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TECHNISCHES GEBIET
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung betreffen allgemein elektrische Stromrichter, und
sie betreffen insbesondere DC/AC-Wechselrichter.
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HINTERGRUND
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Ein
Wechselrichter ist eine elektronische Schaltung zum Umwandeln von
Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC). Wechselrichter werden in
einem weiten Anwendungsbereich von kleinen unterbrechungsfreien
Stromversorgungen für
einen Computer bis hin zu großen
Versorgungsanwendungen mit einem elektrischen Leistungstransport
verwendet. Eine übliche
Anwendung besteht in der Verwendung einer DC-Spannungsquelle, wie
z. B. ein System, das entworfen ist, um 115 Volt AC aus der 12 Volt DC-Quelle, die in einem
Kraftfahrzeug vorgesehen ist, zu liefern – die 12 Volt DC-Quelle wird
zuerst durch einen DC/DC-Wandler auf über 200 Volt DC verstärkt und
dann wandelt der Wechselrichter die DC-Hochspannung in 115 Volt
AC. Ein Wechselrichter liefert AC-Leistung, um Apparate zu betreiben,
die normalerweise von einer Stromleitung versorgt werden oder um
einen AC-Elektromotor mit Leistung zu versorgen. Wechselrichter
werden auch verwendet, um eine AC-Stromquelle aus Stromversorgungen
mit Brennstoffzellen oder Photovoltaik-Solarzellen bereitzustellen.
Unterbrechungsfreie Stromversorgungen sind ein weiterer Anwendungstyp.
Unterbrechungsfreie Stromversorgungen können Batterien verwenden, um
Leistung zu speichern, und einen Wechselrichter, um AC-Strom aus
den Bat terien zu liefern, wenn Stromleitungen nicht funktionieren
oder nicht verfügbar
sind. Wenn die Stromleitungen wieder hergestellt sind, werden die
Batterien wieder aufgeladen. Die Hochspannungs-Gleichstrom-Leistungsübertragung
ist eine weitere Anwendung, bei der AC-Strom in einen Hochspannungs-DC
gleichgerichtet wird und an eine andere Stelle übertragen wird. An der Empfangsstelle
wandelt ein Wechselrichter den DC in AC zurück.
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Der
Begriff Wechselrichter hat seinen Ursprung in elektromechanischen
Wechselrichtern. Historisch gesehen wurde die Stromumwandlung von
DC in AC unter Verwendung elektromechanischer Einankerumformer bewerkstelligt,
welche einen AC-Elektromotor mit einem DC-Elektrogenerator koppeln,
um einen AC-Eingang in einen DC-Ausgang umzuwandeln. Wenn die Verbindungen
zu einem Wandler invertiert werden, ist der Eingang DC und der Ausgang
AC wie bei einem Wechselrichter.
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Diese
frühen
elektromechanischen Einrichtungen wurden durch mit Vakuum und Gas
gefüllte Röhrenschalter
in Wechselrichterschaltungen ersetzt. Da sie höhere Spannungs- und Stromklassen aufweisen,
wurden gesteuerte Schalter, die mit Hilfe von Steuerungssignalen
eingeschaltet und ausgeschaltet werden können, die bevorzugten Schaltkomponenten
zur Verwendung in Wechselrichterschaltungen.
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Ein üblicher
Typ von AC, der von einem Wechselrichter erzeugt werden kann und
für elektrische
Leistungsanwendungen verwendet werden kann, ist dreiphasig. Dies
ist ein Typ eines mehrphasigen Systems, der zur Stromversorgung
von Motoren, Transformatoren und vielen anderen Einrichtungen verwendet
wird. Die Dreiphasigkeit weist Eigenschaften auf, die sie bei elektrischen
Leistungssystemen sehr wünschenswert
machen: bei einer korrekt ausgeglichenen Last summieren sich die
Phasenströme zu
Null, was es ermöglicht,
den AC-Neutralleiter zu beseitigen; eine Leistungsübertragung
in eine ausgeglichene Last ist konstant, was Vibrationen des Generators
und Motors verringert; und dreiphasige Systeme können ein Magnetfeld erzeugen,
das sich in eine spezifizierte Richtung dreht, was den Entwurf von
Elektromotoren vereinfacht. Drei ist die niedrigste Phasenzahl mit
diesen Eigenschaften.
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Ein
wichtiger Typ einer dreiphasigen Last ist ein Elektromotor. Ein
dreiphasiger Elektromotor weist einen einfachen Entwurf, ein hohes
Drehmoment bei niedriger Drehzahl (RPM) und einen hohen Wirkungsgrad
auf. Dreiphasige Motoren werden für Pumpen, Lüfter, Gebläse, Kompressoren, Elektro- und
Diesel-Elektro-Lokomotiven und viele andere Arten motorgetriebener
Apparate verwendet. Dreiphasige Motoren sind kompakter, weniger
teuer, vibrieren weniger und halten länger als ein einphasiger Motor
der gleichen Leistungsklasse, und werden folglich für Motoren über zehn
HP (7,5 kW) gegenüber
einphasigen bevorzugt. Hybrid-, Brennstoffzellen- und Elektrofahrzeuge verwenden oft
dreiphasige Motoren, weil deren hohes Anfahrdrehmoment verwendet
werden kann, um ein Fahrzeug auf eine brauchbare Geschwindigkeit
zu beschleunigen. Ein dreiphasiger Motor kann auch als ein Generator
für ein
regeneratives Bremsen verwendet werden. Verbesserungen bei der dreiphasigen
Wechselrichtertechnologie werden insbesondere für Elektrofahrzeuganwendungen
entwickelt, wie z. B. dreiphasige Wechselrichter zur Motorsteuerung
mit einstellbarer Drehzahl, die gegenwärtig bei einigen autobahntauglichen
Hybrid-Elektrofahrzeugen verwendet werden.
