CN103891125B - 一种用于异步电机的逆变单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有至少一个输出端的逆变单元（90）。该输出端能够连接到异步电机（13）的线圈上。该逆变单元（90）被设置用于，在其输出端处提供多个电压等级。

Description

一种用于异步电机的逆变单元
技术领域
本发明涉及一种用于异步电机的逆变单元以及包括根据本发明的逆变单元的蓄电池和驱动单元。
背景技术
在将来，不仅在静态应用中，而且在例如混合动力车辆和电动车辆的车辆中，都将更多地使用蓄电池***。为了能够满足对于各种应用所给出的对电压和可提供的功率的要求，串联连接大量的蓄电池单池。因为由这种蓄电池所提供的电流必须流过所有的蓄电池单池并且一个蓄电池单池只能够传导有限的电流，所以经常并联连接额外的蓄电池单池，以便提高最大的电流。这能够要么通过在蓄电池单池壳体内设置多个单池线圈要么通过外部连接多个蓄电池单池来实现。但是，在此有问题的是，由于不完全一致的单池容量和单池电压能够导致在串联连接的蓄电池单池之间的平衡电流。
在图1中示出了常见的电驱动单元的原理电路图，其例如在电动或者混合动力车辆或者还在例如风力发电设备的转子叶片调节的静态应用中使用。蓄电池10连接到平衡电压中间电路上，该平衡电压中间电路由中间电路电容11缓冲。在该平衡电压中间电路上连接有脉冲逆变器12，其通过相应的两个可控的半导体阀和两个二极管在三个抽头点14-1、14-2、14-3上为电的驱动电机13的运行提供相互相位偏移的正弦电流。该中间电路电容11的容量必须足够大，以使得在平衡电压中间电路中的电压在一段时间内保持稳定，在这段时间内可控的半导体阀中的一个被接通。在例如电动车辆的实际应用中产生mF范围内的高的容量。
如果在图1中所示的作为电驱动电机13的装置使用异步电机，那么不利的是，由于在该异步电机的转子中的涡流损耗在高的转数的情况下可达到的功率受到限制。这种损耗由电流中的强烈的谐波造成，该谐波由脉冲逆变器12的高的电位差和因此出现的随着时间的电流变化的高的数值造成。为了减少这种损耗，当前常见的是，在脉冲逆变器12和异步电机13之间连接滤波器15，如图2中所示。通过该滤波器15电流中的谐波得以减小，从而该损耗得以减少并且在高的转数的情况下的运行才可能变得有意义。然而该滤波器15大幅提高了所要求的控制线路的复杂性、需要结构空间并且还意味着很大的成本因素。
发明内容
根据本发明提供了一种具有至少一个输出端的逆变单元。该逆变单元的输出端能够连接到异步电机的线圈上，并且该逆变单元被设置用于，在其输出端处提供多个电压等级。因此可能的是，使如图2中所示的没有滤波器的中间电路的高转数的异步电机运行，而在该异步电机中不产生值得一提的涡流损耗。因此该异步电机在高的转数或者高的功率的情况下运行变得可能。因为相比于同步电机，异步电机是非常便宜的并且通过使用根据本发明的逆变单元能够免去额外的滤波器，所以总体来说存在提供价格低廉的电的驱动单元的可能性。
优选地，该逆变单元被设置用于，在其输出端提供预先确定的频率的基本上为正弦状的电压信号。因为在逆变单元的输出端处的电压为分级可调节的，所以只能近似地实现正弦状的变化。然而在本发明的范围内这足以提供电压信号，通过使用足够多的数量的电压等级该电压信号如此强烈地接近理想的正弦状变化，使得该异步电机的功能性不会受到影响并且在该异步电机的线圈中的电流的随着时间的变化不会过大。
通常该逆变单元包括三个输出端，这三个输出端能够连接到在异步电机的定子中的通常使用的三个线圈上。
