieb der elektrischen Komponente zu gewährleisten.

[0004] Für eine Kontrolle der Batterievorrichtung hinsichtlich der Ausspeichervorgänge, aber auch hinsichtlich von Ladevorgängen, ist ein möglichst genaues Verständnis der Einspeicherströme sowie der Auspeicherströme hilfreich. Jedoch ist eine Bestimmung einer Strommenge und damit das Messen des Stroms auf der AC-Seite des Inverters mit hohen konstruktiven Aufwänden verbunden. So wird üblicherweise ein sogenannter Shunt eingesetzt, welcher in einer Parallelschaltung einen Nebenwiderstand und eine entsprechende Messvorrichtung aufweist. Neben der erhöhten Komplexität und zusätzlicher Bauteile findet hier eine Beeinflussung der Ströme auf der Gleichstromseite des Inverters statt. Dies führt nicht nur zu einer fehlenden Genauigkeit der Gleichstrommessung, sondern auch zu einem Leistungsverlust. Nicht zuletzt ist ein Betrieb und eine Messmöglichkeit mit Hilfe eines solchen Shunts mit einer Erwärmung der Widerstände verbunden, sodass zusätzlich auch noch eine aktive Kühlfunktionalität vorgesehen werden muss. Insbesondere bei der immer weiter steigenden Anzahl von elektrischen Vorrichtungen, die zum Beispiel bei Drohnen, Luftfahrzeugen, landbetriebenen Fahrzeugen, Schiffen oder Ähnlichem auch mit sehr hohen Stromspeichermengen und sehr hohen Betriebsströmen arbeiten, sind diese Nachteile übermäßig stark ausgeprägt.

[0005] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Verbesserung der Genauigkeit einer Strommessung auf einer Gleichstromseite eines Inverters zur Verfügung zu stellen.

[0006] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Bestimmungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Verwendung nach Anspruch 8, eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9, sowie ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sowie dem erfindungsge-

mäßen Computerprogrammprodukt und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0007] Erfindungsgemäß dient ein Bestimmungsverfahren der Bestimmung eines DC-Stromwertes auf der DC-Seite eines Inverters. Ein solches Bestimmungsverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus: - Erfassen eines AC-Stromwerts für wenigstens zwei Phasen auf einer AC-Seite des Inverters, - Erfassen eines DC-Spannungswertes auf der DC-Seite des Inverters, - Bestimmen eines DC-Stromwertes auf Basis des erfassten AC-Stromwertes und des erfassten DC-Spannungswertes unter Verwendung einer kalibrierten AC-DC-Beziehung,

[0008] wobei der erfasste AC-Stromwert (ACI) einer Frequenzanalyse unterzogen wird zur Bestimmung von AC-Rippelstromwerten (ACR), wobei die Bestimmung des DC-Stromwertes (DCI) auf Basis der bestimmten AC-Rippelstromwerte (ACR) und des erfassten DC-Spannungswertes (DCU) unter Verwendung der kalibrierten AC-DC-Beziehung (ADB) erfolgt.

[0009] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird hinsichtlich der gemessenen Werte und der Seiten des Inverters aus elektrischer Sicht zwischen Gleichstrom und Wechselstrom unterschieden. Der Inverter kann also im Sinne der vorliegenden Erfindung auch als ein Umrichter zwischen Wechselstrom und Gleichstrom verstanden werden. Insbesondere stellt der Inverter eine bidirektionale Umrichterfunktionalität zur Verfügung. Im Rahmen dieser Anmeldung werden alle auf der Gleichstromseite bestimmten Messwerte mit dem Kürzel DC bezeichnet. In gleicher Weise wird alles, was auf der Wechselstromseite geschieht und gemessen wird mit dem Kürzel AC versehen.

[0010] Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht nun darauf, eine höhere Genauigkeit in der Bestimmung eines DC-Stromwerts zur Verfügung zu stellen. Der auf der Gleichstromseite und damit der DC-Seite des Inverters zu bestimmende Stromwert in Form des Gleichstroms als DCStromwert soll jedoch hier nur in indirekter Weise gemessen werden. Diese indirekte Messweise basiert auf einem Zusammenhang des DC-Stromwertes mit einem entsprechenden Stromwert auf der Gleichstromseite, nämlich dem AC-Stromwert. Die Messung auf der Wechselstromseite und damit der AC-Seite des Inverters ist deutlich einfacher und kostengünstiger möglich, da die Bestimmung eines Wechselstroms mit entsprechend geringeren Einflüssen einhergeht. Insbesondere werden für eine Wechselstrommessung weniger konstruktiver Aufwand und insbesondere auch keine oder nur geringere Kühlleistungen erforderlich sein. Auch sind üblicherweise bei einer Vielzahl von Elektrovorrichtungen auf der Wechselstromseite und damit auf der AC-Seite des Inverters bereits Strommessvorrichtungen angeordnet, sodass die Erfassung eines ACStromwertes auf bestehender Sensorik aufsetzen kann.

