DE102010019151A1 - Device for transmitting energy in combustion engine drivable motor car, has voltage conversion element whose inductor connects low voltage area and portion between switches over supply path that is different from another supply path - Google Patents

Device for transmitting energy in combustion engine drivable motor car, has voltage conversion element whose inductor connects low voltage area and portion between switches over supply path that is different from another supply path Download PDF

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Abstract

The device (1) has a three-phase electrical machine (6) i.e. direct current (DC) machine, operated as a motor or a generator, and a three-phase converter (7) comprising a half bridge with power switches (S1-S6) e.g. MOSFETs. A portion among the power switches is electrically connected with terminals (K1-K3) of the electric machine over a supply path. An inductor (L) of a voltage conversion element electrically connects a low voltage area (2) and the portion between the power switches of the half bridge over another supply path that is different from the former supply path. An independent claim is also included for a method for transmitting energy in a motor car.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieübertragung in einem Kraftfahrzeug.The invention relates to a method and a device for transmitting energy in a motor vehicle.

In modernen Kraftfahrzeugen besteht oftmals die Notwendigkeit, elektrische Verbraucher mit einer Versorgungsspannung zu versorgen, die für unterschiedliche Verbraucher unterschiedliche Spannungshöhen haben kann. In der Regel werden Versorgungsspannungen unterschiedlicher Spannungshöhe von verschiedenen Energiespeichern, beispielsweise Batterien, zur Verfügung gestellt. So ist bekannt, für einherkömmliches Niedrigspannungssystem Niedrigspannungsbatterien mit einer Ausgangsspannung von 12 V (herkömmliche Bordnetzbatterien) vorzusehen. Diese dienen einer Energieversorgung von beispielsweise Steuergeräten im Fahrzeug, die auf ein Spannungsniveau von 12 V ausgelegt sind. Mit der Zunahme von Steuergeräten und elektrischen Verbrauchern, insbesondere von elektrischen Verbrauchern mit einem hohen Leistungsbedarf, im Fahrzeug wurde die Idee entwickelt, eine so genannte Hochspannungsbatterie, die eine höhere Ausgangsspannung, beispielsweise 42 V, als die Niedrigspannungsbatterie aufweist, im Fahrzeug zu integrieren. Hierdurch wird z. B. bei gleichem Leistungsbedarf eine geringere Stromstärke benötigt, wodurch geringere Leitungsquerschnitte benutzt können. Hierbei sind die Niedrigspannungsbatterie und die Hochspannungsbatterie generell separat ausgebildet.In modern motor vehicles, there is often the need to provide electrical consumers with a supply voltage that can have different voltage levels for different consumers. As a rule, supply voltages of different voltage levels are provided by different energy stores, for example batteries. It is known to provide for conventional low-voltage system low-voltage batteries with an output voltage of 12 V (conventional electrical system batteries). These are used for power supply of, for example, control units in the vehicle, which are designed for a voltage level of 12 V. With the increase of control devices and electrical consumers, especially of high power electrical consumers, in the vehicle, the idea has been developed to integrate a so-called high voltage battery, which has a higher output voltage, for example 42 V, than the low voltage battery in the vehicle. As a result, z. B. at the same power consumption requires a lower current, which can be used smaller cross-sections. In this case, the low-voltage battery and the high-voltage battery are generally formed separately.

In klassischen, verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen besteht zudem die Problematik, dass für eine Umwandlung von elektrischer Energie aus der Bordnetzbatterie in mechanische Energie (motorischer Betrieb) und für die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie der Bordnetzbatterie (generatorischer Betrieb) in der Regel zwei unterschiedlich ausgebildete Elektromotoren (z. B. ein Anlasser und eine Lichtmaschine) benötigt werden.In classic, internal combustion engine driven vehicles there is also the problem that for a conversion of electrical energy from the electrical system battery into mechanical energy (motor operation) and for the conversion of mechanical into electrical energy of the electrical system battery (regenerative operation) usually two differently shaped electric motors (eg a starter and an alternator) are needed.

Die DE 102 44 229 A1 offenbart ein gattungsgemäßes Stromversorgungssystem, welches mit einem Hochspannungssystem und einem Niedrigspannungssystem ausgestattet ist. Das Stromversorgungssystem umfasst einen Wechselstrommotor, der als eine Last an dem Hochspannungssystem hängt und durch die Hochspannungsstromversorgungsquelle angetrieben wird. Weiter umfasst das Stromversorgungssystem einen Inverter zur Steuerung der Zufuhr der Energie zu dem Wechselstrommotor. Weiter umfasst das Stromversorgungssystem einen Versorgungspfad des Niedrigspannungssystems zum Anlegen einer Neutralpunktspannung des Wechselstrommotors an eine Last des Niedrigspannungssystems und eine Last des Niedrigspannungssystems zum Anschließen an den Versorgungspfad des Niedrigspannungssystems, wobei ein Spannungsverhältnis des Niedrigspannungssystems zu dem Hochspannungssystem auf 1:2 bis 1:4 eingestellt ist.The DE 102 44 229 A1 discloses a generic power supply system equipped with a high voltage system and a low voltage system. The power system includes an AC motor suspended as a load on the high voltage system and driven by the high voltage power source. Further, the power supply system includes an inverter for controlling the supply of the power to the AC motor. Further, the power supply system includes a supply path of the low voltage system for applying a neutral voltage of the AC motor to a load of the low voltage system and a load of the low voltage system for connection to the supply path of the low voltage system, wherein a voltage ratio of the low voltage system to the high voltage system is set to 1: 2 to 1: 4 ,

