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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungskonverter und ein Verfahren zum Konvertieren einer elektrischen Spannung.
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Elektrische Antriebssysteme, wie sie zum Beispiel in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen verwendet werden, können beispielsweise von einer Gleichspannungsquelle, wie einer Hochleistungs-Traktionsbatterie gespeist werden. Die von dieser Batterie bereitgestellte Gleichspannung muss dabei mittels eines Spannungskonverters (Inverter) in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung konvertiert werden, um an der elektrischen Maschine das gewünschte Drehmoment erzeugen zu können. Aktuelle Inverter für elektrische Antriebssysteme verwenden hierbei das Prinzip der Pulsbreitenmodulation (PWM) über Thyristor-, IGBT- oder MOSFET-Leistungs-Halbbrücken mit einer entsprechenden Anzahl von zu realisierenden Phasen. Durch Modulation des Tastverhältnisses der zu den Phasen zugeordneten Halbbrücken wird im Zusammenspiel mit den Motorinduktivitäten ein Stromwert durch die Maschinenwicklungen erzeugt, der im Maschinenrotor ein entsprechendes Moment hervorruft. Durch eine geeignete Ansteuerung der Halbbrücken können somit Ansteuermuster mit Drehfeldcharakter mit variablen Grundfrequenzen, Phasenbeziehungen und Modulationsgraden erzeugt werden. Aufgrund der Einbeziehung der Motorinduktivität erreicht man damit eine Anordnung mit geringer Anzahl von Bauelementen bei hohem Wirkungsgrad.
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Bei derartigen Schaltungstopologien wird von dem Inverter ein pulsbreitenmoduliertes Signal zu der elektrischen Maschine geführt. Zur Vermeidung elektromagnetischer Störungen müssen die dabei empfangenen Kabelverbindungen ausreichend abgeschirmt werden. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften und der Verlustleistungsgrenze der verwendeten Schaltelemente in den aktuellen Invertern sind die PWM-Schaltfrequenzen typischerweise auf niedere Frequenzen im Hörbereich des Menschen (bis zu 20 kHz) begrenzt.
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Die Deutsche Patentanmeldung
DE 10 2013 201 538 A1 offenbart ein Wechselrichtersystem zur Reduzierung von unerwünschten Nebengeräuschen, die aufgrund einer PWM-Ansteuerung in einem Elektrofahrzeug entstehen. Hierzu wird der Elektromotor mit einem optimierten, pseudozufälligen Periodenraster angesteuert.
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Das Spannungsangebot eines konventionellen Inverters ist dabei in der Regel zunächst auf die momentane Batterie- oder Quellenspannung begrenzt. Sind höhere Spannungen, beispielsweise zur Erweiterung des Drehzahlbereichs erforderlich, so muss die Gleichspannung über eine Hochsetzsteller-Schaltung angepasst werden.
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Es besteht ein Bedarf nach einer effizienten und kostengünstigen Spannungskonvertierung, die dazu geeignet ist, eine elektrische Maschine anzusteuern.
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Offenbarung der Erfindung
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Hierzu schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt einen Spannungskonverter mit einem Gleichspannungsanschluss, der ein erstes Anschlusselement und ein zweites Anschlusselement umfasst; einem Maschinenanschluss, der ein drittes Anschlusselement und ein viertes Anschlusselement umfasst; einer Konvertierungsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement in eine Phasenspannung für eine elektrische Maschine zu konvertieren und die konvertierte Phasenspannung zwischen dem dritten Anschlusselement und dem vierten Anschlusselement bereitzustellen, und die ferner dazu auslegt ist, eine von der elektrischen Maschine zwischen dem dritten Anschlusselement und dem vierten Anschlusselement bereitgestellte Phasenspannung in eine vorbestimmte Gleichspannung zu konvertieren und die konvertierte Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement bereitzustellen; wobei die Konvertierungsvorrichtung in einem ersten Betriebsmodus die Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement in eine Phasenspannung konvertiert, deren Maximalwert größer ist als die Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement, in einem zweiten Betriebsmodus die Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement in eine Phasenspannung konvertiert, deren Maximalwert kleiner ist als die Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement, in einem dritten Betriebsmodus die Phasenspannung zwischen dem dritten Anschlusselement und dem vierten Anschlusselement in die vorbestimmte Gleichspannung konvertiert, wobei der Maximalwert der Phasenspannung kleiner ist als die vorbestimmte Gleichspannung, und in einem vierten Betriebsmodus die Phasenspannung zwischen dem dritten Anschlusselement und dem vierten Anschlusselement in die vorbestimmte Gleichspannung konvertiert, wobei der Maximalwert der Phasenspannung größer ist als die vorbestimmte Gleichspannung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Konvertieren einer elektrischen Spannung mit den Schritten des Bereitstellens eines erfindungsgemäßen Spannungskonverters; des Auswählens eines Betriebsmodus; und des Ansteuerns des Spannungskonverters in Abhängigkeit von dem ausgewählten Betriebsmodus.