[0011] Als zweiter Messwert wird erfindungsgemäß der DC-Spannungswert erfasst. Einen DCSpannungswert zu erfassen, ist im Vergleich zur Erfassung eines DC-Stromwerts relativ einfach, so dass auf bestehende technische Lösungen zurückgegriffen werden kann. Auch wenn es sich hier um die Gleichstromseite des Inverters und damit die DC-Seite handelt, kann durch einfaches Abgreifen an zwei Punkten die Spannung auf der DC-Seite relativ einfach und vor allem mit geringem Einfluss auf die elektrischen Verhältnisse auf der DC-Seite des Inverters erfasst werden. Somit wird es nun möglich, zwei relativ einfache Erfassungsschritte für den AC-Stromwert und den DC-Spannungswert als Ausgangspunkt für ein erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren einzusetzen.

[0012] Von diesen beiden Ausgangspunkten wird nun eine Bestimmung des DC-Stromwertes durchgeführt. Diese Bestimmung kann auch als indirekte Messung des DC-Stromwertes verstanden werden, da sie im Gegensatz zu einer direkten Messung mit Strommessmitteln auf der DCSeite des Inverters steht. Diese indirekte Bestimmung kann also insbesondere frei von jeglichen physischen Strommesssensoren auf der DC-Seite des Inverters zur Verfügung gestellt werden. Um dies zu gewährleisten, verwendet der Bestimmungsschritt eines erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens eine kalibrierte AC-DC-Beziehung. Darunter ist ein Zusammenhang zu verste-

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hen, welcher die vermessenen Werte AC-Stromwert und DC-Spannungswert mit einem damit korrelierenden DC-Stromwert in eine Beziehung setzt. Die Bedeutung einer kalibrierten AC-DCBeziehung bezieht sich darauf, dass diese Kalibrierung insbesondere spezifisch für den jewelligen Inverter und/oder die jeweilige Einsatzsituation an einer Elektrovorrichtung ist. So kann zum Beispiel auf einem Prüfstand, am Ende einer Produktionslinie, aber auch durch die Verwendung von Simulationsmodellen, eine solche kalibrierte AC-DC-Beziehung aufgestellt werden. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der AC-DC-Beziehung um ein Kennfeld. Jedoch können auch algorithmische Beziehungen, physikalische Zusammenhänge, komplexe algorithmische Funktionalitäten bis hin zur Verwendung gewichteter neuronaler Netze und sogenannter künstlicher Intelligenz (Kl), Einsatz finden. Der Kerngedanke wird durch jede dieser Ausführungsformen grundsätzlich zur Verfügung gestellt.

[0013] Die kalibrierte AC-DC-Beziehung kann dabei zum Beispiel durch ein Vermessen, eine Kombination mit Simulationen, aber auch mit der Programmierung algorithmischer und physikalischer Zusammenhänge zur Verfügung gestellt werden. Bevorzugt ist es, wie später noch erläutert, wenn die AC-DC-Beziehung auf Basis einer Standardbeziehung am Ende einer Produktionslinie oder auf einem Prüfstand kalibriert und damit für den Einsatz in den Bestimmungsverfahren konfiguriert wird.

[0014] Erfindungsgemäß wird es nun also möglich, relativ einfach und kostengünstig elektrische Werte zu bestimmen, die insbesondere auf Basis von Messsensorik zur Verfügung stehen, welche in der Elektrovorrichtung grundsätzlich bereits für die Betriebsfunktionalität vorhanden sind. Dabei handelt es sich um den AC-Stromwert und den DC-Spannungswert. Diese werden nun unter der Verwendung der kalibrierten AC-DC-Beziehung herangezogen, um den DC-Stromwert zu bestimmen. Hierfür werden die erfassten Werte in Form des AC-Stromwerts und des DCSpannungswertes zum Beispiel in eine algorithmisch ausgestaltete AC-DC-Beziehung eingesetzt, eine Umformung in einem Kennfeld durchgeführt oder als Eingangsparameter für eine Kl| verwendet. Diese kalibrierte AC-DC-Beziehung gibt auf Basis dieser Eingabewerte und damit des AC-Stromwerts und des DC-Spannungswerts nun den zugehörigen korrelierenden DC-Stromwert als Ausgabewert aus. Mit anderen Worten wird nun eine indirekte Messung des DC-Stromwerts über eine direkte Messung des AC-Stromwerts und des DC-Spannungswertes möglich.