在本发明一个优选的实施方式中规定，逆变单元包括至少一个具有多个串联连接的蓄电池模块的蓄电池模块组。每个蓄电池模块包括至少一个蓄电池单池、至少一个耦合单元、第一连接端和第二连接端。该多个蓄电池模块中的每个被构造用于，根据对耦合单元的控制占据至少两个开关状态中的一个。在此不同的开关状态对应于在蓄电池模块的第一连接端和第二连接端之间的不同的电压值，即其能够量取在第一连接端和第二连接端之间的不同的电压。
耦合单元的不同的实施能够有利地得到应用。在第一实施方式中耦合单元构造用于，根据第一控制信号在第一连接端和第二连接端之间连接至少一个蓄电池单池以及根据第二控制信号连接第一连接端和第二连接端。
在另一个实施方式中蓄电池模块被构造用于，根据对耦合单元的控制可选地占据至少三个开关状态中的一个。在第一开关状态中蓄电池模块的第一连接端和第二连接端相连接。在第二开关状态中在第一连接端和第二连接端之间的至少一个蓄电池单池以第一（例如正的）极性连接。在第三开关状态中在第一连接端和第二连接端之间的至少一个蓄电池单池以与第一极性相反的（在同样的例子中负的）极性连接。
蓄电池模块或者耦合单元的不同实施方式也能够混合地存在于一个蓄电池模块组中。
在本发明的另一个实施方式中逆变单元包括具有至少一个输出端的多级逆变器。该多级逆变器的输出端构成该逆变单元的输出端。
两个上述的逆变单元的实施方式也能够如下地结合，使得该逆变单元包括具有上述蓄电池模块的蓄电池模块组并且在该蓄电池模块组上布置有多个中心抽头点。在这些中心抽头点上能够量取在每两个蓄电池模块的连接处的电位。该多级逆变器的多个输入端与这些中心抽头点相连接。
本发明的另一方面涉及一种蓄电池，优选地涉及一种锂离子蓄电池，其具有至少一个根据本发明的逆变单元。本发明的另一方面涉及一种驱动单元，其具有至少一个异步电机以及至少一个根据本发明的逆变单元或者一个具有根据本发明的逆变单元的蓄电池。在此逆变单元的输出端连接到异步电机的线圈上。
本发明的另一方面涉及一种机动车，其具有根据本发明的驱动单元。
总体来说通过根据本发明的逆变单元提供了一种装置，在该装置中额定电压和实际在该逆变单元的输出端上量取的电压之差小于根据现有技术的在逆变单元上的两者之差。
附图说明
根据附图和下文的描述进一步阐明本发明的实施例，其中相同的附图标记表示相同的或者功能相似的部件。其中：
图1和图2分别示出了根据现有技术的电驱动单元；
图3示出了在根据本发明的逆变单元中可使用的耦合单元；
图4示出了耦合单元的第一实施方式；
图5示出了耦合单元的第二实施方式；
图6示出了在简单的半导体电路中的耦合单元的第二实施方式；
图7和图8示出了在蓄电池模块中的耦合单元的两种结构；
图9示出了在图7中所示的结构中的在图6中所示的耦合单元；
图10示出了具有根据本发明的第一实施方式的逆变单元的电驱动单元；
图11示出了在图10中示出的逆变单元通过控制器的控制；
图12示出了耦合单元的一种实施方式，该耦合单元实现了在蓄电池模块的连接端之间施加具有可选择的极性的电压；
图13示出了具有在图12中所示的耦合单元的蓄电池模块的一种实施方式；
图14示出了具有根据本发明的第二实施方式的逆变单元的电驱动单元；
图15示出了四等级的多级逆变器的示例，其在根据本发明的第二实施方式的逆变单元中是可使用的；以及
图16示出了施加在根据本发明的逆变单元的输出端上的电压随着时间的变化。
具体实施方式
图3示出了可用于根据本发明的逆变单元90中的耦合单元30。该耦合单元30含有两个输入端31和32以及一个输出端33并且被构造用于，将输入端31或32中的一个与输出端33连接而另一个则断开。此外在特定的实施方式中耦合单元30被构造为，两个输入端31、32均与输出端33分离。而不是规定，不仅将输入端31而且将输入端32与输出端33连接。
图4示出了耦合单元30的第一实施方式，该耦合单元30具有换接开关34，其原则上能够使两个输入端31、32中的仅仅一个与输出端33相连接，而另一个输入端31、32与输出端33断开。该换接开关34能够尤其简单地作为电机的开关实现。