Die DE 198 57 645 A1 offenbart ein elektrisches System für ein Elektrofahrzeug, umfassend: eine Gleichstromeingangsschaltung, einen Spannungs-Wechselrichter, der mit der Gleichstromeingangsschaltung verbunden ist, an den von der Gleichstromeingangsschaltung eine Eingangsspannung angelegt wird und der eine variable Wechselspannung variabler Frequenz erzeugt, einen Wechselstrommotor mit mehreren Wicklungen, deren jeweiliges Ende mit einem Wechselstromausgangsanschluss des Wechselrichters verbunden ist, während die anderen Enden der Wicklungen zu einem Nullpunkt der Motorwicklungen zusammengeschlossen sind, ein Energiespeicherelement variabler Spannung, das zwischen den Nullpunkt und einen Anschlusspunkt in der Gleichstromeingangsschaltung geschaltet ist, und eine Gleichstromversorgung, die mit den entgegengesetzten Enden des Energiespeicherelements verbunden ist.The DE 198 57 645 A1 discloses an electrical system for an electric vehicle, comprising: a DC input circuit, a voltage inverter connected to the DC input circuit to which an input voltage is applied from the DC input circuit and which generates a variable frequency variable voltage, an AC motor having a plurality of windings each end is connected to an AC output terminal of the inverter while the other ends of the windings are connected to a zero point of the motor windings, a variable-voltage energy storage element connected between the neutral point and a terminal point in the DC input circuit, and a DC power supply connected to the opposite ones Ends of the energy storage element is connected.

Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieübertragung in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, welche einerseits eine wirkungsgradgünstige Energieübertragung ermöglichen und kostengünstig ausgeführt sind, wobei eine Energieübertragung aus einem Niedrigspannungsbereich des Bordnetzes an die Elektromaschine und/oder weitere Spannungsbereiche des Bordnetzes mit unterschiedlichen Spannungsniveaus sowie eine Energieübertragung von der Elektromaschine in den Niedrigspannungsbereich, insbesondere an die Bordnetzbatterie, und/oder die weiteren Spannungsbereiche ermöglicht wird.It raises the technical problem of providing a method and a device for transmitting energy in a motor vehicle, which on the one hand enable efficient energy transfer and are cost-effective, with an energy transfer from a low voltage range of the electrical system to the electric machine and / or other voltage ranges of the electrical system different voltage levels and energy transfer from the electric machine in the low voltage range, in particular to the electrical system battery, and / or the other voltage ranges is made possible.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich aus den Gegenständen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution of the technical problem results from the objects with the features of claims 1 and 6. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Energieübertragung in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Bordnetz aufweist, wobei das Bordnetz mindestens einen Niedrigspannungsbereich mit einem ersten Spannungsniveau aufweist. An das Bordnetz sind hierbei elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeuges, insbesondere Steuergeräte des Kraftfahrzeuges, angeschlossen. Das erste Spannungsniveau kann beispielsweise 12 V betragen. Weiter umfasst die Vorrichtung mindestens eine Elektromaschine und einender Elektromaschine zugeordneten Umrichter. Die Elektromaschine ist in einem motorischen Betrieb oder generatorischen Betrieb betreibbar. In einem motorischen Betrieb kann die Elektromaschine beispielsweise als Anlasser einer Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs dienen. In einem generatorischen Betrieb kann die Elektromaschine beispielsweise als Lichtmaschine eines Verbrennungskraftfahrzeuges dienen. Eine Betriebsspannung der Elektromaschine kann hierbei variabel, insbesondere höher als 12 V, sein. Vorzugsweise ist die Elektromaschine als dreiphasige Elektromaschine und der Umrichter als dreiphasiger Umrichter ausgebildet. Der Umrichter dient hierbei im motorischen Betrieb der Elektromaschine der Erzeugung einer Wechselspannung mit einer gewünschten Frequenz und einer gewünschten Amplitude aus einer Gleichspannung. Weiter dient der Umrichter im generatorischen Betrieb einer Erzeugung einer Gleichspannung mit einer gewünschten Amplitude aus einer von der Elektromaschine erzeugten Wechselspannung.Proposed is a device for transmitting energy in a motor vehicle, wherein the motor vehicle has a vehicle electrical system, wherein the electrical system has at least one low-voltage region with a first voltage level. To the electrical system in this case electrical consumers of the motor vehicle, in particular control devices of the motor vehicle, are connected. The first voltage level may be 12 V, for example. Furthermore, the device comprises at least one electric machine and a converter associated with the electric machine. The electric machine is in a motorized or regenerative mode Operation operable. In a motor operation, the electric machine can serve, for example, as a starter of an internal combustion engine of the motor vehicle. In a generator operation, the electric machine can serve, for example, as an alternator of an internal combustion vehicle. An operating voltage of the electric machine can in this case be variable, in particular higher than 12 V. Preferably, the electric machine is designed as a three-phase electric machine and the inverter as a three-phase inverter. The inverter is used in the motor operation of the electric machine of generating an alternating voltage with a desired frequency and a desired amplitude of a DC voltage. Further, the inverter is used in generator operation of generating a DC voltage having a desired amplitude from an AC voltage generated by the electric machine.