[0015] Durch diese indirekte Messmöglichkeit werden mehrere Vorteile erzielt. Zum einen kann auf eine direkte Messung des DC-Stromwertes verzichtet werden. Bisher verwendete ShuntMesssysteme werden auf diese Weise vermieden und die entsprechende Komplexität, das Gewicht, der Kostenaufwand, wie auch der Aufwand für Kühlung und Montage, können hier vermieden werden. Darüber hinaus wird eine erhöhte Genauigkeit erzielt, da die Korrelation in der kalibrierten AC-DC-Beziehung eine deutlich höhere Genauigkeit aus dem Kalibrierverfahren, zum Beispiel vom Prüfstand, mit sich bringt als dies bei einer direkten Messung auf der AC-Seite des Inverters möglich wäre. In Summe wird also eine Reduktion der Komplexität und des Kostenaufwandes mit einer höheren Genauigkeit beim Bestimmen des DC-Stromwertes ermöglicht.

[0016] Vorteile können ebenfalls erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren der erfasste AC-Stromwert einer Frequenzanalyse unterzogen wird zur Bestimmung von AC-Rippelstromwerten, wobei die Bestimmung des DC-Stromwertes auf Basis der bestimmten AC-Rippelstromwerte und des erfassten DC- Spannungswertes unter Verwendung der kalibrierten AC-DC-Beziehung erfolgt. Es ist bekannt, dass durch Frequenzanalyse Rippelströme aus mehrphasigen Stromwerten durch Transformation erhalten werden können. Die Verwendung der Rippelströme erlaubt eine noch genauere Korrelation zu DC-Stromwerten, sodass durch die Frequenzanalyse die Genauigkeit noch weiter verbessert werden kann. Die AC-DC-Beziehung ist bei dieser Ausführungsform entsprechend auf die AC-Rippelstromwerte kalibriert, sodass zum Beispiel beim Erstellen und Kalibrieren der AC-DC-Beziehung in einem Prüfstand ebenfalls die Frequenzanalyse Teil eines solchen Kalibrierverfahrens ist. Dabei kann die Umwandlung in ACRippelstromwerte sowohl ohne Transformation als auch mit einer Transformation zum Beispiel in einer zweidimensionalen DQ-Ebene durchgeführt werden. Hierzu finden sich später noch nähere Erläuterungen.

[0017] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren die Erfassung des AC-Stromwerts für wenigstens drei Phasen, insbesondere für alle Phasen der AC-Seite des Inverters, erfolgt. Handelt es sich bei der Elektrovorrichtung um eine Hochvoltanwendung, beispielsweise ein Elektrofahrzeug, so werden üblicherweise Drehstromsysteme, zum Beispiel mit drei Phasen, vorgesehen. Die Erfassung des AC-Stromwertes für alle diese Phasen, bringt die erfindungsgemäßen Vorteile damit auch für alle Phasen und damit die komplette AC-Seite des Inverters mit sich. Durch die Betrachtung aller Phasen auf der AC-Seite des Inverters wird die Genauigkeit in der Korrelation und damit die Genauigkeit für die Bestimmung des DC-Stromwertes noch weiter erhöht.

[0018] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren die Schritte der Erfassung und der Bestimmung wiederholend, insbesondere kontinuierlich wiederholend, durchgeführt werden. Mit anderen Worten kann das Bestimmungsverfahren auf diese Weise für eine wiederholende oder sogar kontinuierliche Bestimmung des DC-Stromwertes dienen. Auf diese Weise ist es möglich, das Bestimmungsverfahren auch als Überwachungsverfahren oder kontinuierliches Messverfahren auszubilden, sodass in überwachter oder sogar kontinuierlich überwachter Weise, der DC-Stromwert kontinuierlich bestimmt und damit aktualisiert wird. Soll ein solches Bestimmungsverfahren zum Beispiel für ein Batteriemanagementsystem einer Batterievorrichtung einer Elektrovorrichtung eingesetzt werden, so ist die wiederholende Durchführung der Erfassungsschritte und des Bestimmungsschritts mit den entsprechenden Vorteilen eines kontinuierlichen Messverfahrens versehen. Jedoch handelt es sich hierbei dann um ein kontinuilerliches indirektes Messverfahren zur kontinuierlichen, indirekten Messung des DC-Stromwertes mit den beschriebenen Vorteilen dieser indirekten Messung.