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Hybrid-,
Brennstoffzellen- und Elektrofahrzeuge weisen oft mehr als eine
DC-Stromquelle auf. Diese Fahrzeuge können beispielsweise elektrische Batterien,
Ultrakondensatoren, Brennstoffzellen und kraftstoffgetriebene Generatoren
verwenden, welche alle DC-Strom erzeugen. Darüber hinaus werden die verschiedenen
Quellen oft verschiedene Spannungen aufweisen, was eine Spannungswandlung
erfordert, um ihre elektrischen Spannungen zu kombinieren. Ein herkömmlicher
Ansatz besteht in der Verwendung eines DC/DC-Wandlers, welcher ein
komplexer und teurer Apparat ist.
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Entsprechend
ist es wünschenswert, über ein
einfaches System zur Verwendung zweier Quellen für einen Wechselrichter zu verfügen, ohne
einen DC/DC-Wandler zu verwenden. Darüber hinaus werden andere wünschenswerte
Merkmale und Eigenschaften aus der nachfolgenden genauen Beschreibung
und den beigefügten
Ansprüchen
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehenden
technischen Gebiet und Hintergrund offenbar werden.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
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Es
werden Systeme und Verfahren für
einen Wechselrichter mit zwei Quellen offenbart. Die Systeme und
Verfahren kombinieren einen Betrieb einer ersten Spannungsquelle,
welche einen herkömmlichen
Wechselrichter mit einer Quelle mit Leistung versorgt, mit einer
zweiten Spannungsquelle, welche eine Schaltkonfiguration mit Leistung
versorgt, um eine Last mit Leistung zu versorgen. Die Schaltkonfiguration
wird durch eine Vielzahl von Steuerungssignalen gesteuert, welche
von einem Controller auf der Grundlage einer Vielzahl von Steuerungsmodi
erzeugt werden.
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Das
System weist eine erste Spannungsquelle auf, die mit einem ersten
Satz von Schaltern gekoppelt ist, welcher DC-Eingänge, AC-Ausgänge und
Steuerungseingänge
aufweist, wobei die DC-Eingänge
mit der ersten Spannungsquelle gekoppelt sind. Das System weist
auch eine zweite Spannungsquelle auf, die mit einem zweiten Satz
von Schaltern gekoppelt ist, welcher DC-Eingänge, AC-Ausgänge und
Steuerungseingänge
aufweist, wobei die DC-Eingänge
mit der zweiten Spannungsquelle gekoppelt sind. Eine Last kann mit
den AC-Ausgängen
des ersten Satzes von Schaltern und den AC-Ausgängen des zweiten Satzes von
Schaltern gekoppelt sein. Ein Controller ist mit den Steuerungseingängen des
ersten und des zweiten Satzes von Schaltern gekoppelt, und der Controller
ist ausgestaltet, um die Steuerungseingänge des ersten und des zweiten
Satzes von Schaltern zu steuern.
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Ein
wie hierin beschriebenes Betriebsverfahren beginnt, indem ein Steuerungsmodus
für einen Controller
mit einer Vielzahl von Steuerungssignalen und Rückkopplungssignalen ermittelt
wird. Das Verfahren bedient dann einen ersten Satz von Schaltern, um
einen ersten elektrischen Strom von einer ersten elektrischen Spannungsquelle
auf der Grundlage der Vielzahl von Steuerungssignalen und Rückkopplungssignalen
zu steuern. Darüber
hinaus bedient das Verfahren dann einen zweiten Satz von Schaltern,
die einen zweiten elektrischen Strom von einer zweiten elektrischen
Spannungsquelle auf der Grundlage der Vielzahl von Steuerungssignalen
und Rückkopplungssignalen
steuern. Der erste und der zweite elektrische Strom können dann
eine Last mit Strom versorgen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachstehend hier in Verbindung
mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen gleiche
Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform eines dreiphasigen
Wechselrichtersystems mit zwei Quellen ist;
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2 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines dreiphasigen
Wechselrichtersystems mit zwei Quellen ist; und
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3 ein
Flussdiagramm ist, das eine Ausführungsform
eines Betriebsprozesses eines dreiphasigen Wechselrichtersystems
mit zwei Quellen veranschaulicht.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Die
folgende genaue Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist
nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der
Erfindung zu beschränken.
Darüber
hinaus ist es nicht beabsichtigt, durch irgendeine explizite oder
implizierte Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden
technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder
der folgenden genauen Beschreibung dargestellt ist.
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Ausführungsformen
der Erfindung können hierin
mit Hilfe von funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten und
verschiedenen Verarbeitungsschritten beschrieben sein. Es ist festzustellen, dass
derartige Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl von Hardware-,
Software- und/oder
Firmwarekomponenten, die zum Ausführen der angegebenen Funktionen
ausgestaltet sind, realisiert sein können. Zum Beispiel kann eine
Ausführungsform der
Erfindung verschiedene integrierte Schaltungskomponenten, z. B.