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Vorteile der Erfindung
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Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, einen Spannungskonverter zwischen einer Gleichspannungsquelle und einer elektrischen Maschine derart auszuführen, dass eine bidirektionale Spannungskonvertierung zwischen beiden Seiten erfolgen kann. Gleichzeitig stellt der erfindungsgemäße Spannungskonverter sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung jeweils Hoch- bzw. Tiefsetzfunktionalitäten bereit. Auf diese Weise wird ein kompakter und sehr effizienter Spannungskonverter für einen sehr breiten Einsatzbereich bereitgestellt.
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Durch die Integration von Hoch- und Tiefsetzstellerfunktionalitäten zur Erweiterung des Spannungsniveaus der Quellspannung kann der Spannungskonverter in einem sehr breiten Anwendungsfeld eingesetzt werden. Auf diese Weise sind Ausgangsspannungen über den gesamten Betriebsspannungsbereich bis hin zu einer minimalen Spannung von 0 Volt möglich. Dies ermöglicht den Betrieb einer elektrischen Maschine in einem sehr weiten Drehzahlbereich aufgrund der hohen Variabilität der Ausgangsspannung des Spannungskonverters unabhängig von der Quellenspannung der Gleichspannungsquelle.
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Die bidirektionale Spannungskonvertierung in Kombination mit dem Hoch- bzw. Tiefsetzen des Spannungsniveaus erlaubt es auch, die kinetische Energie während eines Abbremsvorgangs mittels einer generatorisch wirkenden elektrischen Maschine in eine Gleichspannungsbatterie zurückzuspeisen. Dabei kann insbesondere aufgrund der integrierten Hochsetzstellerfunktionalität auch bei geringen Ausgangsspannungen der generatorisch wirkenden elektrischen Maschine noch eine Rückspeisung der Energie in die Batterie erfolgen. Somit kann während Bremsvorgängen eine besonders effiziente Rückgewinnung der kinetischen Energie erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Konvertierungsvorrichtung ein erstes Schaltelement, das zwischen dem ersten Anschlusspunkt und einem ersten Knotenpunkt angeordnet ist und ein zweites Schaltelement, das zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Anschlusselement angeordnet ist. Die Konvertierungsvorrichtung umfasst ferner ein drittes Schaltelement, das zwischen dem dritten Anschlusselement und einem zweiten Knotenpunkt angeordnet ist und ein viertes Schaltelement, das zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem vierten Anschlusselement angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Konvertierungsvorrichtung eine Induktivität, die zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Knotenpunkt angeordnet ist. Durch die Integration einer Induktivität in der Konvertierungsvorrichtung ist es nicht weiter erforderlich, die Motorinduktivität für die Spannungskonvertierung mit einzubeziehen. Somit kann die Spannungskonvertierung vollständig innerhalb der Konvertierungsvorrichtung erfolgen. Daher liegt am Maschinenanschluss des Spannungskonverters ein störungsfreies, oder zumindest deutlich störungsärmeres Ausgangssignal an. Eine Abschirmung der elektrischen Verbindung zwischen Maschinenanschluss des Spannungskonverters und elektrischer Maschine ist daher in der Regel nicht erforderlich. Am Maschinenanschluss des Spannungskonverters liegt vielmehr eine bereits geglättete Ausgangsspannung mit der Maschinen-Grundfrequenz bereit.
