DE102012220259A1 - Elektrisches System - Google Patents

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Abstract

Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine (1), mit einer ersten für Gleichspannung geeignete Leistungseinheit (2) und mit einem Umrichter (1a), welcher Halbbrücken umfasst, wobei jeder Phase der elektrischen Maschine eine der Halbbrücken des Umrichters zugeordnet ist, so, dass das Fahrzeug eine zweite für Gleichspannung geeignete Leistungseinheit (4) umfasst, der dem niedrigeren Potential zugeordnete Teil der zweiten Leistungseinheit und der dem niedrigeren Potential zugeordnete Teil der ersten Leistungseinheit auf einem gemeinsamen elektrischen Bezugspotential liegen, das Fahrzeug eine Erweiterungsschaltung (3a)–(3g) aufweist, die Erweiterungsschaltung in Serie zu der zweiten Leistungseinheit geschaltet ist und die Erweiterungsschaltung jeweils mit jeder Brückenmitte der den Phasen der elektrischen Maschine zugeordneten Halbbrücken verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine, mit einer ersten für Gleichspannung geeigneten Leistungseinheit und mit einem Umrichter, welcher Halbbrücken umfasst, wobei jeder Phase der elektrischen Maschine eine der Halbbrücken des Umrichters zugeordnet ist.
  • Moderne Fahrzeuge, insbesondere Hybridfahrzeuge, verfügen über einen (teil-)elektrifizierten Antriebsstrang und häufig auch eine externe Lademöglichkeit. Das Bordnetz solcher Fahrzeuge ist komplex und weist im Vergleich zu einem Fahrzeug mit einem konventionellen Bordnetz zusätzliche elektrische Komponenten auf. Dies betrifft zum Beispiel eine elektrische Maschine, die sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ist, und einen dieser elektrischen Maschine zugeordneten Umrichter.
  • Das Bordnetz von Hybridfahrzeugen weist zudem typischerweise Teilbordnetze mit unterschiedlichen Nennspannungslagen auf. Konventionelle Leistungsverbraucher sind in ein in der Automobilindustrie weit verbreitetes Teilbordnetz auf einer Nennspannungslage von 12 Volt integriert. Die Antriebselektrifizierung ist infolge eines höheren Leistungsbedarfs Teil eines Bordnetzes auf einer höheren Nennspannungslage. Je nach Grad der Elektrifizierung des Fahrzeugs reicht diese Spannungslage von 24 Volt bei Micro-Hybrid-Fahrzeugen bis zu mehreren hundert Volt bei vollelektrischen Fahrzeugen. Zwischen diesen Teilbordnetzen kann elektrische Leistung in der Regel durch einen Gleichstromsteller, der auch als DC/DC-Wandler bezeichnet wird, ausgetauscht werden.
  • Die Schrift DE 10 2008 037 064 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung, in welche zwei elektrische Energiespeicher in zwei Teilbordnetzen integriert sind, wobei einer der Energiespeicher zumindest zeitweise eine elektrische Maschine versorgt.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine, mit einer ersten für Gleichspannung geeignete Leistungseinheit und mit einem Umrichter, welcher Halbbrücken umfasst, wobei jeder Phase der elektrischen Maschine eine der Halbbrücken des Umrichters zugeordnet ist, zu beschreiben.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß umfasst das Fahrzeug eine zweite für Gleichspannung geeignete Leistungseinheit, wobei der dem niedrigeren Potential zugeordnete Teil der ersten Leistungseinheit und der dem niedrigeren Potential zugeordnete Teil der zweiten Leistungseinheit auf einem gemeinsamen elektrischen Bezugspotential liegen und die erste Leistungseinheit eine höhere Nennspannungslage als die zweite Leistungseinheit aufweist, das Fahrzeug eine Erweiterungsschaltung aufweist, welche in Serie zu der zweiten Leistungseinheit geschaltet ist und welche jeweils mit jeder Brückenmitte der den Phasen der elektrischen Maschine zugeordneten Halbbrücken verbunden ist.