图5示出了耦合单元30的第二实施方式，其中设置了第一和第二开关35或者36。多个开关35、36中的每个均连接在输入端31或32中的一个和输出端33之间。与图4的实施方式相反该实施方式提供了以下优点，即两个输入端31、32也能够都与输出端33断开，使得输出端33变成高电阻的。再者，开关35、36能够简单地作为例如金属-氧化物-半导体-场效应晶体管（MOSFET）开关或者绝缘栅双极型晶体管（IGBT）开关的半导体开关实现。半导体开关具有有利的价格和高开关速度的优点，使得耦合单元30在短时间内能够对控制信号或者控制信号的变化做出反应并且可实现的高切换率。
图6示出了在简单的半导体电路中的耦合单元的第二实施方式，其中多个开关35、36中的每个分别由可打开和可关闭的半导体阀门和与之反向连接的二极管组成。
图7和图8示出了在蓄电池模块40中的耦合单元30的两个结构。多个蓄电池单池41串联连接在耦合单元30的输入端之间。但是本发明不限于这种蓄电池单池的串联电路，其也能够仅仅设置单个的蓄电池单池或多个蓄电池单池的并联电路或串联并联混合电路。在图7的示例中耦合单元30的输出端与第一连接端42连接而多个蓄电池单池41的负极与第二连接端43连接。然而如图8中的对称的结构是可能的，其中多个蓄电池单池41的正极与第一连接端42连接而耦合单元30的输出端与第二连接端43连接。
图9示出了在图7中所示的结构中的在图6中所示的耦合单元30。通过与未示出的控制器连接的信号线44实现对耦合单元30的控制和诊断。总体来说这是可能的，在蓄电池模块40的多个连接端42和43之间要么调节到0伏要么调节到电压Umod。
图10示出了带有异步电动机或者异步电机13并且带有根据本发明的第一实施方式的逆变单元90的电驱动单元。
在异步电机13的定子（定片）中三个线圈如此布置，使得在相应的控制中形成磁性的旋转磁场。异步电机13的转子（转片）由各个导体组成，这些导体并联于转轴延伸并且要么在其端部彼此短路要么通过集电环导出产生的电流。
在运行期间在定子的线圈中产生的磁性的旋转磁场在转子的导线中减少电压，该电压导致了电流流。在该电流流与磁场的共同作用下形成了转矩，使得转子转动。
与同步电机的情况相反，异步电机中的转子原则上不能达到磁场的转数，而是与之不同。
在图10中示出的异步电机13的三个线圈与三个蓄电池模块组50-1、50-2、50-3的端部连接，这三个蓄电池模块组共同形成了根据本发明的第一实施方式的逆变单元90。这三个蓄电池模块组50-1、50-2、50-3中的每个均由多个串联连接的蓄电池模块40-1、…、40-n组成，该多个蓄电池模块分别包括耦合单元30并且如图7或图8所示地构建。在将多个蓄电池模块40-1、…、40-n组合成多个蓄电池模块组50-1、50-2、50-3中的一个时，蓄电池模块40-1、…、40-n的第一连接端42分别与相邻的蓄电池模块40-1、…、40-n的第二连接端43连接。通过这种方式能够在三个蓄电池模块组50-1、50-2、50-3的每个中均产生分级的输出电压。
在图11中示出的控制器60被构造用于，在这三个蓄电池模块组50-1、50-2、50-3中通过数据总线61向数量可变的多个蓄电池模块40-1、…、40-n输出第一控制信号，通过该第一控制信号被这样控制的多个蓄电池模块40-1、…、40-n的多个耦合单元30将蓄电池单池（或者多个蓄电池单池）41连接在相应的蓄电池模块40-1、…、40-n的第一连接端42和第二连接端43之间。同时该控制器60向其余的蓄电池模块40-1、…、40-n输出第二控制信号，通过该第二控制信号这些其余的蓄电池模块40-1、…、40-n的多个耦合单元30连接到相应的蓄电池模块40-1、…、40-n的第一连接端42和第二连接端43，从而跨接多个蓄电池单池41。