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Vorzugsweise wird die Konvertierungsvorrichtung mit einer Schaltfrequenz von mindestens 20 kHz betrieben. Derartige Schaltfrequenzen liegen oberhalb des menschlichen Hörbereichs. Somit kann die akustische Beeinträchtigung durch hörbare Schwingungen vermieden oder sie wird zumindest signifikant herabgesetzt werden. Weiterhin erlauben derart hohe Schaltfrequenzen eine Miniaturisierung des Schaltungsaufbaus. Insbesondere die verwendeten Induktivitäten können bei höheren Schaltfrequenzen kleiner ausgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Spannungskonverter ferner eine Steuervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, das erste, das zweite, das dritte und das vierte Schaltelement in Abhängigkeit von einem ausgewählten Betriebsmodus anzusteuern. Dies ermöglicht die flexible Ansteuerung des Spannungskonverters in allen Betriebsmodi.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Konvertierungsvorrichtung ferner dazu ausgelegt, in einem fünften Betriebsmodus das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement zu schließen. Hierdurch werden das dritte Anschlusselement und das vierte Anschlusselement am Maschinenanschluss elektrisch miteinander verbunden. Somit kann eine angeschlossene elektrische Maschine in diesem Betriebsmodus in einen aktiven Kurzschluss geschaltet werden. Der Spannungskonverter kann darüber hinaus auch in einem weiteren Betriebsmodus das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement öffnen, um eine angeschlossene elektrische Maschine in den Betriebsmodus des Freilaufs zu schalten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zwischen dem dritten Anschlusselement und dem vierten Anschlusselement bereitgestellte Phasenspannung eine Wechselspannung, insbesondere eine sinusförmige Spannung zwischen dem Potential des dritten Anschlusselements und einem, aus den Betriebsmodus und einem vorbestimmten PWM-Verhältnis resultierenden Maximalpotential des vierten Anschlusselements.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ermittelt das erfindungsgemäße Verfahren an dem Gleichspannungsanschluss des Spannungskonverters eine Gleichspannung und/oder an dem Motoranschluss des Spannungskonverters eine Phasenspannung. Der Schritt zum Auswählen des Betriebsmodus wählt daraufhin den Betriebsmodus unter Verwendung der ermittelten Gleichspannung und/oder der ermittelten Phasenspannung aus.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem mit einem erfindungsgemäßen Spannungskonverter. Das elektrische Antriebssystem kann ferner eine elektrische Maschine mit einem Phasenanschluss umfassen, wobei der Phasenanschluss mit dem Maschinenanschluss des Spannungskonverters elektrisch gekoppelt ist. Ferner kann das elektrische Antriebssystem einen elektrischen Energiespeicher umfassen, der mit dem Gleichspannungsanschluss des Spannungskonverters elektrisch gekoppelt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Maschine eine mehrphasige elektrische Maschine, insbesondere eine mindestens zweiphasige Maschine. Das elektrische Antriebssystem umfasst in diesem Fall für jede Phase der elektrischen Maschine mindestens einen Spannungskonverter.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das elektrische Antriebssystem für jede Phase einer elektrischen Maschine eine Mehrzahl von parallelgeschalteten Spannungskonvertern umfassen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug, Flugzeug oder Schiff mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung eines Spannungskonverters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Spannungskonverter gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Spannungskonverter gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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4: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Spannungskonverter gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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5: eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Antriebssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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6: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Konvertieren einer elektrischen Spannung, wie es einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für einen Spannungskonverter 1, wie er einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt. Der Spannungskonverter 1 umfasst einen Gleichspannungsanschluss 11, einen Maschinenanschluss 12, eine Konvertierungsvorrichtung 13 und eine Steuervorrichtung 14. Der Gleichspannungsanschluss 11 kann mit einer Gleichspannungsquelle 2, beispielsweise einer Batterie, verbunden sein. Dabei ist ein erstes Anschlusselement A1 mit einem Pol der Gleichspannungsquelle 2 verbunden und ein zweiter Anschlusspunkt A2 mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Ferner verfügt der Spannungskonverter 1 über einen Maschinenanschluss 12 mit einem dritten Anschlusselement A3 und einem vierten Anschlusselement A4. In dem hier dargestellten einphasigen Ausführungsbeispiel können die beiden Anschlusselemente A3 und A4 des Maschinenanschlusses 12 mit den Phasenanschlüssen einer elektrischen Maschine 3 verbunden werden. Der Spannungskonverter 1 umfasst ferner eine Konvertierungsvorrichtung 13 mit den vier Schaltelementen S1 bis S4, sowie einer Induktivität L. Bei den Schaltelementen S1 bis S4 kann es sich beispielsweise um Halbleiterschalter T1 bis T4 handeln, denen vorzugsweise eine Freilaufdiode D1 bis D4 parallelgeschaltet ist. Als Halbleiterschalter sind beispielsweise Thyristoren, bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate (IGBT) oder MOSFET möglich. Für hohe Schaltfrequenzen sind dabei insbesondere Siliziumkarbit-Schalter (SiC) oder Super-Junction-MOSFET besonders geeignet, in denen sich auch Schaltfrequenzen von 20 kHz und mehr bei nur sehr geringen Schaltverlusten realisieren lassen.
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Das erste Schaltelement S1 ist dabei zwischen dem ersten Anschlusselement A1 des Gleichspannungsanschlusses 11 und einem ersten Knotenpunkt K1 angeordnet. Das zweite Schaltelement S2 ist zwischen diesem ersten Knotenpunkt K1 und dem zweiten Anschlusselement A1 des Gleichspannungsanschlusses 11 angeordnet. Weiterhin ist das dritte Schaltelement S3 zwischen dem dritten Anschlusselement A3 des Maschinenanschlusses 12 und einem zweiten Knotenpunkt K2 angeordnet. Das vierte Schaltelement S4 ist zwischen dem zweiten Knotenpunkt K2 und dem vierten Anschlusselement A4 des Maschinenanschlusses 12 angeordnet. Zwischen dem ersten Knotenpunkt K1 und dem zweiten Knotenpunkt K2 ist eine Induktivität L angeordnet. Der zweite Anschlusspunkt A2 des Gleichspannungsanschlusses 11 und das vierte Anschlusselement A4 des Maschinenanschlusses 12 können ebenfalls elektrisch miteinander verbunden werden und liegen vorzugsweise auf dem Bezugspotential des Spannungskonverters 1.
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Zur Ansteuerung der Schaltelemente S1 bis S4 können die Steueranschlüsse dieser Schaltelemente S1 bis S4 mit einer Steuervorrichtung 14 verbunden werden. Die Steuervorrichtung 14 kann dabei dazu ausgelegt werden, Steuersignale und/oder Sollwerte für den Betrieb der elektrischen Maschine 3 zu empfangen. Basierend auf diesen Steuersignalen und/oder Sollwerten gibt die Steuervorrichtung 14 Schaltsignale an die Schaltelemente S1 bis S4 aus, um die entsprechenden Schaltelemente S1 bis S4 zu öffnen bzw. zu schließen. Die Steuersignale bzw. Sollwerte können dabei über analoge oder digitale Signale an der Steuervorrichtung 14 bereitgestellt werden. Beispielsweise können die entsprechenden Steuersignale oder Sollwerte über ein Bussystem übertragen und von der Steuervorrichtung 14 empfangen werden.
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Ferner kann die Steuervorrichtung 14 auch Messwerte über die Spannung am Gleichspannungsanschluss 11 und/oder am Maschinenanschluss 12 empfangen. Beispielsweise können hierzu Spannungssensoren 15, 16 am Gleichspannungsanschluss 11 und/oder am Maschinenanschluss 12 angeordnet werden, die die entsprechenden Spannungen ermitteln und die Messwerte der ermittelten Spannungen an die Steuervorrichtung 14 übertragen. Alternativ können auch bereits vorhandene Sensoren ihre Messwerte an die Steuervorrichtung 14 übertragen, um Informationen über die Spannung am Gleichspannungsanschluss 11 und/oder am Maschinenanschluss 12 der Steuervorrichtung 14 bereitzustellen.