Selbstverständlich ist aber auch eine einphasige Ausbildung der Elektromaschine, beispielsweise als Gleichstrommaschine, denkbar.Of course, however, a single-phase design of the electric machine, for example as a DC machine, conceivable.

Weiter umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens einen Zwischenkreiskondensator. Hierbei ist der Zwischenkreiskondensator vorzugsweise dem Umrichter vorgeschaltet, so dass eine Betriebs- oder Eingangsspannung des Umrichters gleich der über dem Zwischenkreiskondensator abfallenden Zwischenkreisspannung ist. Auch die Zwischenkreisspannung kann variabel sein, insbesondere kann die Zwischenkreisspannung höher als 12 V sein.Furthermore, the device according to the invention comprises at least one intermediate circuit capacitor. In this case, the intermediate circuit capacitor is preferably connected upstream of the converter, so that an operating or input voltage of the converter is equal to the intermediate circuit voltage dropping across the intermediate circuit capacitor. The intermediate circuit voltage can also be variable; in particular, the intermediate circuit voltage can be higher than 12 V.

Weiter umfasst die Vorrichtung mindestens einen dem Niedrigspannungsbereich zugeordneten Energiespeicher. Dieser Energiespeicher kann insbesondere eine Batterie oder so genannte Bordnetzbatterie sein. Ohne Einschränkung wird der Energiespeicher im Folgenden als Bordnetzbatterie bezeichnet. Die Bordnetzbatterie dient hierbei einer Energieversorgung von an das Bordnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern, insbesondere auch einer Energieversorgung der Elektromaschine im motorischen Betrieb. Weiter dient die Bordnetzbatterie einer Energiespeicherung, insbesondere einer Speicherung der von der Elektromaschine im generatorischen Betrieb erzeugten elektrischen Leistung.Furthermore, the device comprises at least one energy store associated with the low-voltage region. This energy storage device may in particular be a battery or so-called onboard power supply battery. Without limitation, the energy storage is referred to below as the onboard power supply battery. The vehicle power supply battery serves to supply energy to electrical consumers connected to the vehicle electrical system, in particular also to a power supply of the electric motor during engine operation. Next, the electrical system battery is an energy storage, in particular a storage of electrical power generated by the electric machine in the generator mode.

Weiter umfasst die Vorrichtung mindestens ein Element zur Spannungswandlung. Über das Element zur Spannungswandlung ist der Umrichter mit dem Niedrigspannungsbereich, insbesondere mit der Bordnetzbatterie, elektrisch gekoppelt. Das Element zur Spannungswandlung kann hierbei als so genannter Abwärts-Wandler oder als sogenannter Aufwärts-Wandler betrieben werden. Vorzugsweise ist das Element zur Spannungswandlung ein Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler).Furthermore, the device comprises at least one element for voltage conversion. Via the element for voltage conversion, the converter is electrically coupled to the low-voltage region, in particular to the vehicle electrical system battery. The element for voltage conversion can in this case be operated as a so-called down converter or as a so-called up converter. Preferably, the voltage conversion element is a DC / DC converter.

Der Umrichter umfasst mindestens eine Halbbrücke mit zwei Leistungsschaltern, wobei ein Abschnitt der Halbbrücke zwischen den Leistungsschaltern über einen ersten elektrischen Versorgungspfad mit einer Klemme der Elektromaschine elektrisch verbunden ist. Die Leistungsschalter sind hierbei beispielsweise als MOSFET oder IGBT ausgebildet.The converter comprises at least one half bridge with two circuit breakers, wherein a portion of the half bridge between the circuit breakers is electrically connected via a first electrical supply path to a terminal of the electric machine. The power switches are in this case designed, for example, as a MOSFET or IGBT.

Erfindungsgemäß umfasst auch das Element zur Spannungswandlung mindestens zwei Leistungsschalter. Weiter umfasst das Element zur Spannungswandlung mindestens eine Induktivität. Hierbei wird unter einer Induktivität ein zumindest teilweise induktives Bauteil, beispielsweise eine Spule, verstanden. Erfindungsgemäß sind die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung die Leistungsschalter der mindestens einen Halbbrücke des Umrichters. Hierdurch ist das Element zur Spannungswandlung zumindest teilweise in den Umrichter integriert.According to the invention, the element for voltage conversion also comprises at least two power switches. Furthermore, the element for voltage conversion comprises at least one inductor. In this case, an inductance is an at least partially inductive component, for example a coil. According to the invention, the power switches of the voltage conversion element are the power switches of the at least one half-bridge of the converter. As a result, the element for voltage conversion is at least partially integrated in the inverter.

Die mindestens eine Induktivität des Elements zur Spannungswandlung ist in einem zweiten Versorgungspfad, der den Niedrigspannungsbereich und den zwischen den Leistungsschaltern der Halbbrücke liegenden Abschnitt der Halbbrücke elektrisch verbindet, angeordnet.The at least one inductance of the voltage conversion element is arranged in a second supply path, which electrically connects the low-voltage region and the section of the half-bridge lying between the circuit breakers of the half-bridge.