因此通过合理地控制在这三个蓄电池模块组50-1、50-2、50-3中的多个蓄电池模块40-1、…、40-n能够产生三个正弦状的输出电压，在这三个输出电压之间存在120°的相位偏移。因此在异步电机13的定子的线圈中流过具有120°的相位偏移的正弦状的电流。
在另一个实施方式中规定，在这三个蓄电池模块组50-1、50-2、50-3中使用的蓄电池模块40-1、…、40-n被构造用于，在第一连接端42和第二连接端43之间如此连接其多个蓄电池单池41，使得施加在第一连接端42和第二连接端43之间的电压的极性根据对耦合单元的控制是可选择的。
图12示出了耦合单元70的一种实施方式，该耦合单元实现了这些并且其中设置有第一、第二、第三和第四开关75、76、77和78。第一开关75连接于第一输入端71和第一输出端73之间，第二开关76在第二输入端72和第二输出端74之间，第三开关77在第一输入端71和第二输出端74之间并且第四开关78连接于第二输入端72和第一输出端73之间。
图13示出了带有在图12中所示的耦合单元的蓄电池模块40的一种实施方式。耦合单元70的第一输出端与第一连接端42连接并且耦合单元70的第二输出端与蓄电池模块40的第二连接端43连接。被这样布置的蓄电池模块40具有如下优点，即多个蓄电池单池41能够通过耦合单元70以可选的极性与多个连接端42、43连接，从而能够产生符号不同的输出电压。这也能够是可能的，例如通过闭合开关76和78并且同时断开开关75和77（或者通过断开开关76和78以及闭合开关75和77），使得连接端42和43相互导电地连接并且产生0V的输出电压。因此总体来说可能的是，在蓄电池模块40的连接端42和43之间要么调节到0伏特，要么调节到电压Umod或者要么调到电压-Umod。
图14示出了带有异步电动机或异步电机13并且带有根据本发明的第二实施方式的逆变单元90的电驱动单元，该逆变单元包括多级逆变器80。
该多级逆变器80具有（n+1）个输入端81-1、…、81-（n+1）以及三个输出端82-1、82-2、82-3并且被构造用于，在其多个输出端82-1、82-2、82-3中的每个上输出多个电位中的一个，其分别施加在其多个输入端81-1、…、81-（n+1）中的一个上。该多级逆变器80的多个输出端82-1、82-2、82-3与异步电机13的多个线圈连接。因为大部分可用的电动机被设置为以三个相位信号运转，所以该多级逆变器80优选地具有恰好三个输出端82-1、82-2、82-3。该多级逆变器80的多个输入端81-1、…、81-（n+1）不仅与（n-1）个中心抽头点73-1、…、73-（n-1）连接而且与蓄电池模块组50的电极71、72连接，该蓄电池模块组50与第一实施例中一样包括n个带有多个耦合单元的蓄电池模块40-1、…、40-n。由于多级逆变器80的多个输出端82-1、82-2、82-3的每个处的电位均是可变化的并且取决于在其多个输入端81-1、…、81-（n+1）上的多个电位值并且施加在多个输入端81-1、…、81-（n+1）上的电位值能够再通过对n个蓄电池模块40-1、…、40-n进行合适的控制而调节，所以存在多种可能的蓄电池模块组50和多级逆变器80的控制的组合，其在多级逆变器80的多个输出端82-1、82-2、82-3上产生相同的相位信号，优选地为近似正弦状的交流电压。
因此多级逆变器80的多个输出端82-1、82-2、82-3上的多个相位信号能够以等级调节。通过调节在多级逆变器80的多个输出端82-1、82-2、82-3上的电位的阶梯状的变化能够减少异步电机13中的损耗，因为在本发明提出的结构中在正的和负的中间电路电位之间的常规的切换消失了。通过这种方式实现改善异步电机13的驱动器的电磁兼容性，因为在其多个输入端上的电位的变化更小。由于在多级逆变器80中能够使用带有金属-氧化物-半导体-场效应晶体管（MOSFET）而不是带有绝缘栅电极（IGBT）的双极晶体管，所以同样实现了在根据本发明的结构中改善功率电子设备的效率。
