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Die Erfindung betrifft einen Zwischenkreis für einen 3-Level-Inverter eines Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs zum Verbinden mit zumindest drei Schaltabschnitten des 3-Level-Inverters. Der Zwischenkreis weist drei Anschlüsse in Form von einem High-Side-Anschluss, einem Low-Side-Anschluss und einem Mittelpunktanschluss auf, wobei pro Schaltabschnitt ein Phasenabgriff des Schaltabschnittes in Abhängigkeit von einem Schaltzustand des Schaltabschnittes mit einem der Anschlüsse des Zwischenkreises verschaltbar ist. Außerdem weist der Zwischenkreis einen ersten Zwischenkreiszweig mit einer Serienschaltung aus einem ersten Kondensator und einem zweiten Kondensator auf, wobei die Serienschaltung mit dem High-Side-Anschluss und dem Low-Side-Anschluss verbunden ist und der Mittelpunktanschluss mit einem Mittelabgriff zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft außerdem einen 3-Level-Inverter sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf 3-Level-Inverter bzw. Dreistufenwechselrichter für Hochvoltbordnetze elektrifizierter Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche 3-Level-Inverter sind zwischen einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktionsbatterie, und eine elektrische Antriebsmaschine des Hochvoltbordnetzes geschaltet und dienen dazu, eine von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellte Gleichspannung in eine Mehrphasenwechselspannung für Phasen der elektrischen Antriebsmaschine zu wandeln.
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Inverter weisen üblicherweise drei parallel geschaltete Halbbrücken sowie einen mit den Halbbrücken verbundenen Zwischenkreis auf. Jede Halbbrücke weist jeweils zwei Schalteinrichtungen auf, wobei eine erste Schalteinrichtung zumindest einen High-Side-Schalter aufweist und mit einem High-Side-Anschluss des Zwischenkreises verbunden ist und wobei eine zweite Schalteinrichtung zumindest einen Low-Side-Schalter aufweist und mit einem Low-Side-Anschluss des Zwischenkreises verbunden ist. Zusätzlich zu den Halbbrücken weisen 3-Level-Inverter drei dritte Schalteinrichtungen mit jeweils zumindest einem Mittelpunktschalter auf, wobei jeweils eine dritte Schalteinrichtung mit einem Mittelpunktanschluss des Zwischenkreises zwischen zwei seriell verschalteten Kondensatoren des Zwischenkreises elektrisch verbunden ist. Ein solcher 3-Level-Inverter kann pro Schaltabschnitt, welcher aus einer Halbbrücke und einer dritten Schalteinrichtung besteht, drei Spannungslevel für die Phasen der elektrischen Maschine bereitstellen und weist somit zusätzlich zu den acht Schaltzuständen eines herkömmlichen 2-Level-Inverters 19 weitere Schaltzustände zum Modulieren einer arbeitspunktspezifischen Ausgangsspannung auf. Mittels dieser 27 Schaltzustände kann eine gewünschte Sinusform der Ausgangsspannung mit einem besonders geringen Oberwellenanteil erzeugt werden, wodurch Verluste in der elektrischen Maschine verringert werden. Außerdem weist der 3-Level-Inverter besonders geringe Schaltverluste auf.
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Die Aufgabe der Zwischenkreiskondensatoren des Zwischenkreises besteht zum einen in der Bereitstellung von Energie für die Kommutierungsvorgängen in dem Inverter und zum anderen auch in der Filterung für die auftretenden Strom- und Spannungsrippel im Gleichstrompfad des Hochvoltbordnetzes. Um diese Rippelanforderungen zu erfüllen, ist eine gewisse wirksame Zwischenkreiskapazität im 3-Level-Inverter notwendig. Die Reihenschaltung der Kondensatoren mit jeweils einer Kapazität von C für zu einer wirksamen Kapazität von C/2. Daher sind die beiden Kondensatoren mit entsprechend großen Kapazitäten auszulegen, um eine am Zwischenkreis entsprechend wirksame Gesamtkapazität zu erhalten. Dies führt zu einem sehr großen Volumen und einem großen Gewicht der Kondensatoren.