  • Dies bedeutet, dass die Erweiterungsschaltung zwischen den Brückenmitten und der zweiten Leistungseinheit befindlich ist. Die Erweiterungsschaltung schaltet Potentiale zwischen der Brückenmitte und dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit. In diesem Dokument ist mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit jener Teil oder jene elektrische Schnittstelle der Leistungseinheit bezeichnet, die bestimmungsgemäß dem höheren Potential der Gleichspannung zugeordnet ist. Mit dem niedrigeren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit ist jener Teil oder jene elektrische Schnittstelle der Leistungseinheit bezeichnet, die bestimmungsgemäß dem niedrigeren Potential der Gleichspannung zugeordnet ist.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zum Schalten des Umrichters und der Erweiterungsschaltung ein pulsweitenmoduliertes Taktverfahren anwendbar.
  • Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, und in einem Takt mit negativem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem Pluspol der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der ersten Leistungseinheit zu der zweiten Leistungseinheit zu bewirken.
  • Dies bedeutet, dass die Erweiterungsschaltung im Verbund mit dem Umrichter und der elektrischen Maschine als Tiefsetzsteller von der ersten Leistungseinheit zu der zweiten Leistungseinheit wirkt.
  • Nach einer weiteren Variante der Erfindung ist die zweite Leistungseinheit als elektrische Last oder sekundärer Energiespeicher ausgeführt und es weist die Erweiterungsschaltung für jede Phase eine Reihenschaltung von zwei gegenläufig geschalteten Dioden auf, wobei eine Diode der Phase zugeordnet ist und eine Diode der zweiten Leistungseinheit zugeordnet ist, und die bezüglich negativem Phasenstrom in Sperrrichtung geschaltete Diode mit einem Schalter überbrückbar ist.
  • Dabei kann durch den Schalter die Verbindung der Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit hergestellt werden, um den Energietransfer zu der zweiten Leistungseinheit zu ermöglichen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, und in einem Takt mit positivem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem Pluspol der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der zweiten Leistungseinheit zu der ersten Leistungseinheit zu bewirken.
  • Dies bedeutet, dass die Erweiterungsschaltung im Verbund mit dem Umrichter und der elektrischen Maschine als Tiefsetzsteller von der ersten Leistungseinheit zu der zweiten Leistungseinheit wirkt.
  • Nach einer Variante der Erfindung ist die erste Leistungseinheit als elektrische Last oder sekundärer Energiespeicher ausgeführt, es weist die Erweiterungsschaltung für jede Phase eine Reihenschaltung von zwei gegenläufig geschalteten Dioden auf, wobei eine Diode der Phase zugeordnet ist und eine Diode der zweiten Leistungseinheit zugeordnet ist, und die bezüglich negativem Phasenstrom in Durchlassrichtung geschaltete Diode mit einem Schalter überbrückbar ist.
  • Dabei kann durch den Schalter die Verbindung der Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit hergestellt werden, um den Energietransfer zu der ersten Leistungseinheit zu ermöglichen.
  • Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, in einem Takt mit negativem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der ersten Leistungseinheit zu der zweiten Leistungseinheit zu bewirken, und in einem Takt mit positivem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der zweiten Leistungseinheit zu der ersten Leistungseinheit zu bewirken.
  • Dies bedeutet, dass die Erweiterungsschaltung im Verbund mit dem Umrichter und der elektrischen Maschine je nach Anforderung zu einem jeweiligen Betriebszeitpunkt als Tiefsetzsteller von der ersten Leistungseinheit zu der zweiten Leistungseinheit wirkt und als Hochsetzsteller von der zweiten Leistungseinheit zu der ersten Leitungseinheit wirken kann.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Leistungseinheit als sekundärer Energiespeicher ausgeführt, es ist die zweite Leistungseinheit als sekundärer Energiespeicher ausgeführt, wobei die Erweiterungsschaltung für jede Phase eine Reihenschaltung von zwei gegenläufig geschalteten Dioden aufweist und beide Dioden jeweils mit einem Schalter überbrückbar sind.
  • Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
    Hybrid- und Elektrofahrzeuge mit einem Gleich- bzw. Wechselrichter besitzen eine elektrische Maschine, die je nach Fahrzustand motorisch und/oder generatorisch betreibbar ist. Bei Fahrzeugen mit einem typischerweise zumindest zweiteiligen Bordnetz mit einer Spannungslage von einerseits beispielhaft 48 Volt, in welches die elektrische Maschine eingebunden ist, und mit einer Spannungslage von 12 Volt für konventionelle elektrische Verbraucher kommt in der Regel zusätzlich ein Gleichstromsteller zum Einsatz. Beide Teilbordnetze sind galvanisch miteinander verbunden. Nachteilig ist, dass Synergieeffekte zwischen Gleichstromsteller und Gleich- bzw. Wechselrichter bisher völlig ungenutzt bleiben. Es wird eine neuartige Schaltungstopologie vorgeschlagen, bei der die Funktionalitäten beider Geräte in einem Gerät vereinbar sind. Dieses eine Gerät ist in Bezug auf Bauraumbedarf, Kosten und Komplexität günstiger als die Summe aus einem Gleichstromsteller und einem Umrichter.
  • Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
  • 1–7 Verschiedene Schaltungstopologien
  • 8 Schaltverfahren.
  • 1–7 zeigt jeweils eine Schaltungstopologie eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, das über eine elektrische Maschine (3) verfügt. Als elektrische Maschine wird exemplarisch ein Elektromotor betrachtet, der bei einer Nennspannungslage von 48 Volt des ersten Energiespeichers zum elektrischen Kriechen des Fahrzeugs und zum Zustarten eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs im motorischen Betrieb nutzbar ist bzw. zur Rückgewinnung von Bremsenergie im generatorischen Betrieb nutzbar ist. Um dies gewährleisten zu können, ist dem Elektromotor ein Gleich- bzw. Wechselrichter (1a) mit drei Halbbrücken, bestehend aus jeweils zwei in Serie geschalteten Schaltelementen (HS1–HS3 und LS4–LS6) mit Mittenabgriff für jede Phase (u, v, w) der dreiphasigen elektrischen Maschine zugeordnet. Alternativ kann eine Maschine mit beliebig vielen Phasen eingesetzt werden.
  • Die elektrische Maschine wird mit einem dem Fachmann bekannten pulsweitenmodulierten Schaltverfahren angesteuert, um einen sinusförmigen Dreiphasen-Wechselstrom zum Speisen der elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen. Zu diesem Zweck wird ein Umrichter genutzt, der im Wesentlichen aus drei High-Side-Schaltern (HS1, HS2, HS3) und drei Low-Side-Schaltern (LS4, LS5, LS6) besteht. Jeweils eine Serienschaltung eines High-Side-Schalters und eines Low-Side-Schalters bildet eine Halbbrücke, wobei die Brückenmitte jeder Halbbrücke jeweils mit einer Phase (u, v, w) der elektrischen Maschine verbunden ist.
  • Die Schaltung bestehend aus dem Umrichter und der elektrischen Maschine wird gemäß der 1–7 um eine Erweiterungsschaltung (3a–3g) ergänzt. Diese Erweiterungsschaltung befindet sich jeweils zwischen der Brückenmitte und der zweiten Leistungseinheit in Reihe, wobei die Erweiterungsschaltung jeweils eine Schnittstelle mit jeder der Brückenmitten aufweist, d. h. mit jeder der Phasen der elektrischen Maschine aufweist.
  • Jeder der Erweiterungsschaltungen gemäß den 1–7 umfasst eine bestimmte Zahl von Schaltern und Dioden.