[0019] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren für die Bestimmung des DC-Stromwertes wenigstens der erfasste AC-Stromwert in einen zweidimensionalen AC-Stromwert transformiert wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein dreiphasiges, fünfphasiges oder anderes multiphasiges Erfassen der AC-Stromwerte zur Verfügung gestellt werden soll. Die Transformation kann zum Beispiel von drei Phasen in eine zweidimensionale Umgebung stattfinden, sodass die drei Phasen anschließend in einer zweidimensionalen DQ-Ebene dargestellt werden können. Dies kann auch, wie bereits erläutert, mit den genannten AC-Rippelströmen und der entsprechenden Frequenzanalyse kombiniert werden.

[0020] Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren für die kalibrierte AC-DC-Beziehung ein Kalibrierverfahren verwendet wird am Ende eines Produktionsprozesses einer Elektrovorrichtung, aufweisend den Inverter. So kann beispielsweise am Ende einer Produktionslinie bei der Herstellung einer Batterievorrichtung, welche über einen Inverter mit wenigstens einem Elektroverbraucher verbunden ist, diese hinsichtlich der tatsächlichen Ströme vermessen werden. So kann diese Elektrovorrichtung am Ende des Produktionsprozesses mit einer temporären Messmöglichkeit auf der DC-Seite des Inverters versehen werden und entsprechend Lade- und/oder Entladezyklen gefahren werden. Während dieser Entladeund Beladezyklen der Batterievorrichtung erfolgt eine reale Vermessung sowohl auf AC-Seite als auch auf DC-Seite, sodass sich entsprechend eine für diese Elektrovorrichtung reale spezifische Beziehung zwischen den AC-Stromwerten und dem DC-Spannungswert einerseits sowie dem DC-Stromwert andererseits ausbildet. Im einfachsten Fall kann auf diese Weise die AC-DC-Beziehung als Kennfeld kalibrieren und damit konfiguriert werden, welches später in den Bestimmungsverfahren eingesetzt werden kann. Jedoch ist es auch möglich, dass diese Kalibrierverfahren mehrfach für mehrere, gleiche Elektrovorrichtungen einmalig kalibriert werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn in aufwendigeren Prüfstandsversuchen einer solchen Elektrovorrichtung die AC-DC-Beziehung auf algorithmische oder funktionale Zusammenhänge, aber auch unter Nutzung von Simulationsinformationen, begründet wird. Nicht zuletzt kann im Rahmen von Prüfstandsversuchen an einer solchen Elektrovorrichtung auch eine ausreichend große Datenbasis geschaffen werden, um ein Trainingsverfahren und ein maschinelles Lernverfahren an einer Kl durchzuführen, welche anschließend einen Teil oder die vollständige kalibrierte AC-DCBeziehung ausbildet.

[0021] Ein weiterer Vorteil wird dadurch erzielt, dass bei einem erfindungsgemäßen Bestim-

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mungsverfahren bei der Bestimmung des DC-Stromwertes wenigstens ein Betriebsparameter des Inverters und/oder einer den Inverter aufweisenden Elektrovorrichtung berücksichtigt wird, insbesondere einer der folgenden:

- Alterungszustand,

- Degradationszustand.