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gewichtssparenden und bauraumoptimierten Zwischenkreis für einen 3-Level-Inverter eines Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welcher zudem Rippelanforderungen des Hochvoltbordnetzes genügt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zwischenkreis, einen 3-Level-Inverter sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßer Zwischenkreis für einen 3-Level-Inverter eines Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs dient zum Verbinden mit zumindest drei Schaltabschnitten des 3-Level-Inverters. Der Zwischenkreis weist drei Anschlüsse in Form von einem High-Side-Anschluss, einem Low-Side-Anschluss und einem Mittelpunktanschluss auf, wobei pro Schaltabschnitt ein Phasenabgriff des Schaltabschnittes in Abhängigkeit von einem Schaltzustand des Schaltabschnittes mit einem der Anschlüsse des Zwischenkreises verschaltbar ist. Außerdem weist der Zwischenkreis einen ersten Zwischenkreiszweig mit einer Serienschaltung aus einem ersten Kondensator und einem zweiten Kondensator auf, wobei die Serienschaltung mit dem High-Side-Anschluss und dem Low-Side-Anschluss verbunden ist und der Mittelpunktanschluss mit einem Mittelabgriff zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator verbunden ist. Darüber hinaus weist der Zwischenkreis zumindest einen zweiten Zwischenkreiszweig auf, welcher zu dem ersten Zwischenkreiszweig parallel geschaltet ist und welcher einen mit dem High-Side-Anschluss und dem Low-Side-Anschluss verbundenen dritten Kondensator zur Reduzierung eines durch die Schaltabschnitte und/oder das Hochvoltbordnetz in den Zwischenkreis induzierten Rippelsignals ausgebildet ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen 3-Level-Inverter, welcher einen erfindungsgemäßen Zwischenkreis sowie zumindest drei Schaltabschnitte mit jeweils einem Phasenabgriff zum Anschließen an jeweils eine Phase einer elektrischen Maschine aufweist. Die Schaltabschnitte können jeweils drei Schalteinrichtungen in Form von einer High-Side-Schalteinrichtung, einer Low-Side-Schalteinrichtung und einer Mittelpunktschalteinrichtung umfassen, wobei die High-Side-Schalteinrichtung und die Low-Side-Schalteinrichtung zu einer Halbbrücke verschaltet sind. Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst einen elektrischen Energiespeicher, eine elektrische Maschine sowie einen erfindungsgemäßen 3-Level-Inverter, welcher eingangsseitig mit dem elektrischen Energiespeicher und ausgangsseitig mit Phasen eines Stators der elektrischen Maschine verbunden ist. Der 3-Level-Inverter ist dazu ausgelegt, die von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellte Gleichspannung, welche als Eingangsspannung bzw. Zwischenkreisspannung am Zwischenkreis des 3-Level-Inverters anliegt, in eine Mehrphasenwechselspannung zu wandeln und als Ausgangsspannung für die Phasen der elektrischen Maschine bereitzustellen.
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Der 3-Level-Inverter weist eingangsseitig den Zwischenkreis auf, welcher den ersten Zwischenkreiszweig aufweist. Dieser erste Zwischenkreiszweig weist eine Reihenschaltung aus dem ersten und dem zweiten Kondensator auf. Der erste und der zweite Kondensator sind insbesondere gleich dimensioniert, weisen also im Wesentlichen die gleiche Kapazität auf. Die Anschlüsse der Reihenschaltung der Kondensatoren, welche mit dem High-Side-Anschluss und dem Low-Side-Anschluss des Zwischenkreises verbunden sind, werden mit Polen des elektrischen Energiespeichers sowie mit den Halbbrücken der Schaltabschnitte bzw. Schaltbrücken verbunden. Zwischen den Kondensatoren des ersten Zwischenkreiszweiges ist der Mittelabgriff vorgesehen, welcher mit dem Mittelpunktanschluss des Zwischenkreises verbunden ist. Der Mittelpunktanschluss kann mit den dritten Schalteinrichtungen der Schaltabschnitte verbunden werden. Die Halbbrücken bilden dabei jeweils einen vertikalen Brückenzweig des jeweiligen Schaltabschnittes und die dritten Schalteinrichtungen bilden einen horizontalen Brückenzweig des jeweiligen Schaltabschnittes. Schalter der Schalteinrichtungen können beispielsweise als IGBTs oder Leistungs-MOSFETs ausgebildet sein.