  • Nach den Ausführungsformen in den 1–3 verfügt das Fahrzeug über eine erste elektrische Leistungseinheit (2), die zumindest als elektrische Leistungsquelle fungieren kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die erste elektrische Leistungseinheit als sekundärer elektrischer Energiespeicher oder als eine Brennstoffzelle ausgeführt ist. Bevorzugt kann die erste Leistungseinheit zusätzlich als elektrische Leistungssenke fungieren. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die erste elektrische Leistungseinheit als sekundärer elektrischer Energiespeicher ausgeführt ist. Ferner verfügt das Fahrzeug über eine zweite elektrische Leistungseinheit (4), die elektrische Leistungssenke und bevorzugt zusätzlich als elektrische Leistungsquelle fungieren kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die erste elektrische Leistungseinheit als sekundärer elektrischer Energiespeicher ausgeführt ist. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird als Spannungslage für die erste Leistungseinheit eine Spannungslage von 48 Volt angenommen und für die zweite Leistungseinheit von 12 Volt.
  • Gemäß den Ausführungsformen in den 4–5 verfügt das Fahrzeug über eine erste elektrische Leistungseinheit (2'), die zumindest als elektrische Leistungsquelle fungieren kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die erste elektrische Leistungseinheit als sekundärer elektrischer Energiespeicher oder als eine Brennstoffzelle ausgeführt ist. Ferner verfügt das Fahrzeug über eine zweite elektrische Leistungseinheit (4), die als elektrische Leistungssenke fungieren kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die erste elektrische Leistungseinheit als sekundärer elektrischer Energiespeicher oder als eine einfache elektrische Last mit einem vorgeschalteten Zwischenkreiskondensator ausgeführt ist. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird als Spannungslage für die erste Leistungseinheit eine Nennspannungslage von 48 Volt angenommen und für die zweite Leistungseinheit, z. B. für die elektrischen Verbraucher, eine Nennspannungslage von 12 Volt angenommen.
  • Gemäß den Ausführungsformen in den 6–7 verfügt das Fahrzeug über eine erste elektrische Leistungseinheit (2''), die als elektrische Leistungssenke fungieren kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die erste elektrische Leistungseinheit als sekundärer elektrischer Energiespeicher oder als eine einfache elektrische Last mit einem Zwischenkreiskondensator ausgeführt ist. Ferner verfügt das Fahrzeug über eine zweite elektrische Leistungseinheit (4''), die zumindest als elektrische Leistungsquelle fungieren kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die zweite elektrische Leistungseinheit als sekundärer elektrischer Energiespeicher oder als eine Brennstoffzelle ausgeführt ist. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird als Spannungslage für die erste Leistungseinheit, z. B. für die elektrischen Verbraucher, eine Nennspannungslage von 48 Volt angenommen und für die zweite Leistungseinheit eine Nennspannungslage von 12 Volt angenommen.
  • Anhand von 8a und 8b wird das Funktionsprinzip der Erweiterungsschaltung (ES) in den Ausführungsformen gemäß 1–7 erläutert. Exemplarisch wird die Erweiterungsschaltung (3a) aus 1 und zur Vereinfachung eine Phase der elektrischen Maschine bzw. des Umrichters herangezogen. Es ist die regelungstechnische Aufgabe, welche der Beschaltung des Umrichters zugrunde liegt, im Wesentlichen einen sinusförmigen Spannungsverlauf an der der Phase zugeordneten Brückenmitte zu erzielen. Gemäß der in den 8a und 8b gewählten Darstellung verläuft die sinusförmige Spannung an der Brückenmitte zwischen den maximalen Werten 48 Volt und 0 Volt, d. h. mit einer maximalen Amplitude von 24 Volt bezüglich des eines Spannungsoffset von 24 Volt. Als Bezugspotential dient jeweils der dem niedrigeren Potential zugeordnete Teil der beiden Leistungseinheiten. Dieses Bezugspotential wird weiterhin auch als Masse bezeichnet.
  • Es wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit jene Phase ausgewählt, die der Halbbrücke mit den Schaltern HS1 und LS4 zugeordnet ist und die als Phase (u) bezeichnet ist. Außerdem beziehen sich die 8a und 8b auf jeweils einen Takt des pulsweitenmodulierten Schaltverfahrens des Umrichters. Exemplarisch wird derjenige Takt gezeigt, der die Brückenmitte über den Takt gemittelt auf das Potential 24 Volt gegenüber der Masse legt.