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Je nach Ansteuerung der Schaltelemente S1 bis S4 in der Konvertierungsvorrichtung 13 des Spannungskonverters 1 können somit verschiedene Betriebsmodi realisiert werden. In einem ersten Betriebsmodus arbeitet der Spannungskonverter 1 dabei als kombinierter Hochsetzsteller-Wechselrichter. Die am Gleichspannungsanschluss 11 anliegende Gleichspannung wird dabei angehoben und gleichzeitig in eine Spannung konvertiert, die dazu geeignet ist eine elektrische Maschine am Maschienenanschluss 12 anzusteuern. Im Hochsetzstellerbetrieb ist dabei der Maximalwert, also die Amplitude der Spannung am Maschinenanschluss 12 größer als die Gleichspannung, die am Gleichspannungsanschluss 11 anliegt.
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Hierzu wird das erste Schaltelement S1 durch die Steuervorrichtung 14 derart angesteuert, dass es dauerhaft geschlossen ist. Ferner wird das zweite Schaltelement S2 dauerhaft geöffnet. Das dritte Schaltelement S3 wird als aktiver Gleichrichter angesteuert, so dass durch die Freilaufdiode D3 und gegebenenfalls auch durch den Halbleiterschalter T3 der Strom nur in eine Richtung fließt. Das vierte Schaltelement S4 schließlich wird mit einer vorgegebenen Schaltfrequenz angesteuert. Dabei wird gemäß dem Prinzip der Pulsbreitenmodulation entsprechend dem Tastverhältnis die Spannung auf der Seite des Maschinenanschlusses 12 eingestellt. Dabei besteht zwischen Eingangsspannung U1 am Gleichspannungsanschluss 11 und Ausgangsspannung U2 am Maschinenanschluss 12 die folgende Beziehung: U2/U1 = T/(T – tein).
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Dabei ist T die Periodendauer der vorgegebenen Schaltfrequenz f mit der die Steuervorrichtung 14 das vierte Schaltelement S4 ansteuert und tein jeweils die Zeitspanne innerhalb einer Periodendauer T, während der das Schaltelement S4 geschlossen ist. Wie dabei zu erkennen ist, kann bereits bei einem Tastverhältnis tein:T von 50 % eine Ausgangsspannung U2 in doppelter Höhe der Eingangsspannung U1 erreicht werden.
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In einem zweiten Betriebsmodus arbeitet der Spannungskonverter 1 als kombinierter Tiefsetzsteller-Wechselrichter. Die am Gleichspannungsanschluss 11 anliegende Gleichspannung wird dabei verringert und gleichzeitig in eine Spannung konvertiert, die dazu geeignet ist eine elektrische Maschine am Maschinenanschluss 12 anzusteuern. Im Tiefsetzstellerbetrieb ist dabei der Maximalwert, also die Amplitude der Spannung am Maschinenanschluss 12 kleiner als die Gleichspannung, die am Gleichspannungsanschluss 11 anliegt.
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Dabei ist das dritte Schaltelement S3 dauerhaft geschlossen und das vierte Schaltelement S4 dauerhaft geöffnet. Das zweite Schaltelement S2 wird als aktiver Gleichrichter angesteuert, das in diesem Modus nur ein Stromfluss in eine Richtung zulässt. Das erste Schaltelement S1 wird schließlich mit der vorbestimmten Schaltfrequenz f = 1/T derart angesteuert, dass sich am Maschinenanschluss 12 die gewünschte Ausgangsspannung U2 einstellt. Dabei ist das Verhältnis von Ausgangsspannung U2 zur Eingangsspannung U1 wie folgt: U2/U1 = tein/T.
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Es ist anhand dieser Formel einfach zu erkennen, dass im Tiefsetzstellermodus die Ausgangsspannung U2 bis auf 0 Volt herabgesenkt werden kann, wenn tein gegen Null geht.