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Mittels des geteilten ersten Zwischenkreiszweigs des Zwischenkreises können pro Schaltabschnitt drei unterschiedliche Spannungslevel, nämlich ein High-Side-Potential, ein Low-Side-Potential und ein Mittelpunktpotential, und somit drei Schaltzustände bereitgestellt werden. Jeder Schaltzustand erzeugt einen Spannungsvektor, der als ein Raumzeiger in einem Zeigerdiagramm repräsentierbar ist, sodass die gewünschte, arbeitspunktspezifische Ausgangsspannung mittels Raumzeigermodulation erzeugt werden kann. Dabei wird bei einer geschlossenen ersten Schalteinrichtung eines Schaltabschnittes der Phasenabgriff dieses Schaltabschnittes mit dem High-Side-Anschluss des Zwischenkreises elektrisch verbunden und somit das High-Side-Potential an die zugehörige Phase angelegt. Bei einer geschlossenen zweiten Schalteinrichtung eines Schaltabschnittes wird der Phasenabgriff dieses Schaltabschnittes mit dem Low-Side-Anschluss des Zwischenkreises elektrisch verbunden und somit das Low-Side-Potential an die zugehörige Phase angelegt. Bei einer geschlossenen dritten Schalteinrichtung eines Schaltabschnittes wird der Phasenabgriff dieses Schaltabschnittes mit dem Mittelpunktanschluss des Zwischenkreises elektrisch verbunden und somit das Mittelpunktpotential an die zugehörige Phase angelegt.
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In den Zwischenkreis kann nun, beispielsweise durch die Schaltabschnitte und/oder das Hochvoltbordnetz, ein Rippelsignal, beispielsweise eine Rippelspannung und ein Rippelstrom, eingetragen werden. Ein solches Rippelsignal beliebiger Frequenz und Kurvenform ist dem Gleichsignal, beispielsweise der an den Kondensatoren der Reihenschaltung anliegenden Gleichspannung, überlagert. Dieses Rippelsignal kann durch die Schaltvorgänge der Schalter der Schaltabschnitte entstehen und in den Zwischenkreis und/oder in das Hochvoltbordnetz zurückgespeist werden. Dort kann das Rippelsignal Lade- und Entladevorgänge der Kondensatoren bewirken, durch welche sich die Kondensatoren in unerwünschter Weise erwärmen. Daher weisen die Kondensatoren eine gewisse Spannungsfestigkeit gegenüber dem Spannungsrippel der Halbbrücken auf und sind so ausgelegt, dass die durch den Stromrippel erzeugten Stromwärmeverluste und die damit verbundene Eigenerwärmung die maximal zulässigen Kondensatormaterialtemperaturen nicht überschreiten. Insbesondere weisen der erste und der zweite Kondensator jeweils eine Spannungsfestigkeit auf, welche mehr als der Hälfte der an dem Zwischenkreis anliegenden und von dem elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs bereitgestellten Zwischenkreisspannung beträgt.
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Um zu verhindern, dass das Rippelsignal in weitere Komponenten des Hochvoltbordnetzes eingetragen wird, und um somit zu gewährleisten, dass der Zwischenkreis den Rippelanforderungen des Hochvoltbordnetzes gerecht wird, ist der zweite Zwischenkreiszweig vorgesehen, welcher parallel zu dem ersten Zwischenkreiszweig geschaltet ist. Dazu ist der zweite Zwischenkreiszweig ebenfalls zwischen den High-Side-Anschluss und den Low-Side-Anschluss geschaltet. Der zweite Zwischenkreiszweig ist nicht geteilt, weist also nur den dritten Kondensator und somit keinen mit dem Mittelpunktanschluss verbundenen Mittelabgriff auf. Dieser dritte Kondensator dient dazu, das Rippelsignal für das Hochvoltbordnetz zumindest zu reduzieren. Die Kapazität des dritten Kondensators kann kleiner als, größer als oder so groß wie die Kapazitäten des ersten und des zweiten Kondensators sein. Die drei Kondensatoren sind dabei derart dimensioniert, dass sie im verschalteten Zustand eine am Zwischenkreis wirksame Gesamtkapazität bereitstellen, welche gemäß dem Stand der Technik mit nur zwei seriell verschalteten, jedoch deutlich größer dimensionierten Kondensatoren erreicht wird.
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Durch den zweiten Zwischenkreiszweig mit dem dritten Kondensator wird ein hybrider Zwischenkreis gebildet, welcher zum Sicherstellen der Inverterfunktion und zur Rippelreduktion dient. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass der erste und der zweite Kondensator kleiner dimensioniert werden können, da sie lediglich dazu ausgelegt sein müssen, die Inverterfunktion in jedem Arbeitspunkt sicherzustellen. Für die Rippelreduktion ist der dritte Kondensator zuständig. Obwohl dieser dritte Kondensator vorgesehen ist, weist der hybride Zwischenkreis einen geringeren Bauraumbedarf und ein geringeres Gewicht auf als ein Zwischenkreis mit nur zwei seriellen Kondensatoren, da alle Kondensatoren deutlich kleiner dimensioniert werden können.
