DE102021126621A1

DE102021126621A1 - Elektrischer Kraftfahrzeug-Traktionsmotor

Info

Publication number: DE102021126621A1
Application number: DE102021126621.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Reinlein; Thomas Hubert; Robert Nelles; Maximilian Barkow
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Kraftfahrzeug-Traktionsmotor (10) mit einem induktiv- oder fremd-erregten Motorrotor (20), einem polumschaltbaren Motorstator (30), und einer elektronischen Motorsteuerung (40) mit mehreren Leistungshalbleiter-Halbbrücken (411, 412, 413, 421, 422, 423, 431, 432, 433) und einer elektronischen Brückenansteuerung (46) zum Schalten der Leistungshalbleiter (H, L) der Leistungshalbleiter-Halbbrücken (411, 412, 413, 421, 422, 423, 431, 432, 433). Der Motorstator (30) weist mindestens zwei elektrisch voneinander getrennte und gleichartige Wicklungssysteme mit jeweils mindestens zwei elektrisch miteinander verbundenen Wicklungssystem-Spulensträngen (311, 312, 313, 321, 322, 323, 331, 332, 333) auf. Die Motorsteuerung (40) weist für jeden Spulenstrang eine Leistungshalbleiter-Halbbrücke auf, die jeweils mit einem Anschluss des betreffenden Spulenstrangs direkt elektrisch verbunden ist. Die Motorsteuerung (40) weist einen Polumschalter (48) auf, der die Brückenansteuerung (46) derart steuert, dass in einem Wenigpol-Modus mehrere Spulenstränge (311, 321, 331, 312, 322, 332, 313, 323, 333) mehrerer Wicklungssysteme gleichzeitig identisch bestromt werden und in einem Vielpol-Modus nicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Kraftfahrzeug-Traktionsmotor mit einem induktiv- oder fremd-erregten Motorrotor.
Als elektrische Kraftfahrzeug-Traktionsmotoren eignen sich wegen ihres hohen Wirkungsgrades, ihrer Kompaktheit und ihrer guten Kühlbarkeit insbesondere elektrische Synchronmaschinen. Der Motorrotor ist hierbei induktiv- oder fremderregt.
Der Motorstator wird von einer Vielzahl einzelner physischer Stator-Polspulen gebildet, die jeweils einen elektromagnetischen Statorpol bilden. Der Motorstator eines Kraftfahrzeug-Traktionsmotors weist eine Vielzahl an physischen Statorpolen auf. Daher sind zwei oder mehr Polspulen verschiedener physischer Statorpole seriell jeweils zu einem Spulenstrang zusammengeschaltet. Mehrere Spulenstränge sind ebenfalls elektrisch miteinander verbunden und bilden zusammen ein Wicklungssystem. Die Spulenstränge sind in einem Dreieck miteinander verbunden und bilden auf diese Weise ein Dreiecks-Wicklungssystem, oder sind sternartig miteinander verbunden und bilden ein Sternanordnungs-Wicklungssystem. Jeder Spulenstrang weist an einem Ende einen elektrischen Anschluss auf, der direkt an eine Leistungshalbleiter-Halbbrücke der Motorsteuerung angeschlossen ist. Die Leistungshalbleiter der Halbbrücken werden von einer elektronischen Brückenansteuerung angesteuert bzw. geschaltet, die Teil der Motorsteurung ist.
Ein Kraftfahrzeug-Traktionsmotor wird über einen sehr großen Drehzahlbereich und Drehmomentbereich betrieben. Zwar ist ein Elektromotor einem Verbrennungsmotor bezüglich seines Drehmomentverlaufs und Drehzahlbereichs teilweise überlegen, jedoch schränkt sein starres Wicklungssystem dennoch den effektiv nutzbaren Drehzahlbereich nicht unerheblich ein. Auch Kraftfahrzeuge mit einem elektrischen Traktionsmotor weisen daher teilweise ein 2-gängiges Schaltgetriebe auf.
Aus EP 1 253 037 B1 ist ein Kraftfahrzeug-Traktionsmotor bekannt, bei dem zwischen verschiedenen Wicklungssystemen umgeschaltet werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kraftfahrzeug-Traktionsmotor mit verbessertem Drehmoment- und Drehzahlverhalten zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem elektrischen Kraftfahrzeug-Traktionsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Der erfindungsgemäße elektrische Kraftfahrzeug-Traktionsmotor weist einen induktiv- oder fremd-erregten Motorrotor auf, ist also ein Asynchron- oder ein Synchronmotor. Der Traktionsmotor weist ferner einen polumschaltbaren Motorstator auf, dessen Spulenstränge jeweils von Leistungshalbleiter-Halbbrücken bestromt werden. Eine elektronische Motorsteuerung steuert die Leistungshalbleiter der Leistungshalbleiter-Halbbrücken an bzw. schaltet diese.