  • In 8a ist dieser Takt für einen konventionellen Umrichter gezeigt, d. h. ohne eine Erweiterungsschaltung (3a) bis (3g) und die zweite Leistungseinheit. Die Schalter HS1 und LS4 werden komplementär mit einer Totzeit geschaltet, d. h. zu keinem Zeitpunkt sind beide Schalter geschlossen (Abbildung unten in 8a). Dies würde andernfalls einen Kurzschluss der beiden Polaritäten der ersten Leistungseinheit bedeuten. In dem gezeigten Beispiel beträgt das Schaltzeitverhältnis x des Schalters HS1 in Bezug auf die Taktzeit TTakt x = 50%. Über die Taktzeit gemittelt liegt die Brückenmitte also näherungsweise auf dem Potential UBrückenmitte = x·48 Volt + y·0 Volt = 24 Volt (Gleichung 1) (8a oben) mit x = 50% und y = 50% (Schaltzeit von LS4 bezogen auf die Taktzeit) und einer in diesem Takt angenommenen Spannungslage des höheren Potentials der ersten Leistungseinheit bei 48 Volt.
  • Dieses Schaltprinzip wird gemäß 8b auf die Schaltungstopologien gemäß 1-7 übertragen. Hierbei wird anstelle des Einschaltens von Schalter LS4 die Erweiterungsschaltung so geschaltet, dass die Brückenmitte mit dem Pluspol der zweiten elektrischen Leistungseinheit verbunden ist. Dies bedeutet, dass für das Potential der Brückenmitte näherungsweise gilt UBrückenmitte = x·48 Volt + y·0 Volt + z·12 Volt 24 Volt (Gleichung 2) mit einer in diesem Takt angenommenen Spannungslage des höheren Potentials der ersten Leistungseinheit bei 48 Volt und einer in diesem Takt angenommenen Spannungslage des höheren Potentials der zweiten Leistungseinheit bei 12 Volt. Die Parameter x, y und z bezeichnen die auf die Taktzeit bezogenen Schaltzeitverhältnisse der jeweiligen Spannungslage als relative und einheitenlose Größen.
  • Anhand von Gleichung 2 mit der weiteren Bedingung x + y + z = ! 1 (Gleichung 3) ergibt sich ein vorteilhafter Effekt in den 4–7 bzw. ergeben sich zwei vorteilhafte technische Effekte in den 1–3.
  • Bei negativem Phasenstrom zur Zeit des betreffenden Taktes kann in den 1–3 und in den 4–5 durch die Verschaltung der Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit (z. B. einem Pluspol eines Energiespeichers oder einem Eingang eines elektrischen Gleichstromverbrauchers) der Phasenstrom in Flussrichtung zur zweiten Leistungseinheit geschaltet werden, um diese z. B. zu laden. Dies bedeutet, dass unabhängig vom Betrieb der elektrischen Maschine, d. h. in motorischem Betrieb, in generatorischem Betrieb und in momentenfreiem Betrieb der elektrischen Maschine (z. B. bei Stillstand des Rotors), bei negativem Phasenstrom der zweiten Leistungseinheit durch die Abgabe von elektrischer Leistung der ersten Leistungseinheit elektrische Leistung zugeführt werden kann. Wird weiterhin nach einem Vorzeichenwechsel des Phasenstroms zu positivem Phasenstrom und solange der Phasenstrom positiv ist, die Verschaltung der Brückenmitte mit dem Pluspol der zweiten Leistungseinheit durch z = 0% während der betreffenden Takte getrennt, wird ein Leistungsfluss aus der zweiten Leistungseinheit heraus unterbunden. Resultierend führt dies über eine Periode der sinusförmigen Wechselspannung an der Brückenmitte zu einem Transfer elektrischer Energie von der ersten zu der zweiten Leistungseinheit über eine elektrische Maschine ohne Verwendung eines separaten Tiefsetzstellers.