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Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Zwischenkreis vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen 3-Level-Inverter sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Schaltplan eines Zwischenkreises für einen 3-Level-Inverter gemäß dem Stand der Technik; und
- 2 einen Schaltplan eines Zwischenkreises für einen 3-Level-Inverter gemäß der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Zwischenkreis ZK` für einen 3-Level-Inverter gemäß dem Stand der Technik. Der 3-Level-Inverter kann in einem Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein und dazu ausgelegt sein, eine von einem elektrischen Energiespeicher des Hochvoltbordnetzes bereitgestellte Zwischenkreisspannung UDC in eine Mehrphasenwechselspannung für eine elektrische Antriebsmaschine des Hochvoltbordnetzes umzuwandeln. Die Zwischenkreisspannung UDC liegt an zwischen einem High-Side Anschluss DC+ und einem Low-Side-Anschluss DC- des Zwischenkreises ZK' an, über welche der Zwischenkreis ZK` eingangsseitig mit einem Pluspol und einem Minuspol des elektrischen Energiespeichers verbunden wird. Außerdem weist der Zwischenkreis ZK' einen Mittelpunktanschluss N auf. Ausgangsseitig wird der Zwischenkreis ZK' über die Anschlüsse DC+, DC-, N mit Schalteinrichtungen von hier nicht gezeigten Schaltabschnitten des 3-Level-Inverters verbunden. Der High-Side-Anschluss DC+ ist mit einem ersten Anschluss A1 einer Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator C1' und einem zweiten Kondensator C2' verbunden. Der Mittelpunktanschluss N ist mit einem Mittelabriff M zwischen den Kondensatoren C1' und C2` verbunden und der Low-Side-Anschluss DC- ist mit einem zweiten Anschluss A2 der Reihenschaltung verbunden.
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Eine an dem ersten Kondensator C1' anliegende Spannung U1 und eine an dem zweiten Kondensator C2' anliegende Spannung U2 sind jeweils größer bzw. kleiner als die halbe Zwischenkreisspannung UDC/2, da die Spannungen U1, U2 einen Spannungsrippelanteil aufweisen. Um einen Eintrag dieses Spannungsrippels in andere Hochvoltkomponenten des Hochvoltbordnetzes zumindest reduzieren zu können, weisen die Kondensatoren C1', C2' eine entsprechende Kapazität, beispielsweise hier jeweils 500 µF, sodass die im Zwischenkreis wirksame Gesamtkapazität einen vorbestimmten Sollwert, hier 250 µF, beträgt. Durch diese hohen Kapazitäten weisen die Kondensatoren C1', C2' große Volumina sowie ein hohes Gewicht auf.
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Um den Sollwert der wirksamen Gesamtkapazität bei gleichzeitiger Verringerung der Kapazitäten der Kondensatoren C1', C2' und damit der Volumina sowie des Gewichts dennoch bereitstellen zu können, wird der Zwischenkreis ZK wie in 2 ausgestaltet. Der Zwischenkreis ZK weist einen ersten Zwischenkreiszweig Z1 auf, welcher die Reihenschaltung aus den zwei Kondensatoren C1, C2 aufweist. Die Kondensatoren C1, C2 weisen eine kleinere Kapazität auf als die Kondensatoren C1', C2'. Beispielsweise beträgt die Kapazität der Kondensatoren C1, C2 250 µF und damit die Hälfte der Kapazität der Kondensatoren C1', C2'. Diese Kondensatoren C1, C2 des ersten Zwischenkreiszweiges Z1 dienen zur Bereitstellung der drei unterschiedlichen Spannungslevel für die Schalteinrichtungen des 3-Level-Inverters und stellen die Integrität der Inverterfunktion sicher. Zur Reduzierung von Strom- und Spannungsrippeln im Zwischenkreis ZK in Verbindung mit dem HV-Bordnetz ist ein zweiter Zwischenkreiszweig Z2 mit einem dritten Kondensator C3 vorgesehen, welcher parallel zu der Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator C1 und dem zweiten Kondensator C2 geschaltet ist. Dazu ist der dritte Kondensator C3 ebenfalls mit dem High-Side-Anschluss DC+ und dem Low-Side-Anschluss DC- verbunden. Eine Kapazität des dritten Kondensators C3 kann kleiner sein als die Kapazitäten der beiden anderen Kondensatoren C1, C2. Beispielsweise kann die Kapazität des dritten Kondensators C3 die Hälfte der jeweiligen Kapazitäten der beiden anderen Kondensatoren C1, C2 und damit beispielsweise 125 µF betragen. Somit ist die wirksame Gesamtkapazität des Zwischenkreises ZK genauso groß wie die des Zwischenkreises ZK'. Jedoch weist der Zwischenkreis ZK ein deutlich kleineres, beispielsweise bis zu 25% kleineres, Volumen auf.