Erfindungsgemäß ist der zweite Versorgungspfad von dem ersten Versorgungspfad verschieden. Hierdurch ist also die mindestens eine Induktivität als individuelles Bauteil, insbesondere als von einer Induktivität der Elektromaschine separat ausgebildetes Bauteil, ausgebildet. Im Gegensatz zur DE 102 44 229 A1 und zur DE 198 57 645 A1 ist eine Induktivität des Elements zur Spannungswandlung erfindungsgemäß nicht durch eine Induktivität der Elektromaschine ausgebildet.According to the invention, the second supply path is different from the first supply path. In this way, therefore, the at least one inductance is formed as an individual component, in particular as a component formed separately from an inductance of the electric machine. In contrast to DE 102 44 229 A1 and to DE 198 57 645 A1 an inductance of the element for voltage conversion according to the invention is not formed by an inductance of the electric machine.

Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass im generatorischen Betrieb der Elektromaschine mittels einer Steuereinheit Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung derart steuerbar sind, dass von der Elektromaschine erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise in den Niedrigspannungsbereich, also an die Bordnetzbatterie und/oder an den Niedrigspannungsbereich angeschlossene elektrische Verbraucher, übertragbar ist. Weiter sind im motorischen Betrieb mittels der Steuereinheit die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung derart steuerbar, dass eine Energie des Niedrigspannungsbereichs, insbesondere eine in der Bordnetzbatterie gespeicherte elektrische Energie, zumindest teilweise an die Elektromaschine übertragbar ist.This results in an advantageous manner that in generator operation of the electric machine by means of a control unit circuit breaker of the element for voltage conversion are controllable such that electrical energy generated by the electric machine at least partially in the low voltage range, ie to the electrical system battery and / or to the low voltage range connected electrical Consumers, is transferable. Furthermore, in motor operation by means of the control unit, the power switches of the element for voltage conversion can be controlled such that an energy of the low-voltage region, in particular an electrical energy stored in the vehicle electrical system battery, can be transmitted at least partially to the electric machine.

Die Energieübertragung ist hierbei unabhängig von Spannungsunterschieden im Bordnetz, also auch unabhängig von Spannungsunterschieden zwischen dem Niedrigspannungsbereich und einer Zwischenkreisspannung.The energy transfer here is independent of voltage differences in the electrical system, so regardless of voltage differences between the low voltage range and a DC link voltage.

Im motorischen Betrieb ist also in vorteilhafter Weise eine Energieversorgung der Elektromaschine aus der Bordnetzbatterie möglich. Wird die Elektromaschine als Anlasser, z. B. für eine Verbrennungskraftmaschine, verwendet, so muss in vorteilhafter Weise kein weiterer Energiespeicher neben der Bordnetzbatterie im Fahrzeug vorgesehen sein. Zusätzlich kann die Elektromaschine in ebenso vorteilhafter Weise die Funktionalität einer Lichtmaschine, also eines Generators, übernehmen, wobei elektrische Energie in der Bordnetzbatterie gespeichert werden kann. Die geschilderten Betriebsarten (motorischer oder generatorischer Betrieb) werden hierbei mittels des Elements zur Spannungswandlung ermöglicht. So können beispielsweise hohe, von der Elektromaschine im generatorischen Betrieb erzeugte Spannungen mittels des Elements zur Spannungswandlung in eine dem ersten Spannungsniveau gleiche Ausgangsspannung des Umrichters gewandelt werden. Ebenso können für einen Start oder einen motorischen Betrieb der Elektromaschine benötigte Spannungen mittels des Elements zur Spannungswandlung vom ersten Spannungsniveau auf ein gewünschtes, insbesondere höheres, Spannungsniveau gewandelt werden. Hierdurch ergibt sich insbesondere eine wirkungsgradgünstige Betriebsweise der Elektromaschine. Da die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung ebenfalls Leistungsschalter mindestens einer Halbbrücke des Umrichters sind, ergibt sich eine teilintegrierte Ausbildung des Elements zur Spannungswandlung. Hierdurch können in vorteilhafter Weise Herstellungskosten und Bauraumanforderungen minimiert werden.In motor operation, an energy supply of the electric machine from the vehicle electrical system battery is thus possible in an advantageous manner. If the electric machine as a starter, z. As used for an internal combustion engine, so no further energy storage must be provided in addition to the electrical system battery in the vehicle in an advantageous manner. In addition, the electric machine in an advantageous manner, the functionality of an alternator, so a generator, take over, with electrical energy can be stored in the electrical system battery. The described operating modes (motor or generator operation) are made possible here by means of the voltage conversion element. For example, high voltages generated by the electric machine during regenerative operation can be converted into a voltage equal to the first voltage level of the converter by means of the voltage conversion element. Likewise, voltages required for a start or a motor operation of the electric machine can be converted from the first voltage level to a desired, in particular higher, voltage level by means of the element for voltage conversion. This results in particular a low-efficiency operation of the electric machine. Since the circuit breakers of the element for voltage conversion are also circuit breakers of at least one half-bridge of the inverter, there is a partially integrated design of the element for voltage conversion. As a result, manufacturing costs and space requirements can be minimized in an advantageous manner.