  • Bei positivem Phasenstrom hingegen kann in den 1–3 und in den 6–7 durch die Verschaltung der Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der Leistungseinheit der Phasenstrom zur Abgabe elektrischer Leistung der zweiten Leistungseinheit genutzt werden. Gleichbedeutend damit ist jedoch, dass die in das Statorsystem der elektrischen Maschine gespeiste Energie von der zweiten Leistungseinheit beziehbar ist. Wird weiterhin nach einem Vorzeichenwechsel des Phasenstroms zu negativem Phasenstrom und solange der Phasenstrom negativ ist, die Verschaltung der Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit durch z = 0% während der betreffenden Takte getrennt, wird ein Fluss elektrischer Leistung zu der zweiten Leistungseinheit unterbunden. Stattdessen kommt es zu einem Fluss elektrischer Leistung zur ersten Leistungseinheit während der Schaltzeit „ein” von HS1. Resultierend führt dies über eine Periode der sinusförmigen Wechselspannung an der Brückenmitte zu einer Umladung elektrischer Energie von der zweiten zu der ersten Leistungseinheit über eine elektrische Maschine ohne Verwendung eines separaten Hochsetzstellers.
  • Gemäß den 1–3 kann die Schaltungstopologie ohne einen eigenen bidirektionalen Gleichstromsteller einen bidirektionalen Leistungstransfer zwischen den beiden Leistungseinheiten über den Umrichter und die elektrische Maschine ermöglichen.
  • Ferner stellt die Gleichung 2 bei drei Parametern und zwei Bedingungen einen Freiheitsgrad bereit. Vorteilhaft ist es, wenn z. B. in einem System nach 1 der Parameter z als Freiheitsgrad gewählt wird und als regelbarer Parameter in diesem System dient. So kann z. B. anhand der Einstellung des Parameters z der zweite elektrische Energiespeicher z. B. aufgrund von Anforderungen aus dem Teilbordnetz, welchem der zweite elektrische Energiespeicher zugeordnet ist, neben der Anforderung aufgrund des Betriebs der elektrischen Maschine gezielt geladen oder entladen werden. Implementiert wird dies in der Erweiterungsschaltung durch die Einstellung des Parameters z. Je höher der Parameter z gewählt wird, umso höher die Ladebilanz des zweiten Energiespeichers. Ist beispielsweise Leistungstransfer zur zweiten Leistungseinheit gänzlich unerwünscht, gilt bei negativem Phasenstrom für den Parameter z in Gleichung 3 z = 0%. Ist beispielsweise maximaler Leistungstransfer zur zweiten Leistungseinheit erforderlich, gilt bei negativem Phasenstrom für den Parameter y in Gleichung 3 y = 0% und der Parameter z folgt unmittelbar aus den Gleichungen (2) und (3).
  • Dieses Prinzip kann verallgemeinert werden durch Einführung eines Parameters K werden, womit die Gleichungen (2) und (3) wie folgt modifizierbar sind:
    Figure DE102012220259A1_0002
    wobei die Größe y in Gleichung 2' der (Randbedingung 1)
    Figure DE102012220259A1_0003
    genügt und weiterhin gilt:
    Figure DE102012220259A1_0004
  • Der Parameter K ist zwischen den Werten 0 und 1 wählbar und beschreibt ein Maß für die Beteiligung der zweiten Leistungseinheit, die z. B. als elektrischer Energiespeicher ausgeführt ist. Wird der Energiespeicher maximal beteiligt, was abhängig vom Phasenstrom eine Ladung oder Entladung bedeutet, so ist K = 1 und somit gemäß Gleichungen (2') und (3'): z = 2/3, x = 1/3, y = 0. Wird der zweite Energiespeicher nicht eingebunden, so folgt mit K = 0: z = 0, x = 1/2, y = 1/2.
  • Wird der zweite Energiespeicher nur teilweise beteiligt (z. B. K = 0,5) so folgt: z = 1/3, x = 4/12, y = 1/4.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform für eine ES, die aus den Schaltern (10)–(15) besteht. Exemplarisch werden die der Phase u zugeordneten Schalter (10) und (13) betrachtet. Beide Schalter werden zeitgleich, d. h. synchron, geschaltet und die Schaltzeit „ein” der beiden Schalter bezeichnet den Parameter z in Bezug auf die Taktzeit. Mit dieser Erweiterungsschaltung kann tief- und hochgesetzt werden.