Speicherelemente, gesteuerte Schalter, digitale Signalverarbeitungselemente,
Logikelemente, Nachschlagetabellen oder dergleichen verwenden, welche
eine Vielzahl von Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer
Mikroprozessoren oder anderer Steuerungsein richtungen ausführen können. Zudem
werden Fachleute feststellen, dass Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung in Verbindung mit einer beliebigen Anzahl von Fahrzeuganwendungen
praktisch umgesetzt werden können,
und dass das hierin beschriebene System nur eine beispielhafte Ausführungsform
der Erfindung ist.
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Der
Kürze halber
kann es sein, dass herkömmliche
Techniken und Komponenten mit Bezug auf elektrische Fahrzeugteile
und andere funktionale Aspekte des Systems (und der einzelnen Betriebskomponenten
des Systems) hier nicht im Detail beschrieben sind. Darüber hinaus
sind die in den verschiedenen hierin enthaltenen Figuren gezeigten Verbindungslinien
dazu gedacht, beispielhafte funktionale Beziehungen und/oder physikalische
Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen darzustellen. Es
sollte beachtet werden, dass bei einer Ausführungsform der Erfindung viele
alternative oder zusätzliche
funktionale Beziehungen oder physikalische Verbindungen vorhanden
sein können.
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Die
folgende Beschreibung kann sich auf Elemente oder Knoten oder Merkmale
beziehen, die miteinander „verbunden" oder „gekoppelt" sind. Bei der Verwendung
hierin bedeutet „verbunden", sofern nicht ausdrücklich anderweitig
angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal mit einem weiteren Element/Knoten/Merkmal
direkt verbunden ist (oder direkt damit kommuniziert), und zwar
nicht notwendigerweise mechanisch. Gleichermaßen bedeutet „gekoppelt", sofern nicht ausdrücklich anderweitig
angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt oder indirekt
mit einem weiteren Element/Knoten/Merkmal verbunden ist (oder direkt
oder indirekt damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise
mechanisch. Folglich können,
obwohl die in 1–2 gezeigten
Schemata beispielhafte Anordnungen von Elementen darstellen, bei
einer Ausführungsform
der Erfindung zusätzliche
dazwischenkommende Elemente, Einrich tungen, Merkmale oder Komponenten vorhanden
sein (unter der Annahme, dass die Funktionalität des Systems nicht nachteilig
betroffen ist).
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Ausführungsformen
der Erfindung sind hierin in dem Kontext einer praktischen nicht
einschränkenden
Anwendung beschrieben, nämlich
eines dreiphasigen Wechselrichtersystems mit zwei Quellen für ein Fahrzeug.
In diesem Kontext kann die beispielhafte Technik auf den Betrieb
eines Systems, das für
ein Fahrzeug geeignet ist, angewandt werden. Jedoch sind Ausführungsformen
der Erfindung nicht auf derartige Fahrzeuganwendungen beschränkt und
die hierin beschriebenen Techniken können auch bei anderen Leistungsumwandlungssystemen
verwendet werden.
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Dreiphasige
Wechselrichter werden für
Antriebsanwendungen mit variabler Frequenz verwendet. Bei Wechselrichterentwürfen werden
viele verschiedene Leistungsschaltungstopologien und Steuerungsstrategien
verwendet. Verschiedene Entwurfsansätze werden verwendet, um verschiedene Probleme
anzusprechen, die in Abhängigkeit
von der beabsichtigen Verwendungsweise des Wechselrichters mehr
oder weniger wichtig sind.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines dreiphasigen Wechselrichtersystems 100 mit zwei
Quellen für
ein Hybridfahrzeug, das geeignet ausgestaltet ist, um die hier im
Detail beschriebenen Operationen auszuführen. Das System 100 ist
zur Verwendung mit einem Fahrzeug, das einen elektrischen (oder
hybriden) Antriebsmotor aufweist, geeignet. Ein dreiphasiges Wechselrichtersystem 100 mit zwei
Quellen kann in der Praxis eine Anzahl von elektrischen Komponenten,
Schaltungen und Controllereinheiten umfassen, die sich von der in 1 gezeigten
unterscheidet. Herkömmliche
Untersysteme, Merkmale und Aspekte des dreiphasigen Wechselrichtersystems 100 mit
zwei Quellen werden hier nicht im Detail beschrieben. Bei dieser
beispielhaften Ausführungsform,
wie sie in 1 gezeigt ist, kann das System 100 allgemein
umfassen: eine Spannungsquelle A, eine Spannungsquelle B, eine Wechselrichterschaltung 106,
einen Satz von Schaltern 108, eine elektrische Maschine 110 oder
eine andere Last, und einen Controller 112.
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Die
Spannungsquelle A ist ausgestaltet, um den Betrieb eines Hybridfahrzeuges
zu unterstützen. Die
Spannungsquelle A weist einen ersten Pol auf, der mit einem Knoten 114 verbunden
ist, und einen zweiten Pol, der mit einem Knoten 116 verbunden
ist. Die Spannungsquelle A kann auf diese Weise mit der Wechselrichterschaltung 106 verbunden
sein, welche wiederum Leistung an die elektrische Maschine 110 liefert.