[0022] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können auch mehrere Betriebsparameter gemeinsam der Bestimmung des DC-Stromwertes zugrunde gelegt werden. So ist es zum Beispiel bekannt, dass elektrochemische Systeme wie Batterievorrichtungen oder Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen Alterungseffekte aufweisen und je nach Betriebsweise auch einem Verschleiß, sogenannter Degradation, unterliegen. Das bedeutet, dass solche Betriebsparameter, beispielsweise in Form des Gesamtalters, der Ladezyklen der Batterievorrichtung, aber auch der Umgebungsparameter, wie beispielsweise der Temperatur sowie der üblichen Strombereiche, beispielsweise der Vergleich zwischen normalem Laden und schnellem Laden, Unterschiede hinsichtlich der indirekten Messmethodik aufweisen können. Um nun diesen unterschiedlichen Rahmenbedingungen Rechnung zu tragen, kann für eine weitere Steigerung der Genauigkeit eines erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens eine Berücksichtigung dieser Betriebsparameter erfolgen. Diese können separat oder als Teil der kalibrierten AC-DC-Beziehung berücksichtigt werden. Eine besonders einfache Lösung ist es also, wenn diese Berücksichtigung der Betriebsparameter in die AC-DC-Beziehung im Rahmen des Kalibrierverfahrens integriert worden ist.

[0023] Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren für die kalibrierte AC-DC-Beziehung Kalibrierinformationen aus einem Prüfstandsversuch verwendet werden. Wie bereits angesprochen, können Prüfstandsversuche mit deutlich höherer Genauigkeit und vor allem mit deutlich höherem Messaufwand durchgeführt werden als ein realer Betrieb am Einsatzort einer Elektrovorrichtung. So können Prüfstandsversuche eine sehr große Datenmenge generieren, welcher neben einem einfachen algorithmischen oder funktionalen Zusammenhang, auch eine Datenbasis für ein maschinelles Lernverfahren bieten können. Somit können kalibrierte AC-DC-Beziehungen entweder durch den Prüfstandsversuch und/oder auch in Kombination, mit einer End-of-Line-Kalibrierung kombiniert werden. In allen Fällen führt dies dazu, dass die AC-DC-Beziehung noch genauer in kalibrierter Weise die gewünschte Korrelation zwischen dem erfassten AC-Stromwert und dem erfassten DC-Stromwert und andererseits dem zu bestimmenden DC-Stromwert zur Verfügung stellt.

[0024] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens wobei es für eine Batteriekontrollvorrichtung eingesetzt wird, insbesondere zur Kontrolle einer Batterievorrichtung wenigstens einer der folgenden Elektrovorrichtungen:

- Elektrofahrzeug,

- Hybridfahrzeug,

- Luftfahrzeug,

- Elektrolyseur.

[0025] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Grundsätzlich sind insbesondere solche Elektrovorrichtungen für einen Einsatz eines Bestimmungsverfahrens auszuwählen, welche mit entsprechend hohen Strömen für die Lade- und Entladezyklen der Batterievorrichtung ausgestattet sind. Dies kann zum Beispiel bei den entsprechend hohen elektrischen Leistungen beim Betrieb von Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder Luftfahrzeugen der Fall sein. Jedoch können auch bei Drohnen, Marineeinsatzzwecken, Elektrolysesystemen oder Brennstoffzellensystemen solche Situationen auftreten, sodass auch dort ein Bestimmungsverfahren die beschriebenen Vorteile mit sich bringen kann.

[0026] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Messvorrichtung für eine Bestimmung eines DC-Stromwertes auf einer DC-Seite eines Inverters. Eine solche Messvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Erfassungsmodul vorgesehen ist zum Erfassen eines AC-Stromwertes für wenigstens zwei Phasen auf einer AC-Seite des Inverters und zum Erfassen eines DC-Spannungswertes auf einer DC-Seite des Inverters. Weiter weist die Messvorrichtung

ein Bestimmungsmodul auf, zum Bestimmen eines DC-Stromwertes auf Basis des erfassten ACStromwertes und des erfassten DC-Spannungswertes unter Verwendung einer kalibrierten ACDC-Beziehung. Das Erfassungsmodul und das Bestimmungsmodul sind dabei vorzugsweise für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens ausgebildet. Damit bringt eine erfindungsgemäße Messvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren erläutert worden sind.

[0027] Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung diese frei von einem Shunt auf der DC-Seite des Inverters ausgebildet ist. Auch wenn andere Sensoren denkbar wären, würden solche mit der benötigten Genauigkeit zu groß und/oder zu teuer sein. Dies wird erst dadurch möglich, dass durch das Bestimmungsverfahren der vorliegenden Erfindung eine indirekte Messmöglichkeit zur Verfügung gestellt wird. Durch diese indirekte Messmöglichkeit ist eine direkte Messung nicht mehr benötigt, sodass die entsprechenden direkten Messsensoren, zum Beispiel ein Shunt, nicht mehr notwendig und damit verzichtbar sind. Dies zeigt nochmals deutlich, wie der Kostenaufwand, die Bauteilanzahl, aber auch der benötigte Bauraum für eine erfindungsgemäße Messvorrichtung reduziert werden können.