因为为了在多级逆变器80的输出端82-1、82-2、82-3上且同时在异步电机13的线圈中产生预定的相位信号蓄电池模块组50和多级逆变器80的控制存在多种可能的组合，所以该控制能够如下优化，即多个蓄电池模块40能够同时被放电，并且因此例如不出现由于不均匀地使用多个蓄电池单池41而造成电动车辆的行驶里程的不希望的减少。这具有以下优点，即由现有技术已知的多级逆变器的优点，尤其是其高效率，能够用在电驱动器中，而不会造成单个蓄电池模块40的依赖于负载的不同的放电。
图15示出了一种四级多级逆变器的示例，其能够用于根据本发明的逆变单元90并且包括五个输入端81-1、…、81-5以及三个输出端82-1、82-2、82-3，其中后者与异步电机13的多个输入端连接。三个输出端82-1、82-2、82-3上的多个相位信号能够分别通过多个开关元件控制，用于三个输出端82-1、82-2、82-3中的每个的开关元件被安置在三个线路85-1、85-2、85-3的一个中。图15中所示的多级逆变器的工作方式在下文中以线路85-3示例性地描述，线路85-3确定在输出端82-3处的相位信号。
线路85-3包括八个开关元件83-1、…、83-8，其分别由可打开和可关闭的半导体阀门和与之并联连接的二极管组成。该多个开关元件83-1、…、83-8被划分为互补的对（83-1、83-5）、（83-2、83-6）、（83-3、83-7）、（83-4、83-8）。对每个互补的对（83-1、83-5）、（83-2、83-6）、（83-3、83-7）、（83-4、83-8）的控制这样进行，使得当该多个开关元件中的一个被闭合时，与之互补的开关元件被断开。如果以0表示断开状态，以1表示闭合状态，那么像下文一样通过多个开关元件83-1、…、83-8的状态的组合在多级逆变器的输出端82-3上输出电位，该电位等于在多级逆变器80的多个输入端81-1、…、81-5中的一个上的电位：
输出端82-3上的电位=输入端81-1上的电位：11110000；
输出端82-3上的电位=输入端81-2上的电位：01111000；
输出端82-3上的电位=输入端81-3上的电位：00111100；
输出端82-3上的电位=输入端81-4上的电位：00011110；
输出端82-3上的电位=输入端81-5上的电位：00001111。
例如如果选择开关组合00011110，则输出端82-3上的电位等于输入端81-4上的电位，那么对于这种情况，即多个输入端81-1、…、81-5与蓄电池模块组50的抽头点连接，其之间分别仅布置一个蓄电池模块40，根据蓄电池模块40的控制产生相应于0伏和三个模块电压之和的电压，其中该电压能够分级地调节。
图15中所示的多级逆变器通过二极管84的网络以电压界限工作。这有利于蓄电池模块组50的抽头点71、73-1、…、73（n-1）、72在防止多个蓄电池模块40短路的同时，向多个开关元件83-1、…、83-8供电，该短路能够在没有二极管84而直接连接时实现。二极管84必须关于其关断能力进行不同地度量。例如连接在输入端81-2和开关元件83-5之间的二极管84必须采用在多个开关元件83-5、…、83-8的范围内的最大的关断电压。相应的在开关元件83-1、…、83-4的范围内的二极管84上情况是对称的。
在蓄电池模块组50的相邻的抽头点71、72、73之间能够布置一个或多个分别带有耦合单元30或70的蓄电池模块40，耦合单元30或70能够分别产生两个或三个电位值。