  • 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Erweiterungsschaltung (3d) besteht aus den Schaltern (28)–(31). Exemplarisch werden weiterhin die der Phase u zugeordneten Schalter (28) und (29) betrachtet. Die Schaltzeit „ein” des Schalters (29) bezeichnet den Parameter z in Bezug auf die Taktzeit. Zur Schaltzeit „ein” des Schalters (29) wird auch der Schalter (28) auf „ein” gesetzt. Der Schalter (28) ist allen drei Phasen zugeordnet. Dies bedeutet, dass der Schalter (28) nur dann auf „ein” gesetzt werden kann, solange einer der drei Schalter (29)–(31) auf „ein” gesetzt ist. Mit dieser Erweiterungsschaltung kann tief- und hochgesetzt werden.
  • 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Erweiterungsschaltung (3g) besteht aus den Schaltern (40)–(43). Exemplarisch werden weiterhin die der Phase u zugeordneten Schalter (40) und (41) betrachtet. Die Schaltzeit „ein” des Schalters (41) bezeichnet den Parameter z in Bezug auf die Taktzeit. Zur Schaltzeit „ein” des Schalters (41) wird auch der Schalter (40) auf „ein” gesetzt. Der Schalter (40) ist allen drei Phasen zugeordnet. Dies bedeutet, dass der Schalter (40) nur dann auf „ein” gesetzt werden kann, solange einer der drei Schalter (41)–(43) auf „ein” gesetzt ist. Mit dieser Erweiterungsschaltung kann tief- und hochgesetzt werden.
  • 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Erweiterungsschaltung (3e) besteht aus den Schaltern (33)–(35) und der Diode (32). Exemplarisch werden weiterhin der der Phase u zugeordnete Schalter (33) und die der Phase u zugeordnete Diode (32) betrachtet. Die Schaltzeit „ein” des Schalters (33) bezeichnet den Parameter z in Bezug auf die Taktzeit. Die Diode (32) ist allen drei Phasen zugeordnet. Mit dieser Erweiterungsschaltung kann durch die Wirkung der Diode (32) nicht hochgesetzt sondern nur tiefgesetzt werden.
  • 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Erweiterungsschaltung (3b) besteht aus den Dioden (16)–(18) und den Schaltern (19)–(21). Exemplarisch werden weiterhin die der Phase u zugeordnete Diode (16) und der der Phase u zugeordnete Schalter (19) betrachtet. Die Schaltzeit „ein” dieses Schalters bezeichnet den Parameter z in Bezug auf die Taktzeit. Durch die Wirkung der Diode (16) kann mit dieser Erweiterungsschaltung nicht hochgesetzt sondern nur tiefgesetzt werden.
  • 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Erweiterungsschaltung (3c) besteht aus den Schaltern (22)–(24) und den Dioden (25)–(27). Exemplarisch werden weiterhin die der Phase u zugeordnete Diode (25) und der der Phase u zugeordnete Schalter (22) betrachtet. Die Schaltzeit „ein” dieses Schalters bezeichnet den Parameter z in Bezug auf die Taktzeit. Durch die Wirkung der Diode (25) kann mit dieser Erweiterungsschaltung nicht tiefgesetzt sonder nur hochgesetzt werden.
  • 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Erweiterungsschaltung (3e) besteht aus den Schaltern (37)–(39) und der Diode (36). Exemplarisch werden weiterhin der der Phase u zugeordnete Schalter (37) und die der Phase u zugeordnete Diode (36) betrachtet. Die Schaltzeit „ein” des Schalters (37) bezeichnet den Parameter z in Bezug auf die Taktzeit. Die Diode (36) ist allen drei Phasen zugeordnet. Mit dieser Erweiterungsschaltung kann durch die Wirkung der Diode (36) nicht tiefgesetzt sondern nur hochgesetzt werden.
  • Als Schalter in den 1–7 kommen bevorzugt Leistungshalbleiter wie MOSFETs, IGBTs, JFETs, oder Thyristoren zum Einsatz. Als Dioden in den 1–7 kommen bevorzugt Leistungsdiode mit der erforderlichen Spannungsfestigkeit zum Einsatz.