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Neben den zuvor beschriebenen Betriebsmodi, bei denen eine Gleichspannung an dem Gleichspannungsanschluss 11 in eine Spannung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine 3 konvertiert wird, ist ferner auch ein Konvertieren der am Maschinenanschluss 12 anliegenden Spannung einer in Generatorbetrieb betriebenen elektrischen Maschine 3 in eine Gleichspannung mit vorbestimmter Höhe möglich. Die Spannung U2, die von der elektrischen Maschine 3 am Maschinenanschluss 12 bereitgestellt wird, kann dabei variieren und größer oder kleiner sein als die Gleichspannung, die am Gleichspannungsanschluss 11 bereitgestellt werden soll, um dort einen elektrischen Energiespeicher 2 zu speisen und beispielsweise eine Batterie aufzuladen.
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Ist die Amplitude bzw. der Maximalwert der Spannung U2 am Maschinenanschluss 12 des Spannungskonverters 1 kleiner als die zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 2 erforderliche Gleichspannung U1, so arbeitet der Spannungskonverter 1 in einem weiteren Betriebsmodus als kombinierter Gleichrichter und Hochsetzsteller. Hierzu ist das dritte Schaltelement S3 dauerhaft geschlossen und das vierte Schaltelement S4 dauerhaft geöffnet. Das erste Schaltelement S1 arbeitet als aktiver Gleichrichter, das den Strom nur in eine Richtung durchlässt, und das zweite Schaltelement S2 wird mit einer vorgegebenen Schaltfrequenz getaktet. Somit stellt sich am Gleichspannungsanschluss 11 eine Spannung U1 gemäß folgender Formel ein: U1/U2 = T/(T – tein).
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Ist der Maximalwert bzw. die Amplituder der von der elektrischen Maschine 3 bereitgestellten Spannung U2 am Maschinenanschluss 12 größer als die Spannung U1, mit der der elektrische Energiespeicher 2 aufgeladen werden soll, so arbeitet der Spannungskonverter 1 in einem weiteren Betriebsmodus als kombinierter Gleichrichter und Tiefsetzsteller. Hierzu ist das erste Schaltelement S1 dauerhaft geschlossen und das zweite Schaltelement dauerhaft geöffnet. Das vierte Schaltelement S4 arbeitet als aktiver Gleichrichter, der den Strom nur in eine Richtung durchlässt, während das dritte Schaltelement S3 mit der vorgegebenen Schaltfrequenz f = 1/T getaktet wird. Hiermit stellen sich die Spannungsverhältnisse gemäß der folgenden Formel ein: U1/U2 = tein/T.
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Darüber hinaus ist es mit dem zuvor beschriebenen Spannungskonverter 1 auch möglich, die elektrische Maschine 3 in einen sicheren Betriebszustand, wie den aktiven Kurzschluss oder einen Freilaufmodus zu schalten.
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Für den aktiven Kurzschluss werden hierzu das erste und das zweite Schaltelement S1 und S2 geöffnet und das dritte Schaltelement S3 und das vierte Schaltelement S4 geschlossen. Somit sind an dem Maschinenanschluss 12 das dritte Anschlusselement A3 und das vierte Anschlusselement A4 elektrisch miteinander verbunden und damit die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine 3 kurzgeschlossen.
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Sind dagegen das dritte Schaltelement S3 und das vierte Schaltelement S4 gleichzeitig geöffnet, so befindet sich die elektrische Maschine 3 im Freilaufmodus.
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Die Ansteuerung der Schaltelemente S1 bis S4 der Konvertierungsvorrichtung 13 des Spannungskonverters 1 durch die Steuervorrichtung 14 anhand der zuvor beschriebenen Formel kann dabei mittels eines geeigneten Mikrocontrollers erfolgen. Bei entsprechender vorhandener Rechenleistung kann dabei das Tastverhältnis der zu schaltenden Schaltelemente S1 bis S4 über geeignete mathematische Algorithmen erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, die erforderlichen Tastverhältnisse vorab zu berechnen und in einem Speicher der Steuervorrichtung 14 abzuspeichern. Auf diese Weise kann die Steuervorrichtung 14 entlastet werden.