Insbesondere im Vergleich mit der Lehre der DE 102 44 229 A1 und der DE 198 57 645 A1 ist keine Sternpunkt-Anzapfung der Elektromaschine notwendig. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung Elektromaschinen mit verschiedenen Motorschaltungen, z. B. Dreieckschaltungen, in einem motorischen und generatorischen Betrieb betrieben werden können. In weiter vorteilhafter Weise ergibt sich im Vergleich ein verbesserter Wirkungsgrad im Gleichspannungs-Wandlerbetrieb, im Folgenden auch nur als Wandlerbetrieb bezeichnet, des Umrichters, da die mindestens eine Induktivität des Elements zur Spannungswandlung auf den Wandlerbetrieb optimiert werden kann.In particular, in comparison with the doctrine of DE 102 44 229 A1 and the DE 198 57 645 A1 no star point tapping of the electric machine is necessary. This results in an advantageous manner that by means of the device according to the invention electrical machines with different engine circuits, eg. B. delta circuits, can be operated in a motor and generator operation. In a further advantageous manner results in comparison an improved efficiency in the DC converter operation, hereinafter also referred to as converter operation, the inverter, since the at least one inductance of the element can be optimized for voltage conversion to the converter operation.

Eine mögliche Optimierung ist z. B. die Verwendung von Ferrit als Magnetmaterial. Motorinduktivitäten, also Induktivitäten der Elektromaschine, haben Anforderungen nach hohen Kräften bzw. Drehmomenten in ihrer Auslegung zu berücksichtigen. Insbesondere muss ein Material der Motorinduktivitäten an hohe magnetische Feldstärken angepasst ausgelegt werden, was z. B. zur Verwendung von verlustreicherem Eisen als Magnetmaterial führt. Solche Anforderungen bestehen in vorteilhafter Weise nicht bei der Auslegung bzw. Dimensionierung der mindestens einen Induktivität des Elements zur Spannungswandlung.One possible optimization is z. B. the use of ferrite as a magnetic material. Motor inductances, ie inductances of the electric machine, have to take into account requirements for high forces or torques in their design. In particular, a material of the motor inductances must be designed adapted to high magnetic field strengths, which z. B. leads to the use of more lossy iron than magnetic material. Such requirements are advantageously not in the design or dimensioning of the at least one inductance of the element for voltage conversion.

In weiter vorteilhafter Weise wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, dass ein Lade- oder Entladestrom der Bordnetzbatterie nicht zusätzlich über die Induktivitäten, beispielsweise Wicklungen der Elektromaschine, fließen muss, was z. B. zu einem niedrigeren Maximalmoment oder zu Momentenschwankungen führen kann.In a further advantageous manner is made possible by the device according to the invention that a charging or discharging of the electrical system battery does not have to flow in addition to the inductances, such as windings of the electric machine, which z. B. can lead to a lower maximum torque or torque fluctuations.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in dem motorischen Betrieb der Elektromaschine eine Energieversorgung der Elektromaschine ausschließlich aus der Bordnetzbatterie gewährleistbar. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine Energieversorgung der Elektromaschine allein aus der Bordnetzbatterie heraus erfolgen kann. Hierdurch sind keine weiteren Energiespeicher zur Energieversorgung der Elektromaschine im Kraftfahrzeug anzuordnen.In an advantageous embodiment of the invention is in the motor operation of the electric machine, a power supply of the electric machine exclusively from the electrical system battery guaranteed. This results in an advantageous manner that a power supply of the electric machine can be done solely from the electrical system battery out. As a result, no further energy storage for the power supply of the electric machine in the vehicle to be arranged.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Umrichter als dreiphasiger Umrichter ausgebildet, wobei jeder Phase des Umrichters eine Halbbrücke mit jeweils zwei Leistungsschaltern zugeordnet ist. Analog der vorhergehenden Ausführungen ist ein Abschnitt zwischen den Leistungsschaltern jeder Halbbrücke über erste Versorgungspfade mit Klemmen einer dreiphasigen Elektromaschine elektrisch verbunden. Das Element zur Spannungswandlung umfasst sechs Leistungsschalter und drei Induktivitäten, wobei die sechs Leistungsschalter die jeweils zwei Leistungsschalter der Halbbrücken des Umrichters sind. Die Induktivitäten des Elements zur Spannungswandlung sind in jeweils zweiten Versorgungspfaden angeordnet, wobei die zweiten Versorgungspfade den Niedrigspannungsbereich und den zwischen den Leistungsschaltern der jeweiligen Halbbrücke liegenden Abschnitt der jeweiligen Halbbrücke elektrisch verbinden und von den ersten Versorgungspfaden verschieden sind. Durch die Ausbildung des Elements zur Spannungswandlung mit sechs Leistungsschaltern und drei Induktivitäten werden in vorteilhafter Weise die Freiheitsgrade der Steuerung im Wandlerbetrieb des Elements zur Spannungswandlung erhöht. Eine Wandlerfunktion des Elements zur Spannungswandlung wird hierbei mittels der Leistungsschalter aller Halbbrücken durchgeführt, wodurch in vorteilhafter Weise auch während einer ausgeübten Wandlungsfunktion des Elements zur Spannungswandlung eine symmetrische Ansteuerung der Elektromaschine ermöglicht wird. Vorzugsweise sind die drei Induktivitäten des Elements zur Spannungswandlung gleich ausgelegt. Im Vergleich zur Ausführungsform mit nur einer Induktivität können die jeweiligen Induktivitäten des Elements zur Spannungswandlung jedoch für kleinere Ströme ausgelegt werden.In a further embodiment, the converter is designed as a three-phase converter, wherein each phase of the converter is associated with a half-bridge, each with two circuit breakers. Analogous to the previous embodiments, a section between the circuit breakers of each half-bridge is electrically connected via first supply paths to terminals of a three-phase electric machine. The voltage conversion element comprises six power switches and three inductors, with the six power switches being the two power switches of the half bridges of the inverter respectively. The inductances of the voltage conversion element are arranged in respective second supply paths, wherein the second supply paths electrically connect the low voltage region and the portion of the respective half bridge lying between the power switches of the respective half bridge and are different from the first supply paths. The design of the voltage conversion element with six circuit breakers and three inductors advantageously increases the degrees of freedom of control in the converter operation of the voltage conversion element. A converter function of the element for voltage conversion is in this case carried out by means of the power switch of all half-bridges, whereby a symmetrical control of the electric machine is advantageously made possible even during an exercised conversion function of the element for voltage conversion. Preferably, the three inductances of the voltage conversion element are the same. In comparison to However, with only one inductance, the respective inductances of the voltage conversion element may be designed for smaller currents.