根据本发明的逆变单元90的所有的实施方式的共同之处是，在逆变单元90的这三个输出端上提供预定频率的基本上正弦状的电压信号。
图16示出了施加在根据本发明的逆变单元90的三个输出端的一个上的电压U1(t)随着时间的变化。该电压U1(t)在确定的时间间隔中分别具有恒定的值并且在此近似地跟随额定电压U2(t)的正弦状的曲线。该正弦状的额定电压曲线U2(t)能够具有例如20V的幅度U0和50Hz的频率。
在图16的时间轴上标记了这些时间点，在这些时间点上实现电压U1(t)的等级状的升高或降低，例如通过将蓄电池模块连接或跨接到在根据本发明的逆变单元90的第一实施方式中的蓄电池模块组50-1、50-2、50-3中的一个。如果在蓄电池模块组50-1、50-2、50-3的一个中设置更多数量的蓄电池模块，那么曲线U1(t)接近于额定电压曲线，并且在异步电机13的转子中由于电压曲线U1(t)随时间的强烈变化的涡流损耗减少。

Claims (6)

1.一种具有至少一个输出端的逆变单元(90)，其中，所述输出端能够连接到异步电机(13)的线圈上并且所述逆变单元(90)被设置用于，在其输出端处提供多个电压等级，其中，所述逆变单元(90)包括具有至少一个输出端(82-1、82-2、82-3)的多级逆变器，其中，所述多级逆变器的所述输出端(82-1、82-2、82-3)构成所述逆变单元(90)的所述输出端，其中，所述逆变单元(90)包括至少一个具有多个串联连接的蓄电池模块(40-1、…、40-n)的蓄电池模块组(50)，其中，每个蓄电池模块(40-1、…、40-n)包括至少一个蓄电池单池(41)、至少一个耦合单元(70)、第一连接端(42)和第二连接端(43)并且被构造用于，根据对所述耦合单元(70)的控制占据至少两个开关状态中的一个，其中，不同的开关状态对应于在所述蓄电池模块(40-1、…、40-n)的所述第一连接端(42)和所述第二连接端(43)之间的不同的电压值，其特征在于，至少一个蓄电池模块(40-1、…、40-n)被构造用于，根据对所述耦合单元(70)的控制可选地占据至少三个开关状态中的一个，其中，在第一开关状态中所述蓄电池模块(40-1、…、40-n)的所述第一连接端(42)和所述第二连接端(43)相连接，在第二开关状态中在所述第一连接端(42)和所述第二连接端(43)之间的所述至少一个蓄电池单池(41)以第一极性连接并且在第三开关状态中在所述第一连接端(42)和所述第二连接端(43)之间的所述至少一个蓄电池单池(41)以与所述第一极性相反的极性连接，并且其中，在所述蓄电池模块组(50)上布置多个中心抽头点(73-1、…、73-(n-1))，通过所述中心抽头点能够量取在每两个蓄电池模块(40-1、…、40-n)的连接处的电位，并且其中，所述多级逆变器(80)的多个输入端与所述多个中心抽头点(73-1、…、73-(n-1))相连接。
2.根据权利要求1所述的逆变单元(90)，其中，所述逆变单元(90)被设置用于，在其输出端处提供预先确定的频率的基本上为正弦状的电压信号。
3.根据权利要求1或2所述的逆变单元(90)，其中，所述逆变单元(90)包括三个输出端，所述三个输出端能够连接到所述异步电机(13)的三个线圈上。
4.一种蓄电池(10)，其包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的逆变单元(90)。
5.一种驱动单元，其包括至少一个异步电机以及至少一个根据权利要求1到3中任一项所述的逆变单元(90)或根据权利要求4所述的蓄电池(10)，其中，所述逆变单元(90)的输出端连接到所述异步电机(13)的线圈上。
6.一种机动车，其具有根据权利要求5所述的驱动单元。
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