Die Spannungsquelle A ist ausgestaltet, um über einen ersten DC-Eingang
bei dem Knoten 114 und einen zweiten DC-Eingang bei dem
Knoten 116 eine elektrische Spannung und einen Strom an die
Wechselrichterschaltung 106 zu liefern. Die von der Spannungsquelle
A gelieferte elektrische Spannung ist eine DC-Hochspannung, welche
bei dieser Anwendung in der Nähe
von 300 Volt liegen kann. Die Spannungsquelle A kann z. B. aus einem
Generator, einer Brennstoffzelle, Batterien (wie z. B. Bleisäure-, Nickelmetallhydrid-,
oder Lithium-Ionen-Batterien) oder Ultrakondensatoren bestehen.
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Die
Spannungsquelle B ist auch zur Unterstützung des Betriebs eines Hybridfahrzeugs
ausgestaltet. Die Spannungsquelle B kann mit dem Satz von Schaltern 108 verbunden
sein, der die zweite Leistungsquelle an die elektrische Maschine 110 bereitstellt.
Die Spannungsquelle B weist einen ersten Pol auf, der mit einem
Knoten 146 verbunden ist, und einen zweiten Pol, der mit
einem Knoten 148 verbunden ist. Bei der veranschaulichten
Ausführungsform entspricht
der Knoten 148 dem Knoten 116. Die Spannungsquelle
B ist ausgestaltet, um über
einen ersten DC-Eingang bei dem Knoten 146 und einen zweiten
DC-Eingang bei dem Knoten 148 eine elektrische Spannung
und einen Strom an den Satz von Schaltern 108 zu liefern.
Die von der Spannungsquelle B gelieferte elektrische Spannung ist
eine DC-Hochspannung, welche bei dieser Anwendung in der Nähe von 300
Volt liegen kann. Die Spannungsquelle B kann als ein Generator,
eine Brennstoffzelle, Batterien oder Ultrakondensatoren, wie voranstehend
für die
Spannungsquelle A erwähnt,
realisiert sein. Wie nachstehend im Detail erörtert wird, muss für eine korrekte
Funktion des Systems 100 die Spannungsquelle B eine Spannung
mit einem Wert aufweisen, der kleiner oder gleich der Spannungsquelle
A ist, weil die Rückkopplungsdioden
in der Wechselrichterschaltung 106 andernfalls eine Schaltung
an die Spannungsquelle A bilden würden, welche die Spannungsquelle
B entlädt.
Die veranschaulichten Ausführungsformen
verwenden gesteuerte IGBT-Schalter,
jedoch können
auch andere Typen gesteuerter Schalter verwendet werden.
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Die
Wechselrichterschaltung 106 selbst ist eine beliebte Architektur
für einen
Wechselrichter mit einer einzigen Spannungsquelle. Bei diesem Beispiel umfasst
die Wechselrichterschaltung 106 Schalter Q1–Q6, Rückkopplungsdioden
(Bezugszeichen 121, 123, 125, 127, 129 und 131),
Gate-Kontakte (Bezugszeichen 120, 122, 124, 126, 128 und 130)
und einen Kondensator 118. Die Wechselrichterschaltung 106 weist
einen ersten Eingang, der mit dem Knoten 114 verbunden
ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem Knoten 116/148 verbunden
ist, auf. Sie sind als Eingänge
bezeichnet, weil bei den meisten Betriebsbedingungen ein Strom in
die Eingänge
fließen wird,
jedoch kann bei einigen Betriebsbedingungen, wie z. B. einem regenerativen
Bremsen, Strom in eine negative Richtung fließen (Wiederaufladestrom). Der
erste Eingang der Wechselrichterschaltung 106 ist über den
Knoten 114 auch mit der Spannungsquelle A gekoppelt. Die
Wechselrichterschaltung 106 weist auch einen Satz erster
AC-Ausgänge auf,
die wie folgt verbunden sind: ein erster Ausgang ist mit einem Knoten 132 verbunden,
ein zweiter Ausgang ist mit einem Knoten 134 verbunden
und ein dritter Ausgang ist mit einem Knoten 136 verbunden. Die
Schalter Q1–Q6
sind wie folgt verbunden: Q1 liegt zwischen Knoten 114 und
Knoten 132, Q3 liegt zwischen Knoten 114 und Knoten 134,
Q5 liegt zwischen Knoten 114 und Knoten 136, Q2
liegt zwischen Knoten 116 und Knoten 132, Q4 liegt
zwischen Knoten 116 und Knoten 134, Q6 liegt zwischen
Knoten 116 und Knoten 136. Bei dieser Ausführungsform entspricht
der Kollektor des Schalters Q1 dem Knoten 114, der Emitter
des Schalters Q1 entspricht dem Knoten 132, der Kollektor
des Schalters Q2 entspricht dem Knoten 132, der Emitter
des Schalters Q2 entspricht dem Knoten 116, der Kollektor
des Schalters Q3 entspricht dem Knoten 114, der Emitter des
Schalters Q3 entspricht dem Knoten 134, der Kollektor des
Schalters Q4 entspricht dem Knoten 134, der Emitter des
Schalters Q4 entspricht dem Knoten 116, der Kollektor des
Schalters Q5 entspricht dem Knoten 114, der Emitter des
Schalters Q5 entspricht dem Knoten 136, der Kollektor des Schalters
Q6 entspricht dem Knoten 136 und der Emitter des Schalters
Q6 entspricht dem Knoten 116.