Der Motorstator weist mindestens zwei elektrisch voneinander getrennte und gleichartige Wicklungssysteme mit jeweils mindestens zwei elektrisch miteinander verbundenen Wicklungssystem-Spulensträngen auf, die vorzugsweise symmetrisch über den Statorumfang verteilt angeordnet sind. Die mindestens zwei elektrisch voneinander getrennten Wicklungssysteme können grundsätzlich als Dreieck-Wicklungsanordnung ausgebildet sein. Besonders bevorzugt sind die elektrisch voneinander getrennten Wicklungssysteme aber als Sternanordnungen ausgebildet, wobei die jeweiligen Sternpunkte der Sternanordnungs-Wicklungssysteme elektrisch voneinander isoliert sind. Jeder Spulenstrang weist einen elektrischen Anschluss auf, der jeweils direkt an eine Leistungshalbleiter-Halbbrücke angeschlossen ist. Jede Leistungshalbleiter-Halbbrücke besteht aus einem Highside-Leistungshalbleiter und einem Lowside-Leistungshalbleiter.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Motorsteuerung einen Polumschalter aufweist, der die Brückenansteuerung derart steuert, dass in einem Wenigpol-Modus mehrere Spulenstränge mehrerer Wicklungssysteme gleichzeitig identisch bestromt werden, und in einem Vielpol-Modus diese Spulenstränge nicht gleichzeitig identisch bestromt werden. Im Wenigpol-Modus sind also mehrere Spulenstränge mehrerer Wicklungssysteme elektrisch parallel geschaltet, werden also vollständig miteinander synchronisiert angesteuert. Der Wenigpol-Modus ist für hohe Motorrotor-Drehzahlen geeignet, da hierbei durch die halbierte, gedrittelte oder in noch höherem Maße verringerte Grundschwingungs- bzw. Kommutierungs-Frequenz die Ummagnetisierungs- Verluste erheblich verringert sind. Die Wicklungssystem- Form der Wicklungssysteme, Dreieck oder bevorzugt Stern, bleibt jedoch stets unverändert.
Der Vielpol-Modus ist insbesondere zum Anfahren des Kraftfahrzeugs und für niedrige Rotor-Drehzahlen geeignet, da hierbei die Ummagnetisierungs-Verluste relativ gering sind und eine hoch aufgelöste Ansteuerung der Spulenstränge realisierbar ist.
Vorzugsweise weist jedes Wicklungssystem jeweils genau drei Wicklungssystem-Spulenstränge auf. Vorzugsweise sind ferner genau drei Wicklungssysteme vorgesehen.
Jeder Spulenstrang kann eine einzige Polspule bilden, kann jedoch auch mehrere in Serie hintereinander geschaltete Polspulen bilden, so dass die Anzahl an physischen Statorpolen, von denen jeder eine Polspule aufweist, ein ganzzahliges Vielfaches des Produktes der Wicklungssystem-Anzahl und der Wicklungssystem-Spulenstränge ist.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch einen elektrischen Kraftfahrzeug-Traktionsmotor mit drei Sternanordnungs- Wicklungssystemen mit jeweils drei Spulensträngen, und mit einer einen Polumschalter aufweisenden Brückenansteuerung zur Ansteuerung der den Spulensträngen jeweils zugeordneten Leistungshalbleiter-Halbbrücken.
Die Figur zeigt schematisch einen elektrischen Kraftfahrzeug-Traktionsmotor 10 und eine elektrische Hochvolt-Traktionsbatterie 50, die den Traktionsmotor 10 mit elektrischer Energie speist. Der Traktionsmotor 10 weist einen polumschaltbaren Motorrotor 20, einen Motorstator 30 und eine elektronische Motorsteuerung 40 auf.
Der Motorstator 30 wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel von drei Sternanordnungs-Wicklungssystemen mit jeweils drei Wicklungssystem-Spulensträngen 311, 312, 313; 321, 322, 323 bzw. 331, 332, 333 gebildet. Jedes Wicklungssystem hat einen eigenen Sternpunkt 31', 32', 33', der mit den jeweils beiden anderen Sternpunkten elektrisch nicht verbunden ist.
Die elektronische Motorsteuerung 40 meist im vorliegenden Ausführungsbeispiel für jeden Spulenstrang 311, 312, 313, 321, 322, 323, 331, 332, 333 jeweils eine zugeordnete Leistungshalbleiter-Halbbrücke 411, 412, 413, 421, 422, 423, 431, 432, 433 auf, die jeweils aus einem Highside-Leistungshalbleiter H und einem Lowside-Leistungshalbleiter L gebildet ist. Ferner weist die Motorsteuerung 40 eine elektronische Brückenansteuerung 46 mit einem Polumschalter 48 auf.
Die einem Wicklungssystemen jeweils zugeordneten drei Leistungshalbleiter-Halbbrücken 411, 412, 413; 421, 422, 423 bzw. 431, 432, 433 sind jeweils zu einer Systemgruppe 41,42,43 elektrisch derart zusammengefasst, dass die drei Halbbrücken einer Systemgruppe 41,42,43 jeweils wahlweise synchron, also gleichzeitig, oder alternativ individuell durch die Brückenansteuerung 46 angesteuert werden können. Die Brückenansteuerung 46 empfängt zur Auswahl des passenden Pol-Modus unter anderem die aktuelle Rotor-Drehzahl und die aktuelle Traktionsmotor-Leistungsanforderung, und bestimmt hieraus, ob die Motorsteuerung 40 im Wenigpol-Modus oder alternativ im Vielpol-Modus betrieben werden soll. Der passende Polmodus wird dann von dem Polumschalter 48 in der Brückenansteuerung 46 entsprechend eingestellt.
Im Wenigpol-Modus werden die Leistungshalbleiter H, L aller drei Halbbrücken 411, 412, 413; 421, 422, 423 bzw. 431, 432, 433 einer Systemgruppe 41,42,43 praktisch gleichzeitig geschaltet, was insbesondere bei hohen Rotor-Drehzahlen vorteilhaft ist, da hierdurch die Ummagnetisierungs-Verluste relativ gering sind.
Im Vielpol-Modus dagegen werden nur die beiden Leistungshalbleiter H, L jeder Halbbrücke 411, 412, 413, 421, 422, 423, 431, 432, 433 jeweils gleichzeitig geschaltet, nicht jedoch die drei Halbbrücken 411, 412, 413; 421, 422, 423 bzw. 431, 432, 433 innerhalb einer Systemgruppe 41,42,43 gleichzeitig geschaltet. Auf diese Weise ergibt sich eine dreimal höhere rotatorische Auflösung, was insbesondere zum Anfahren des Kraftfahrzeugs und bei niedrigen Motorrotor-Drehzahlen vorteilhaft ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1253037 B1 [0005]