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Die Schaltfrequenz, mit der die Schalterelemente S1 bis S4 angesteuert werden, kann in einem sehr breiten Frequenzbereich gewählt werden. Analog zu konventionellen Wechselrichtern sind beispielsweise auch Schaltfrequenzen im Bereich bis zu 10 kHz möglich. Relativ niedrige Schaltfrequenzen erfordern jedoch eine relativ große Induktivität L zwischen dem ersten Knotenpunkt K1 und dem zweiten Knotenpunkt K2. Durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz auf Frequenzen oberhalb von 20 kHz und mehr kann die erforderliche Induktivität L entsprechend verkleinert werden. Dies führt zu einer weiteren Reduktion des erforderlichen Bauraums und des Gewichts des Spannungskonverters 1. Darüber hinaus führt die Verwendung von Schaltfrequenzen oberhalb des menschlichen Hörbereichs auch zu einer geringeren akustischen Beeinträchtigung. Für die Verwendung derart hoher Schaltfrequenzen von 20 kHz und mehr sind insbesondere moderne Siliziumkarbit(SiC)-Schalter vorteilhaft. Derartige SiC-Schalter weisen auch bei Schaltfrequenzen oberhalb von 20 kHz relativ geringe Schaltverluste auf. Alternativ können darüber hinaus auch Spannungskonverter mit Super-Junction MOSFET eingesetzt werden, die ebenfalls bei hohen Schaltfrequenzen nur geringe Schaltverluste aufweisen.
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Das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel beschreibt für ein besseres Verständnis einen elektrischen Antrieb aus Spannungskonverter 1, elektrischem Energiespeicher 2 und einer einphasigen elektrischen Maschine 3. Darüber hinaus kann der Spannungskonverter 1 auch für elektrische Antriebe mit mehrphasigen elektrischen Maschinen 3 verwendet werden. Im Nachfolgenden sind daher Schaltungskonfigurationen für eine dreiphasige elektrische Maschine 3 ausgeführt. Die Wahl von drei Phasen für eine mehrphasige elektrische Maschine 3 dient dabei nur zu Anschauungszwecken. Darüber hinaus sind auch elektrische Maschinen mit einer beliebigen anderen Anzahl von Phasen ebenso möglich.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltungskonzepts einer dreiphasigen elektrischen Maschine 3 mit Massensternpunkt. Jede der drei Phasen L1, L2, L3 ist dabei mit einem Anschlusselement, beispielsweise dem dritten Anschlusselement A3 des Maschinenanschlusses 12 einer zuvor beschriebenen Konvertierungsvorrichtung 13 elektrisch verbunden. Das jeweils andere Anschlusselement, also beispielsweise das vierte Anschlusselement A4 ist mit dem Bezugspotential elektrisch verbunden. Der Sternpunkt der elektrischen Maschine 3 ist darüber hinaus ebenfalls mit dem Bezugspotential elektrisch verbunden. Auf der Gleichspannungsseite werden alle Gleichspannungsanschlüsse 11 von einem gemeinsamen elektrischen Energiespeicher 2 gespeist. Die Schaltelemente aller Konvertierungsvorrichtungen 13 können dabei von einer gemeinsamen Steuervorrichtung 14 angesteuert werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass für jede Phase eine separate Steuervorrichtung 14 vorhanden ist.