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Die
Stromkapazität
der gesteuerten Schalter hängt
von der Leistungsklasse der elektrischen Maschine 110 ab
und sie kann für
jeden gesteuerten Schalter variieren. Bei dieser beispielhaften
Ausführungsform
ist die Stromkapazität
für alle
gesteuerten Schalter Q1-Q6 gleich. Da die meisten Lasten eine Induktivität enthalten,
sind die Rückkopplungsdioden oft
parallel zu jedem gesteuerten Schalter geschaltet, um einen Pfad
für den
induktiven Laststrom zu schaffen, wenn der gesteuerte Schalter ausgeschaltet wird.
In diesem Zusammenhang enthält
jeder der gesteuerten Schalter Q1–Q6 eine jeweilige Rückkopplungsdiode,
um zu ermöglichen,
dass ein negativer Strom von der Last die Spannungsquelle auflädt. In der
Praxis kann die elektrische Maschine 110 die Spannungsquelle
A (unter der Annahme, dass die Spannungsquelle A eine wiederaufladbare
Einrichtung ist) während
eines regenerativen Bremsens des Fahrzeugs wieder aufla den. Während eines
regenerativen Bremsens von der elektrischen Maschine 110 können die
Eingänge
einen negativen Stromfluss aufweisen (Wiederaufladestrom). Diese
Ausführungsform
handhabt einen derartigen Stromfluss unter Verwendung der Gate-Kontakte 120, 122, 124, 126, 128 und 130.
In diesem Zusammenhang sind die Gate-Kontakte mit dem Controller 112 gekoppelt und
werden von diesem gesteuert. Die Gate-Kontakte sind so ausgestaltet, dass
sie in Ansprechen auf die Spannung der Steuerungssignale von dem
Controller 112 einen Stromfluss erlauben oder einen Stromfluss
sperren.
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Ein
Kondensator 118 ist in der Wechselrichterschaltung 106 umfasst,
um eine Leistungsaufbereitung bereitzustellen und Spannungsstöße des Wechselrichters
zu glätten.
Der Kondensator 118 weist einen ersten Pol auf, der mit
dem Knoten 114 verbunden ist, und einen zweiten Pol, der
mit dem Knoten 116/148 verbunden ist. Der Kondensator 118 ist
umfasst, um elektrische Energie zwischen der Spannungsquelle und
den Ausgangsknoten 132/134/136 zu Puffern.
In der Praxis kann der Kondensator 118 als ein Ultrakondensator
oder als irgendein geeignetes Element mit Kapazität realisiert sein.
Der Kondensator 118 kann auch die Kapazität darstellen,
die natürlicherweise
in anderen Komponenten des Hybridfahrzeuges existieren wird, wie
z. B. ohne Beschränkung
einem aktiven elektrischen Bus und/oder einer Leistungselektronik.
Jede dieser Einrichtungen kann Kondensatoren, Leistungsausgangsstufen
etc. enthalten. Die Kapazität
des Kondensators 118 kann von einer Anwendung zur nächsten in
Abhängigkeit
von der Leistung, die von der elektrischen Maschine 110 benötigt wird,
variieren. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform weist der Kondensator
eine Kapazität
von etwa 1000 Mikrofarad auf.
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Der
Satz von Schaltern 108 umfasst gesteuerte Schalter Q7/Q9/Q11,
Gate-Kontakte 138/140/142 und einen Kondensator 144.
Der Satz von Schaltern 108 weist einen ersten Eingang auf, der
mit dem Knoten 146 verbunden ist, und einen zweiten Eingang,
der mit dem Knoten 148 verbunden ist. Der zweite Eingang
ist mit der Spannungsquelle B gekoppelt. Wie voranstehend erwähnt wurde,
ist der Knoten 148 mit dem Knoten 116 der Wechselrichterschaltung 106 gekoppelt
(bei dieser Ausführungsform
entspricht der Knoten 148 dem Knoten 116). Sie sind
als Eingänge
bezeichnet, weil bei den meisten Betriebsbedingungen ein Strom in
die Eingänge
fließen
wird, jedoch kann bei einigen Betriebsbedingungen, wie z. B. einem
regenerativen Bremsen, ein Strom in eine negative Richtung fließen (Wiederaufladestrom).
Der Satz von Schaltern 108 weist auch einen Satz von AC-Ausgängen auf,
die wie folgt verbunden sind: ein erster Ausgang ist mit dem Knoten 132 verbunden,
ein zweiter Ausgang ist mit dem Knoten 134 verbunden und
ein dritter Ausgang ist mit dem Knoten 136 verbunden. Die
gesteuerten Schalter Q7/Q9/Q11 sind wie folgt verbunden: Q7 liegt
zwischen dem Knoten 146 und dem Knoten 132, Q9
liegt zwischen dem Knoten 146 und dem Knoten 134,
Q11 liegt zwischen dem Knoten 146 und dem Knoten 136. Bei
dieser Ausführungsform
entspricht der Kollektor des Schalters Q7 dem Knoten 146,
der Emitter des Schalters Q7 entspricht dem Knoten 132,
der Kollektor des Schalters Q9 entspricht dem Knoten 146,
der Emitter des Schalters Q9 entspricht dem Knoten 134, der
Kollektor des Schalters Q11 entspricht dem Knoten 146 und
der Emitter des Schalters Q11 entspricht dem Knoten 136.