[0028] Weiter von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung das Erfassungsmodul wenigstens teilweise in den Inverter integriert ist. Während bereits bekannte Systeme die entsprechenden Sensormittel aufweisen können, ist insbesondere eine Integration dieser Sensormitteln in den Inverter von Vorteil. Dies führt zu einer Reduktion des Produktionsaufwandes der Messvorrichtung und auch zu einer Reduktion des notwendigen Bauraumbedarfs.

[0029] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer bewirken, dass die erfindungsgemäße Messvorrichtung das erfindungsgemäße Messverfahren durchzuführt. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren, wie auch mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Messvorrichtung, erläutert worden sind.

[0030] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

[0031] Fig. 1 eine Ausführungsform einer Elektrovorrichtung bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens,

[0032] Fig. 2 eine erfindungsgemäße Messvorrichtung, [0033] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung und

[0034] Fig. 4 eine mögliche Nutzung von AC-Rippelstromwerten und eine Umformung in eine zweidimensionale Ebene.

[0035] Fig. 5 Normierten Amplituden der Stromschwingungen werden über den Rotorwinkel angezeigt und als Vektor-Trajektorie auf der DQ-Ebene dargestellt.

[0036] Figur 1 zeigt schematisch eine Anwendungssituation eines erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens. Hierfür ist hier eine Elektrovorrichtung 100 dargestellt, welche beispielsweise ein Elektrofahrzeug sein kann. Um einen Verbraucher 130, zum Beispiel einen Elektromotor, mit der benötigten elektrischen Leistung zu versorgen, ist Stromfluss notwendig. Der Stromfluss wird, und damit die elektrische Energie, aus einer Batterievorrichtung 120 zur Verfügung gestellt. Die Batterievorrichtung 120 befindet sich im Gleichstrombetrieb, während der Verbraucher 130 sich im Wechselstrombetrieb befindet. Aufgrund dieser unterschiedlichen Betriebsweisen ist ein Inverter 110 in Form eines Umrichters zwischen diese beiden Komponenten geschaltet. Mit anderen Worten wird nun Strom von der Batterievorrichtung 120 als Gleichstrom zum Inverter 120 fließen, dort umgerichtet in Wechselstrom und als Wechselstrom nun die gewünschte elektrische Leistung am Verbraucher 130, in Form des Elektromotors, zur Verfügung stellen.

[0037] Für diese Entladezyklen ist es besonders vorteilhaft eine möglichst genaue Information

über die Strommenge auf der Gleichstromseite und damit der DC-Seite DCS des Inverters 110 zu haben. Hier ist in dieser Figur 1 noch dargestellt wie diese Information ohne eine direkte Messung des DC-Stromwertes DCI bestimmt werden kann.

[0038] Um dies zur Verfügung zu stellen, sind zwei reale Sensormittel notwendig. Dabei handelt es sich zum einen um eine DC-Spannungsmessvorrichtung 22, welche einen Spannungsunterschied auf der DC-Seite DCS des Inverters 110 abgreifen kann. Es wird also ein DC-Spannungswert DCU gemessen und kann entsprechend von der DC-Spannungsmessvorrichtung 22 an die Batteriekontrollvorrichtung 122 weitergegeben werden. In ähnlicher Weise erfolgt über eine direkte Vermessung des AC-Stromwertes ACI mittels der AC-Strommessvorrichtung 24 eine Bestimmung dieses AC-Stromwertes ACI, insbesondere aufweisend wenigstens zwei Phasen, und Weitergabe ebenfalls an die Batteriekontrollvorrichtung 122. Die Batteriekontrollvorrichtung 122 kann die zum Beispiel in der Figur 2 näher dargestellte Messvorrichtung 10 aufweisen. Unter Verwendung der kalibrierten AC-DC-Beziehung wird nun in Form einer indirekten Messwertausgabe der DC-Stromwert DCI ausgegeben und kann, nicht dargestellt, zum Beispiel an eine separate Leistungserfassung, Batterieüberwachung, Inverterkontrolleinheit oder ähnliche Kontrollmodule weitergegeben werden. Wie aus der Figur 1 gut zu erkennen ist, erfolgt nun die Bestimmung in Form einer indirekten Messung für den DC-Stromwert DCI, ohne, dass dieser tatsächlich auf der DC-Seite DCS des Inverters 110 bestimmt werden muss.