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3 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines elektrischen Antriebs mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine 3. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine dreiphasige Systemstruktur mit einem virtuellen Massensternpunkt dargestellt. Das heißt, die Wicklungen aller Phasen der elektrischen Maschine 3 sind im Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden. Dieser Sternpunkt ist jedoch nicht mit einem Bezugspotential elektrisch verbunden. Ansonsten ist der Aufbau des elektrischen Antriebs mit virtuellen Massensternpunkt analog zu dem Aufbau des elektrischen Antriebs mit Massensternpunkt, bei dem der Massensternpunkt auf Bezugspotential liegt.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebs mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine in Dreieckschaltung. Die Wicklungen der elektrischen Maschine 3 sind dabei jeweils zwischen zwei Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine 3 geschaltet. Darüber hinaus ist der Aufbau der elektrischen Energiequelle 2 sowie der verwendeten Spannungskonverter 1 analog zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb. Der elektrische Antrieb aus elektrischem Energiespeicher 2, den Spannungskonvertern 1 sowie der elektrischen Maschine 3 kann dabei beispielsweise gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgeführt sein.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren 100 zum Konvertieren einer elektrischen Spannung gemäß einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt. In einem Schritt 110 wird zunächst ein zuvor beschriebener Spannungskonverter 1 bereitgestellt. Daraufhin wird in Schritt 120 ein Betriebsmodus ausgewählt. Bei diesem Betriebsmodus kann es sich beispielsweise um die zuvor beschriebenen Betriebsmodi Hochsetzsteller-Wechselrichter, die Tiefsetzsteller-Wechselrichter, Hochsetzsteller-Gleichrichter, Tiefsetzsteller-Gleichrichter handeln. Darüber hinaus ist auch der sichere Betriebsmodus in Form eines aktiven Kurzschluss oder Freilaufmodus möglich.
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Daraufhin wird in Schritt 130 der Spannungskonverter 1 in Abhängigkeit von dem ausgewählten Betriebsmodus angesteuert.
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Die Auswahl des Betriebsmodus kann dabei entsprechend zu den zuvor empfangenen Sollwertvorgaben für einen Drehmoment der elektrischen Maschine 3 bestimmt werden. Alternativ kann auch anstelle des Drehmoments ein elektrischer Strom in der oder den Phasen der elektrischen Maschine 3 vorgegeben werden, der durch das Bereitstellen der Ausgangsspannung am Motoranschluss 12 des Spannungskonverters eingestellt werden soll. Soll die elektrische Maschine 3 verzögert werden, um beispielsweise ein elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug abzubremsen, so kann auch ein entsprechendes Bremsmoment vorgegeben werden. Ferner kann auch für das Einstellen eines sicheren Betriebsmodus der Betriebsmodus des aktiven Kurzschlusses oder des Freilaufmodus vorgegeben werden. Ferner können auch die Spannungsverhältnisse am Maschinenanschluss 12 bzw. dem Gleichspannungsanschluss 11 ermittelt werden. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, festzulegen, ob der Spannungskonverter 1 im Hochsetzstellermodus oder im Tiefsetzstellermodus betrieben werden soll. Ferner ist somit auch eine präzise Regelung zur Einstellung der Spannungsverhältnisse am Gleichspannungsanschluss 11 bzw. am Maschinenanschluss 12 möglich.
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Hierzu kann beispielsweise in Schritt 115 die Größe der Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss 11 des Spannungskonverters 1 ermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Größe der Phasenspannung am Motoranschluss 12 des Spannungskonverters 1 ermittelt werden. Basierend auf den ermittelten Spannungen kann in Schritt 130 dann der Betriebsmodus unter Verwendung der ermittelten Gleichspannung und/oder der ermittelten Phasenspannung ausgewählt werden.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen bidirektionalen Spannungskonverter. Der Spannungskonverter umfasst mindestens vier Betriebsmodi zur Konvertierung einer Gleichspannung in eine Spannung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine bzw. zur Konvertierung einer Generatorspannung in eine Gleichspannung. Die jeweilige konvertierte Spannung wird dabei geglättet und mit deutlich verringertem Störanteil bereitgestellt als bei konventionellen Stromstellern. Der Schaltungsaufbau ermöglicht insbesondere einen Betrieb mit hohen Schaltfrequenzen. Somit kann die Schaltfrequenz auf einem Bereich jenseits des menschlichen Hörbereiches verlagert werden. Darüber hinaus ermöglichen hohe Schaltfrequenzen auch eine Reduktion des Gewichts und des erforderlichen Bauraums für den Spannungskonverter.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013201538 A1 [0004]