In einer weiteren Ausführungsform ist mittels der Steuereinheit ein Schalten der Leistungsschalter des Umrichters und somit auch des Elements zur Spannungswandlung in Abhängigkeit von mindestens einer gewünschten mechanischen Leistung der Elektromaschine und einer gewünschten Energieübertragung in den Niedrigspannungsbereich hinein oder aus dem Niedrigspannungssystem heraus steuerbar. Hierbei umfasst eine gewünschte mechanische Leistung der Elektromaschine eine mechanische Leistung im motorischen Betrieb, z. B. abhängig von einer gewünschten Drehzahl und einem gewünschten Drehmoment, und eine gewünschte mechanische Leistung im Generatorbetrieb, z. B. in Abhängigkeit eines gewünschten Bremsmoments der Elektromaschine. Hierbei hat die Steuereinheit im Wesentlichen zwei Aufgaben zu erfüllen. Einerseits müssen mindestens zwei Leistungsschalter des Umrichters, die gleichzeitig Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung sind, derart gesteuert werden, dass eine gewünschte Energieübertragung aus dem Niedrigspannungsbereich zur Elektromaschine oder von der Elektromaschine in den Niedrigspannungsbereich hinein ermöglicht wird. Weiter muss die Steuereinheit alle Leistungsschalter des Umrichters, also auch die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung, derart steuern, dass eine gewünschte mechanische Leistung der Elektromaschine eingestellt wird. Verschiedene Verfahren zur Steuerung werden nachfolgend näher erläutert. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine gewünschte Energieübertragung mit gewünschter Übertragungsrichtung und gewünschter Energiemenge gleichzeitig zu einer gewünschten Betriebsweise der Elektromaschine mittels der Steuereinheit eingestellt werden kann.In a further embodiment, by means of the control unit, a switching of the power switch of the converter and thus also of the element for voltage conversion depending on at least one desired mechanical power of the electric machine and a desired energy transfer in the low voltage range or out of the low voltage system out controllable. In this case, a desired mechanical power of the electric machine comprises a mechanical power in the engine operation, for. B. depending on a desired speed and a desired torque, and a desired mechanical power in the generator mode, for. B. as a function of a desired braking torque of the electric machine. In this case, the control unit essentially has two tasks to fulfill. On the one hand, at least two power switches of the inverter, which are at the same time circuit breakers of the voltage conversion element, must be controlled so as to enable a desired energy transfer from the low voltage range to the electric machine or from the electric machine into the low voltage range. Furthermore, the control unit must control all circuit breakers of the inverter, including the power switch of the element for voltage conversion, so that a desired mechanical power of the electric machine is adjusted. Various methods of control will be explained in more detail below. The inventive device results in an advantageous manner that a desired energy transfer with desired transmission direction and desired amount of energy can be set simultaneously to a desired operation of the electric machine by means of the control unit.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Bordnetz mindestens einen Hochspannungsbereich mit einem zweiten Spannungsniveau auf, wobei das zweite Spannungsniveau höher als das erste Spannungsniveau ist. Vorzugsweise ist der Hochspannungsbereich über einen Versorgungspfad mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden. Mittels des Elements zur Spannungswandlung kann hierbei eine (Ausgangs-)Spannung der Bordnetzbatterie, also eine Gleichspannung mit dem ersten Spannungsniveau, auf eine Spannung mit dem zweiten Spannungsniveau gewandelt werden. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise möglich, auch elektrische Verbraucher an das Bordnetz anzuschließen, die auf eine höhere Betriebsspannung als eine Ausgangsspannung der Bordnetzbatterie ausgelegt sind. Mittels des Elements zur Spannungswandlung wird hierbei in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass elektrische Energie aus dem Niedrigspannungsbereich in den Hochspannungsbereich und/oder an die Elektromaschine übertragen wird. Gleichzeitig kann im generatorischen Betrieb der Elektromaschine elektrische Energie von der Elektromaschine in den Hochspannungsbereich und/oder in den Niedrigspannungsbereich hinein übertragen werden.In a further embodiment, the vehicle electrical system has at least one high-voltage region with a second voltage level, wherein the second voltage level is higher than the first voltage level. Preferably, the high voltage region is connected via a supply path to the DC link capacitor. By means of the element for voltage conversion in this case can be converted to a voltage with the second voltage level, a (output) voltage of the electrical system battery, ie a DC voltage with the first voltage level. This makes it possible in an advantageous manner to connect electrical loads to the electrical system, which are designed for a higher operating voltage than an output voltage of the electrical system battery. By means of the element for voltage conversion, it is advantageously possible here for electrical energy to be transferred from the low-voltage region into the high-voltage region and / or to the electric machine. At the same time, electrical energy can be transmitted from the electric machine into the high-voltage region and / or into the low-voltage region during generator operation of the electric machine.

Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Energieübertragung in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug eine Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß den vorhergehenden Erläuterungen aufweist. In einem generatorischen Betrieb der Elektromaschine steuert eine Steuereinheit Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung, die gleichzeitig Leistungsschalter eines Umrichters sind, derart, dass von der Elektromaschine erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise in den Niedrigspannungsbereich hinein, insbesondere an die Bordnetzbatterie, übertragen wird. Hierbei ermittelt eine Steuereinheit Schaltzeitpunkte der Leistungsschalter und steuert ein Schalten dieser Leistungsschalter entsprechend den berechneten Schaltzeitpunkten. Weiter steuert die Steuereinheit in einem motorischen Betrieb die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung derart, dass eine Energie des Niedrigspannungsbereich, insbesondere eine in der Bordnetzbatterie gespeicherte elektrische Energie, zumindest teilweise an die Elektromaschine übertragen wird. Hierbei kann im motorischen Betrieb der Elektromaschine eine Energieversorgung der Elektromaschine teilweise oder ausschließlich aus der Bordnetzbatterie erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise, eine Elektromaschine gleichzeitig als Motor, z. B. als Anlasser, oder als Generator, z. B. als Lichtmaschine, zu benutzen, wobei eine Energieversorgung der Elektromaschine z. B. aus einer einem Niedrigspannungsbereich des Bordnetzes zugeordneten Bordnetzbatterie teilweise oder ausschließlich erfolgen kann. Weiter kann auch die im generatorischen Betrieb erzeugte elektrische Energie in der Bordnetzbatterie gespeichert werden und/oder für eine Energieversorgung von dem Niedrigspannungsbereich zugeordnete elektrische Verbrauchern genutzt werden. Das mittels der Steuereinheit ausgeführte Verfahren zur Steuerung der Leistungsschalter ermöglicht hierbei, dass zwei verschiedene Funktionen des Umrichters gleichzeitig ausgeführt werden können. Eine erste Funktion ist hierbei eine Wandlerfunktion, wobei Schaltzeitpunkte von Leistungsschaltern des Elements zur Spannungswandlung in Abhängigkeit einer gewünschten Energieübertragung in den Niedrigspannungsbereich hinein oder aus dem Niedrigspannungsbereich heraus gesteuert werden. In einer zweiten Funktion ermöglicht das Verfahren zur Steuerung der Leistungsschalter einen Betrieb der Elektromaschine mit gewünschten Betriebsparametern wie z. B. einem gewünschten Drehmoment und/oder einer gewünschten Drehzahl.Further proposed is a method for transmitting energy in a motor vehicle, wherein the motor vehicle has a device for energy transmission according to the preceding explanations. In a generator operation of the electric machine, a control unit controls circuit breakers of the element for voltage conversion, which are also circuit breakers of an inverter, such that electrical energy generated by the electric machine is at least partially into the low-voltage area, in particular to the electrical system battery transferred. In this case, a control unit determines switching times of the power switches and controls switching of these power switches according to the calculated switching times. Further, the control unit controls in a motor operation, the power switch of the element for voltage conversion such that an energy of the low voltage region, in particular a stored in the electrical system battery electrical energy is at least partially transmitted to the electric machine. In this case, in the motor operation of the electric machine, a power supply of the electric machine can take place partially or exclusively from the onboard power supply battery. The inventive method advantageously allows an electric machine at the same time as a motor, for. B. as a starter, or as a generator, for. B. as an alternator to use, with a power supply of the electric machine z. B. can be made partially or exclusively from a low-voltage range of the electrical system associated with the vehicle electrical system battery. Furthermore, the electrical energy generated in regenerative operation can also be stored in the vehicle electrical system battery and / or used for supplying electrical power to electrical consumers assigned to the low-voltage region. The method performed by the control unit for the control of the power switch in this case allows two different functions of the inverter can be performed simultaneously. In this case, a first function is a converter function, wherein switching times of circuit breakers of the element for voltage conversion are controlled in dependence on a desired energy transfer into the low-voltage range or out of the low-voltage range. In a second function, the method of controlling the circuit breakers enables operation of the electric machine with desired operating parameters, such as, for example: B. a desired torque and / or a desired speed.