[0039] Die Figur 2 zeigt eine Messvorrichtung 10 zur Ausführung dieses Verfahrens. Im einfachsten Fall sind hier die beiden Module vorgesehen, sodass mit Hilfe des Erfassungsmoduls 20, zum Beispiel mit einer DC-Spannungsmessvorrichtung 22 und einer AC-Strommessvorrichtung 24 die benötigten Eingangsparameter in Form des DC-Spannungswertes DC und des AC-Stromwertes ACI erfasst werden können. Diese beiden Parameter werden weitergegeben an das Bestimmungsmodul 30, welches unter Benutzung der AC-DC-Beziehung ADB nun in indirekter Weise eine Messung in Form einer Bestimmung des DC-Stromwertes DCI zur Verfügung stellt.

[0040] Die Figur 3 bildet die Ausführungsform der Figur 2 weiter. Hier wird eine zusätzliche Frequenzanalyse des erfassten AC-Stromwertes ACI durchgeführt, sodass sich entsprechend ein AC-Rippelstromwert ACR ergibt. Die nachfolgende Bestimmung des DC-Stromwerts DCI wird nun unter Nutzung dieses AC-Rippelstromwerts ACR sowie wiederum des DC-Spannungswertes DCU durchgeführt. Durch die Umsetzung auf einen AC-Rippelstromwert wird eine Genauigkeitssteigerung bei der Durchführung des Bestimmungsverfahrens ermöglicht.

[0041] In der Figur 4 sind schematisch nochmals die Zusammenhänge dargestellt. Hier ist eine Umsetzung in sowohl unter Nutzung einer AC-Rippelstromwerttransformation zu erkennen als auch unter Nutzung einer Umsetzung in eine zweidimensionale Ebene. Im oberen Teil des Diagramms ist ein dreiphasiger Sinusstrom zu erkennen. Dieser ist jeweils mit seinen Phasen versetzt und bildet einen Drehstrom aus. Um diesen Drehstrom nun auf der Wechselstromseite mit einer Gleichstromseite zu korrelieren, wird hier in einem ersten Schritt eine Transformation der drei Phasen in eine zwei-phasige Ebene, die sogenannte DQ-Ebene, durchgeführt. Dabei handelt es sich um die beiden mittleren Stromwerte, welche durch die Transformation aus den drei Phasen hervorgehen. Diese Transformation zeigt auch die einzelnen AC-Rippelströmen ACR. Diese stehen nun wieder in einer Korrelation, welche hier aus einer nicht näher dargestellten AC-DCBeziehung ADB bereits ermittelt worden ist und bilden dementsprechend eine schwankende DCStromwertkurve DCI am unteren Ende des Diagramms aus.

[0042] Zusätzlich zu der zuvor dargestellten Transformation in 3 Phasen in Figur 4, verallgemeinert Figur 5 dies in der DQ-Ebene für eine beliebige Anzahl von Phasen (als Beispiel existieren Entwürfe von Wechselrichtern mit 5, 6, 9, 12 Phasen).

[0043] Der obere Teil zeigt die normalisierten Amplituden der Stromschwingungen, dargestellt über dem Rotorwinkel. Der Gleichstromanteil ist der fundamentale Teil aller Stromphasen, der nach der Park-Transformation erhalten wird. Die Id- und Ig-Harmonische wurden aus Gründen der Klarheit vom Gleichstromanteil getrennt.

[0044] Der untere Teil von Figur 5 zeigt den harmonischen Teil derselben Information als Vek-

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tortrajektorie in der DQ-Ebene. Steigende Erregung und sich ändernder Phasenwinkel beeinflussen die Vektortrajektorie. Dies ermöglicht die Kalibrierung der AC-DC-Beziehung (ADB) zu den Harmonischen in der DQ-Ebene bei verschiedenen Amplituden und Frequenzen. Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Messvorrichtung

20 Erfassungsmodul

22 DC-Spannungsmessvorrichtung 24 AC-Strommessvorrichtung

30 Bestimmungsmodul

100 Elektrovorrichtung

110 Inverter

120 Batterievorrichtung

122 Batteriekontrollvorrichtung 130 Verbraucher

DC! DC-Stromwert DCU DC-Spannungswert DCS DC-Seite

ACI AC-Stromwert ACS AC-Seite

ACR AC-Rippelstromwert ADB AC-DC-Beziehung

Claims (12)