  • Vorteilhaft an der Erweiterungsschaltung ist, dass sie als eine einfache, unaufwändige Erweiterung des Umrichters und durch Nutzung des Statorsystems einer elektrischen Maschine die Funktion eines Gleichstromstellers zur Verfügung stellt. Dabei fällt eine Betrachtung der bei einem Fahrzeug wichtigen Faktoren Bauraumbedarf, Kosten und Komplexität für die Erweiterungsschaltung im Vergleich zu einem Gleichstromsteller bei weitem günstiger aus.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008037064 A1 [0004]

Claims (8)

  1. Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine (1), mit einer ersten für Gleichspannung geeignete Leistungseinheit (2) und mit einem Umrichter (1a), welcher Halbbrücken umfasst, wobei jeder Phase der elektrischen Maschine eine der Halbbrücken des Umrichters zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Fahrzeug eine zweite für Gleichspannung geeignete Leistungseinheit (4) umfasst, – der dem niedrigeren Potential zugeordnete Teil der zweiten Leistungseinheit und der dem niedrigeren Potential zugeordnete Teil der ersten Leistungseinheit auf einem gemeinsamen elektrischen Bezugspotential liegen, – das Fahrzeug eine Erweiterungsschaltung (3a)–(3g) aufweist, – die Erweiterungsschaltung in Serie zu der zweiten Leistungseinheit geschaltet ist und – die Erweiterungsschaltung jeweils mit jeder Brückenmitte der den Phasen der elektrischen Maschine zugeordneten Halbbrücken verbunden ist.
  2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – zum Schalten des Umrichters und der Erweiterungsschaltung ein pulsweitenmoduliertes Taktverfahren anwendbar ist.
  3. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, – durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, und – in einem Takt mit negativem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der ersten Leistungseinheit zu der zweiten Leistungseinheit zu bewirken.
  4. Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die zweite Leistungseinheit als elektrische Last oder als sekundärer Energiespeicher ausgeführt ist, – die Erweiterungsschaltung für jede Phase eine Reihenschaltung von zwei gegenläufige geschalteten Dioden aufweist, wobei eine Diode der Phase zugeordnet ist und eine Diode der zweiten Leistungseinheit zugeordnet ist, und – die bezüglich negativem Phasenstrom in Sperrrichtung geschaltete Diode mit einem Schalter überbrückbar ist.
  5. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, – durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, und – in einem Takt mit positivem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der zweiten Leistungseinheit zu der ersten Leistungseinheit zu bewirken.
  6. Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Leistungseinheit als elektrische Last oder sekundärer Energiespeicher ausgeführt ist, – die Erweiterungsschaltung für jede Phase eine Reihenschaltung von zwei gegenläufige geschalteten Dioden aufweist, wobei eine Diode der Phase zugeordnet ist und eine Diode der zweiten Leistungseinheit zugeordnet ist, und – die bezüglich negativem Phasenstrom in Durchlassrichtung geschaltete Diode mit einem Schalter überbrückbar ist.
  7. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, – durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, – durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, – durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, – in einem Takt mit negativem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der ersten Leistungseinheit zu der zweiten Leistungseinheit zu bewirken, und – in einem Takt mit positivem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der zweiten Leistungseinheit zu der ersten Leistungseinheit zu bewirken.
  8. Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Leistungseinheit als sekundärer Energiespeicher ausgeführt ist, – die zweite Leistungseinheit als sekundärer Energiespeicher ausgeführt ist, – die Erweiterungsschaltung für jede Phase eine Reihenschaltung von zwei gegenläufig geschalteten Dioden aufweist, und – beide Dioden jeweils mit einem Schalter überbrückbar sind.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1050100B1 (de) * 1998-08-27 2008-08-20 Robert Bosch Gmbh Mehrspannungsbordnetz für ein fahrzeug
DE102008037064A1 (de) 2008-08-08 2010-02-11 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Schaltungsanordnung für einen elektrischen Antrieb

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