Claims

Elektrischer Kraftfahrzeug-Traktionsmotor (10) mit einem fremd- oder induktiv-erregten Motorrotor (20), einem polumschaltbaren Motorstator (30), und einer elektronischen Motorsteuerung (40) mit mehreren Leistungshalbleiter-Halbbrücken (411,412,413,421,422,423,431,432,433) und einer elektronischen Brückenansteuerung (46) zum Schalten der Leistungshalbleiter (H,L) der Leistungshalbleiter-Halbbrücken (411,412,413,421,422,423,431,432,433), dadurch gekennzeichnet, dass der Motorstator (30) mindestens zwei elektrisch voneinander getrennte und gleichartige Wicklungssysteme mit jeweils mindestens zwei elektrisch miteinander verbundenen Wicklungssystem-Spulensträngen (311,312,313,321,322,323,331,332,333) aufweist, die Motorsteuerung (40) für jeden Spulenstrang (311,312,313,321,322,323,331,332,333) eine Leistungshalbleiter-Halbbrücke (411,412,413,421,422,423,431,432,433) aufweist, die jeweils mit einem Anschluss des betreffenden Spulenstrangs (311,312,313,321,322,323,331,332,333) direkt elektrisch verbunden ist, und die Motorsteuerung (40) einen Polumschalter (48) aufweist, der die Brückenansteuerung (46) derart steuert, dass in einem Wenigpol-Modus mehrere Spulenstränge (311,321,331,312,322,332,313,323,333) mehrerer Wicklungssysteme gleichzeitig identisch bestromt werden und in einem Vielpol-Modus nicht gleichzeitig identisch bestromt werden.
Elektrischer Kraftfahrzeug-Traktionsmotor (10) nach Anspruch 1, wobei die Wicklungssysteme jeweils als Sternanordnungen ausgebildet sind, wobei die jeweiligen Sternpunkte (31',32',33') der Sternanordnungs-Wicklungssysteme elektrisch voneinander isoliert sind.
Elektrischer Kraftfahrzeug-Traktionsmotor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei jedes Wicklungssystem jeweils genau drei Wicklungssystem-Spulenstränge (311,312,313,321,322,323,331,332,333) aufweist.
Elektrischer Kraftfahrzeug-Traktionsmotor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei genau drei Wicklungssysteme vorgesehen sind.