Wie voranstehend in dem Kontext der Wechselrichterschaltung 106 erwähnt wurde, hängt die
Stromkapazität
der gesteuerten Schalter von der Leistungsklasse der elektrischen
Maschine 110 ab und kann für jeden gesteuerten Schalter
variieren. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist die Stromkapazität für alle gesteuerten
Schalter Q7/Q9/Q11 gleich.
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Der
Kondensator 144 ist in dem Satz von Schaltern 108 aus
den gleichen Gründen
umfasst, aus denen der Kondensator 118 in der Wechselrichterschaltung 106 umfasst
ist. Im Allgemeinen trifft die voranstehende Beschreibung des Kondensators 118 auch
auf den Kondensator 114 zu. Der Kondensator 144 weist
einen ersten mit dem Knoten 146 verbundenen Pol und einen
zweiten mit dem Knoten 148 verbundenen Pol auf. Es ist
zu beachten, dass der Kondensator 144 zu der Spannungsquelle
B parallel geschaltet ist.
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Gate-Kontakte 138/140/142 sind
mit dem Controller 112 gekoppelt und werden von diesem
gesteuert. Die Gate-Kontakte sind so ausgestaltet, dass sie in Ansprechen
auf die Spannung der Steuerungssignale von dem Controller 112 einen
Stromfluss erlauben oder einen Stromfluss sperren. Die gesteuerten
Schalter Q7, Q9 und Q11 steuern den Stromfluss aus der Spannungsquelle.
Diesbezüglich
ist ein Bedarf für
einen DC/DC-Wander beseitigt. Die gesteuerten Schalter Q7, Q9 und
Q11 werden durch Steuerungssignale von dem Controller 112 eingeschaltet und
ausgeschaltet, um die DC-Spannung von der Spannungsquelle B in einen
AC-Strom umzuwandeln, der zur Verwendung durch die elektrische Maschine 110 geeignet
ist. Die gesteuerten Schalter Q2, Q4 und Q6 von dem Satz von Schaltern 106 werden gemeinsam
mit dem Satz von Schaltern 108 bedient. Die gesteuerten
Schalter Q7, Q9 und Q11 in Verbindung mit der Wechselrichterschaltung 106 steuern die
elektrische Maschine 110 und versorgen sie mit Leistung.
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Die
Anordnung aus dem Satz von Schaltern 108 und der Wechselrichterschaltung 106 wird
von einem geeignet ausgestalteten Controller 112 betätigt, welcher über Steuerungseingänge 113/115 mit der
Schalteranordnung 106/108 gekoppelt sein kann. Der
Controller 112 kann als Teil eines Fahrzeugrechenmoduls,
eines zentralisierten Fahrzeugprozessors, eines Untersystem-Rechenmoduls,
das der Schalteranordnung zugeordnet ist oder dergleichen implementiert
sein. Im Betrieb empfängt
der Controller 112 Befehlssignale 117 und Rückkopplungssignale 107/109 und
steuert die Betätigung
der gesteuerten Schalter gemäß dem aktuellen
Zustand des Fahrzeugs oder dem benötigten Leistungsfluss, z. B.
ob der regenerative Bremsmodus oder der normale Betriebsmodus aktiv
ist. Die gesteuerten Schalter Q1–Q11 werden von dem Controller 112 auf
der Grundlage des vorbestimmten Musters von Steuerungssignalen aktiviert.
In diesem Zusammenhang wird ein Steuerungsmuster für die Steuerungssignale zum
Aktivieren der gesteuerten Schalter Q1–Q11 berechnet. Jeder Schalter
kann über
seine jeweiligen Steuerungseingänge
in Abhängigkeit
von einem vorbestimmten Tastverhältnis
aktiviert werden, wie nachstehend in dem Kontext von 3 erläutert ist. Der
Controller 112 ist im Allgemeinen eine softwaregesteuerte
Einrichtung. Bei normalen Bedingungen bedient er die gesteuerten
Schalter Q1–Q11,
um während
eines Fahrzeugbetriebs einen dreiphasigen AC-Strom zu erzeugen.
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Die
elektrische Maschine 110 ist mit den AC-Ausgangsknoten 132/134/136 gekoppelt,
welche mit den gesteuerten Schaltern Q1–Q11 verbunden sind. Bei diesem
Beispiel umfasst die elektrische Maschine 110 eine elektrische
AC-Maschine, um einen Antriebsstrang mit Leistung oder zusätzlicher
Leistung zu versorgen und für
ein regeneratives Bremsen. Elektrische AC-Maschinen werden für diese
Anwendung oft verwendet, weil sie unter Last ein hohes Drehmoment
und eine hohe Leistung liefern. Die elektrische Maschine 110 ist
eine dreiphasige elektrische AC-Maschine
und kann ohne eine Beschränkung
eine dreiphasige elektrische Induktions- oder Synchron-AC-Maschine
sein.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
eines dreiphasigen Wechselrichtersystems 200 mit zwei Quellen,
welches für
ein Hybridfahrzeug geeignet ist. Das System 200 ist zur
Verwendung mit einem Fahrzeug geeignet, das einen elektrischen Antriebsmotor
aufweist. Ein dreiphasiges Wechselrichtersystem 200 mit
zwei Quellen kann in der Praxis eine Anzahl von elektrischen Komponenten,
Schaltungen und Controllereinheiten umfassen, die sich von der in 2 gezeigten unterscheidet.