Patentansprüche

1. Bestimmungsverfahren für eine Bestimmung eines DC-Stromwerts (DCI) auf einer DC-Seite (DCS) eines Inverters (110), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Erfassen eines AC-Stromwerts (ACl) für wenigstens zwei Phasen auf einer AC-Seite (ACI) des Inverters (110),

- Erfassen eines DC-Spannungswertes (DCU) auf der DC-Seite (DCS) des Inverters (110),

- Bestimmen eines DC-Stromwertes (DCI) auf Basis des erfassten AC-Stromwertes (ACI) und des erfassten DC-Spannungswertes (DCU) unter Verwendung einer kalibrierten AC-DC-Beziehung (ADB),

wobei der erfasste AC-Stromwert (ACl) einer Frequenzanalyse unterzogen wird zur Bestimmung von AC-Rippelstromwerten (ACR), wobei die Bestimmung des DC-Stromwertes (DCI) auf Basis der bestimmten AC-Rippelstromwerte (ACR) und des erfassten DC-Spannungswertes (DCU) unter Verwendung der kalibrierten AC-DC-Beziehung (ADB) erfolgt.

2. Bestimmungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung des AC-Stromwertes (ACI) für wenigstens drei Phasen, insbesondere für alle Phasen der AC-Seite (ACS) des Inverters (110) erfolgt.

3. Bestimmungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte der Erfassung und der Bestimmung wiederholend, insbesondere kontinuierlich wiederholend, durchgeführt werden.

4. Bestimmungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung des DC-Stromwertes (DCI) wenigstens der erfasste ACStromwert (ACI) in einen zweidimensionalen AC-Stromwert (ACI) transformiert wird.

5. Bestimmungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die kalibrierte AC-DC-Beziehung (ADB) ein Kalibrierverfahren verwendet wird am Ende eines Produktionsprozesses einer Elektrovorrichtung (100), aufweisend den Inverter (110).

6. Bestimmungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des DC-Stromwertes (DC!) wenigstens ein Betriebsparameter des Inverters (110) und/oder einer den Inverter (110) aufweisenden Elektrovorrichtung (100) berücksichtigt wird, insbesondere einer der folgenden:

- Alterungszustand - Degradationszustand

7. Bestimmungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekenn-

zeichnet, dass für die kalibrierte AC-DC-Beziehung (ADB) Kalibrierinformationen aus einem Prüfstandsversuch verwendet werden.

8. Verwendung eines Bestimmungsverfahrens nach Anspruch 1, wobei es für eine Batteriekontrollvorrichtung (122) eingesetzt wird, insbesondere zur Kontrolle einer Batterievorrichtung (120) wenigstens einer der folgenden Elektrovorrichtungen (100):

- Elektrofahrzeug - Hybridfahrzeug - Luftfahrzeug - Elektrolyseur

9. Messvorrichtung (10) für eine Bestimmung eines DC-Stromwerts (DC) auf einer DC-Seite (DCS) eines Inverters (110), gekennzeichnet durch ein Erfassungsmodul (20) zum Erfassen eines AC-Stromwerts (AClI) für wenigstens zwei Phasen auf einer AC-Seite (ACS) des

Inverters (110) und zum Erfassen eines DC-Spannungswertes (DCU) auf der DC-Seite (DCS) des Inverters (110), weiter aufweisend ein Bestimmungsmodul (30) zum Bestimmen

eines DC-Stromwertes (DC) auf Basis des erfassten AC-Stromwertes (ACI) und des erfassten DC-Spannungswertes (DCU) unter Verwendung einer kalibrierten AC-DC-Beziehung (ADB), wobei das Erfassungsmodul (20) und das Bestimmungsmodul (30) für eine Ausführung eines Bestimmungsverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet sind.

10. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese frei von einem Shunt auf der DC-Seite (DCS) des Inverters (110) ausgebildet ist.

11. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungsmodul (20) wenigstens teilweise in den Inverter (110) integriert ist.

12. Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer bewirken, dass eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9, insbesondere mit einem der Merkmale der Ansprüche 10 und 11, die Schritte eines Bestimmungsverfahrens nach Anspruch 1, insbesondere mit den Merkmalen eines der Ansprüche 2 bis 7, ausführt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

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