Herkömmliche
Untersysteme, Merkmale und Aspekte des dreiphasigen Wechselrichtersystems 200 mit
zwei Quellen werden hierin nicht im Detail beschrieben. Das System 200 weist
eine Struktur auf, die dem System 100 ähnelt, und gemeinsame Merkmale,
Funktionen und Elemente werden hier nicht redundant beschrieben.
Bei dieser beispielhaften Ausführungsform,
wie sie in 2 gezeigt ist, kann das System 200 allgemein
umfassen: eine Spannungsquelle A, eine Spannungsquelle B, eine Wechselrichterschaltung 206,
einen Satz von Schaltern 208, eine elektrische Maschine 210 oder eine
andere Last, einen Controller 212 und Dioden D7/D9/D11/D12.
Die voranstehend erwähnten
Komponenten funktionieren auf die gleiche Weise wie diejenigen im
System 100 mit der Ausnahme zusätzlicher Dioden in dem Satz
von Schaltern 208.
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Der
Satz von Schaltern 208 umfasst gesteuerte Schalter Q7/Q9/Q11,
Gate-Kontakte 238/240/242, einen Kondensator 244,
und Dioden D7/D9/D11/D12. Die Diode D7 ist zwischen den gesteuerten
Schalter Q7 und einen Knoten 232 geschaltet, die Diode
D9 ist zwischen den gesteuerten Schalter Q9 und einen Knoten 234 geschaltet,
die Diode D11 ist zwischen den gesteuerten Schalter Q11 und einen
Knoten 236 geschaltet und die Diode D12 ist zwischen einen
Knoten 246 und die gesteuerten Schalter Q7/Q9/Q11 geschaltet.
Im Vergleich mit dem System 100 sind bei dieser Ausführungsform
die Dioden D7/D9/D11/D12 als Spannungssperrschutz für die gesteuerten
Schalter Q7/Q9/Q11 hinzugefügt. In
diesem Zusammenhang erlauben die Dioden D7/D9/D11/D12 einen Stromfluss
nur in eine Richtung – von
der Spannungsquelle B oder dem Kondensator 244 an die elektrische
Maschine 210. Diese zusätzlichen
Dioden stellen optionale Komponenten dar, die zum Spannungssperrschutz
für die
gesteuerten Schalter Q7, Q9 und Q11 verwendet werden können.
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3 ist
ein Flussdiagramm, das einen Betriebsprozess 300 eines
Wechselrichters mit zwei Quellen für ein Elektro-, Hybridelektro-
oder Brennstoffzellenfahrzeug veranschaulicht, der von den Systemen 100–200,
wie voranstehend beschrieben, ausgeführt werden kann. Der Prozess 300 ermittelt einen
Steuerungsmodus, bedient einen ersten Satz von Schaltern, bedient
einen zweiten Satz von Schaltern und verbindet Leistung mit einer
mehrphasigen Last. Die verschiedenen Aufgaben, die in Verbindung mit
dem Prozess 300 ausgeführt
werden, können durch
eine Software, eine Hardware, eine Firmware oder eine beliebige
Kombination daraus ausgeführt werden.
Zu Veranschaulichungszwecken kann sich die folgende Beschreibung
des Prozesses 300 auf Elemente beziehen, die voranstehend
in Verbindung mit 1–2 erwähnt wurden.
Bei praktischen Ausführungsformen
können
Teile des Prozesses 300 von verschiedenen Elementen der
Wechselrichtersysteme 100–200 mit zwei Quellen
ausgeführt
werden, z. B. der Spannungsquelle A, der Spannungsquelle B, der
Wechselrichterschaltung 106, dem Satz von Schaltern 108 und
dem Controller 112.
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Der
Betriebsprozess 300 für
einen (dreiphasigen) Wechselrichter mit zwei Quellen beginnt, indem
ein Steuerungsmodus ermittelt wird (Abfrageaufgabe 302).
Die Ermittlung kann durch das Inbetrachtziehen verschiedener Statusbedingungen
und Systemsollbedingungen durchgeführt werden, z. B. die Umdrehungen
(RPM) der Fahrzeugräder,
der Leistungsabtrieb eines Benzinmotors, die Drehzahl (RPM) des
Benzinmotors, einen Ladungsbetrag in der Spannungsquelle A, einen
Ladungsbetrag in der Spannungsquelle B und verschiedene Beziehungen zwischen
diesen Parametern. Wenn z. B. ein Fahrzeug bremst, dann sollte die
elektrische Maschine Leistung an die Spannungsquellen senden, wenn
sie wiederaufladbar sind, und einen Regenerationsmodus ermitteln.
In diesem Zusammenhang kann der Steuerungsmodus einen positiven
Strom nur von der Spannungsquelle A oder der Spannungsquelle B oder
von beiden zulassen, wobei ein negativer Stromfluss nur die Spannungsquelle
A wieder auflädt.
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Als
nächstes
bedient der Prozess 300 den ersten Satz von Schaltern Q1–Q6 (Aufgabe 304).
Bei dieser Ausführungsform
wird der erste Satz von Schaltern durch ein Pulsweitenmodulations-Steuerungssignal
(PWM-Steuerungssignal)
einzeln eingeschaltet und ausgeschaltet. PWM liefert Steuerungssignale,
um die gesteuerten Schalter so zu bedienen, dass sie eine gewünschte mittlere
Ausgangsspannung erzeugen. Wenn z. B. eine 300 Volt Batterie mit einer
Einrichtung verbunden ist und das Tastverhältnis mit etwa 50% zwischen
etwa 300 Volt und etwa Null Volt wechselt, beträgt die effektive Ausgangsspannung
etwa 50% der konstanten 300 Volt oder 150 Volt. Auf ähnliche
Weise kann ein Tastverhältnis von
X% eine Ausgangsspannung von X% des Spannungsbereiches ergeben und
entsprechend kann die verfügbare
Leistung geringer als die Gesamtleistung sein. Verschiedene Steuerungsmodi
können
das PWM-Signal verwenden, um das Verhalten des Wechselrichtersystems 100 oder
des Systems 200 mit zwei Quellen zu steuern.
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Eine
Leistung, die von jeder Quelle kommt, wird durch das Steuern der
an die Schalter Q1, Q3, Q5, Q7, Q9 und Q11 gesandten PWM-Steuerungssignale
geregelt. Die Zeitspanne, in der es einem Satz von Schaltern (entweder
Q1, Q3, Q5 oder Q7, Q9, Q11) erlaubt ist, zu schalten, wird auf
der Grundlage dessen ermittelt, wie viel Leistung aus den Spannungsquellen
A und/oder B benötigt
wird. Diese Zeitspanne wird von einem Controller gesteuert, wie
er voranstehend in dem Kontext von 1 erläutert ist. Mit einem
Tastverhältnis
von 30% wird es den Schaltern Q1/Q3/Q5 beispielsweise ermöglicht,
im Vergleich zu dem Satz von Schaltern Q7, Q9 und Q11 30% der Zeit
zu schalten.
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Gleichzeitig
mit der Bedienung des ersten Satzes von Schaltern bedient der Prozess 300 den zweiten
Satz von Schaltern Q7–Q11
(Aufgabe 306). Unter Verwendung des ersten Satzes von Schaltern in
Verbindung mit dem zweiten Satz von Schaltern und einer geeigneten
Steuerung kann der Stromfluss an die elektrische Maschine präziser gesteuert
werden. Der erste und der zweite Satz von Schaltern kann zusammen
oder unabhängig
bedient werden, um Leistung einzeln oder in Kombination an die elektrische
Maschine zu liefern. Die Frequenz, die durch die Anzahl schmaler
Impulse pro Sekunde dargestellt ist, wird die Schaltfrequenz oder
Trägerfrequenz
genannt. Ein Kombinieren des Stroms von dem ersten und dem zweiten
Satz von Schaltern ermöglicht
eine sogar noch größere Anzahl
von Optionen, da die Spannungsquelle A eine von der Spannungsquelle
B verschiedene Spannung aufweisen kann, und die Kombination von
Schaltmustern, die z. B. den Schalter Q1 in Verbindung mit dem Schalter
Q7 verwenden, wird unterschiedliche Stromflussniveaus aus beiden
Spannungsquellen erzeugen.
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Der
Prozess 300 liefert dann Leistung an eine mehrphasige (dreiphasige)
Last (Aufgabe 308). Bei dieser Ausführungsform ist die mehrphasige
Last eine dreiphasige elektrische Maschine. In Abhängigkeit
von dem Betriebsmodus des Fahrzeugs kann die elektrische Maschine
als eine Last arbeiten, die Leistung von der Spannungsquelle A durch
den ersten Satz von Schaltern und von der Spannungsquelle B durch
den zweiten Satz von Schaltern empfangt, oder als ein Generator
arbeiten, der Leistung durch den ersten Satz von Schaltern an die
erste Spannungsquelle A zurückliefert.
Die Leistungsfähigkeit der
elektrischen Maschine hängt
von dem Stromflussniveau aus dem Schalten des ersten und des zweiten
Satzes von Schaltern wie voranstehend beschrieben ab. Ein weiterer
Betriebsmodus besteht darin, dass Leistung von der Spannungsquelle
B an die Spannungsquelle A und an die elektrische Maschinenlast 110 gleichzeitig
fließen
kann. Der Prozess 300 führt
dann zurück
zu der Aufgabe 302.
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Mit
diesem Ansatz weist die vorgeschlagene Topologie die Flexibilität auf, Leistung
von zwei verschiedenen Quellen bereitzustellen, und dieser Leistungsfluss
kann gesteuert werden, um eine der Quellen zu laden, ohne die an
die Maschine gelieferte Leistung einzubeziehen.
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Obwohl
mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der voranstehenden
genauen Beschreibung dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine
große
Anzahl an Variationen existiert. Es ist auch festzustellen, dass
die beispielhafte Ausführungsform
oder die beispielhaften Ausführungsformen
nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang,
die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung der Erfindung in irgendeiner
Weise zu beschränken.
Stattdessen wird die voranstehende genaue Beschreibung Fachleuten
eine brauchbare Anleitung zur Implementierung der beispielhaften
Ausführungsform
oder der beispielhaften Ausführungsformen
bereitstellen. Es sollte verstanden sein, dass in der Funktion und
Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen durchgeführt werden
können,
ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den
beigefügten
Ansprüchen und
deren juristischen äquivalenten
offengelegt ist.