Eine Steuerung oder Regelung der Leistungsschalter kann hierbei auch über eine so genannte Steuer- oder Regelhierachie mit mehreren Ebenen erfolgen. Hierbei kann z. B. eine gewünschte Stromstärke und/oder Stromrichtung durch die mindestens eine Induktivität des Elements zur Spannungswandlung vorgegeben werden. Die Steuereinheit oder Untereinheiten der Steuereinheit bestimmen aus der gewünschten Stromstärke und/oder Stromrichtung eine mittels des Elements zur Spannungswandlung einzustellende Zwischenkreisspannung. Hieraus können wiederum Schaltzeitpunkte der Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung berechnet werden. Ebenso kann die Steuereinheit oder eine Untereinheit der Steuereinheit aus gewünschten Betriebsparametern der Elektromaschine (Drehmoment, Drehzahl, Drehrichtung) eine gewünschte Klemmen-Differenz-Spannung und/oder einen gewünschten Motorstrom bestimmen. Weiter können z. B. aus den gewünschten Klemmen-Differenz-Spannungen Schaltzeitpunkte der Leistungsschalter des Umrichters berechnet werden. A control or regulation of the circuit breaker can also take place via a so-called control or Regelhierachie with multiple levels. This z. B. a desired current and / or current direction can be specified by the at least one inductance of the element for voltage conversion. The control unit or subunits of the control unit determine from the desired current intensity and / or current direction an intermediate circuit voltage to be set by means of the element for voltage conversion. From this, in turn, switching times of the power switches of the voltage conversion element can be calculated. Likewise, the control unit or a subunit of the control unit from desired operating parameters of the electric machine (torque, speed, direction of rotation) determine a desired terminal differential voltage and / or a desired motor current. Next z. B. from the desired terminal differential voltages switching times of the circuit breaker of the inverter can be calculated.

In einer weiteren Ausführungsform bestimmt eine Einheit zur Bestimmung mindestens einer mittleren Phasenspannung mindestens eine mittlere Phasenspannung des Umrichters mindestens in Abhängigkeit einer gewünschten Energieübertragung in den Niedrigspannungsbereich hinein oder aus dem Niedrigspannungsbereich heraus. Hierbei ist die mittlere Phasenspannung eine vom Element zur Spannungswandlung einzustellende Spannung. Die mittlere Phasenspannung ist also die Phasenspannung der Halbbrücke oder der Halbbrücken, die gleichzeitig die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung umfassen.In a further embodiment, a unit for determining at least one mean phase voltage determines at least one mean phase voltage of the converter at least in dependence on a desired energy transfer into the low-voltage range or out of the low-voltage range. Here, the average phase voltage is a voltage to be set by the voltage conversion element. The average phase voltage is thus the phase voltage of the half-bridge or the half-bridges which simultaneously comprise the power switches of the voltage conversion element.

Die Halbbrücke ist zwischen einem Versorgungspfad mit hoher Spannung und einem Versorgungspfad mit einer niedrigen Spannung, z. B. Masse, angeordnet. Die Phasenspannung einer Halbbrücke bezeichnet hierbei die über dem Leistungsschalter der Halbbrücke, der zwischen einem Abschnitt zwischen den Leistungsschaltern der Halbbrücke und dem Versorgungspfad mit der niedrigen Spannung angeordnet ist, abfällt.The half-bridge is between a high voltage supply path and a low voltage supply path, e.g. B. mass arranged. In this case, the phase voltage of a half-bridge denotes that across the half-bridge of the circuit breaker, which is arranged between a section between the circuit breakers of the half-bridge and the supply path with the low voltage.

Weiter bestimmt mindestens eine Einheit zur Bestimmung von mindestens einer Motorspannung der Elektromaschine eine Motorspannung der Elektromaschine mindestens in Abhängigkeit einer gewünschten mechanischen Leistung der Elektromaschine. Als Motorspannung wird hierbei eine Spannung verstanden, deren Eigenschaften (z. B. Amplitude, Frequenz, Phase) eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment und/oder eine Drehrichtung der Elektromaschine bestimmen. Ist die Elektromaschine z. B. in einer Sternschaltung verschaltet, so bezeichnen die Motorspannungen die Strangspannungen der Elektromaschine. Ist die Elektromaschine nicht in einer Sternschaltung verschaltet, so lassen sich die Motorspannungen mittels später erläuterter Verfahren berechnen. Aus den Motorspannungen lassen sich auch die Klemmen-Differenz-Spannungen der Elektromaschine herleiten, die ebenfalls eine Betriebsweise (Drehmoment, Drehzahl, Drehrichtung) der Elektromaschine bestimmen können. Mindestens eine Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung bestimmt eine Soll-Phasenspannung mindestens einer Halbbrücke des Umrichters mindestens in Abhängigkeit der mittleren Phasenspannung und der Motorspannung. Insbesondere kann mittels der mindestens einen Motorspannung bzw. deren Eigenschaften eine gewünschte Betriebsweise (motorischer oder generatorischer Betrieb mit einer gewünschten Drehzahl und einem gewünschten Drehmoment) eingestellt werden. Die mittlere Phasenspannung bestimmt hierbei u. a.; ob Energie von der Elektromaschine an den Niedrigspannungsbereich oder von dem Niedrigspannungsbereich an die Elektromaschine übertragen wird. Da die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung gleichzeitig Leistungsschalter des Umrichters sind, kann es hierbei zu Problemen kommen, wenn eine mittlere Phasenspannung von einer aus einer gewünschten Motorspannung bestimmten Phasenspannung abweicht.Furthermore, at least one unit for determining at least one motor voltage of the electric machine determines a motor voltage of the electric machine at least as a function of a desired mechanical power of the electric machine. In this case, the term "motor voltage" refers to a voltage whose properties (eg amplitude, frequency, phase) determine a rotational speed and / or a torque and / or a direction of rotation of the electric machine. If the electric machine z. B. connected in a star connection, the motor voltages denote the strand voltages of the electric machine. If the electric machine is not connected in a star connection, then the motor voltages can be calculated by means of later explained methods. From the motor voltages, the terminal-differential voltages of the electric machine can be derived, which can also determine a mode of operation (torque, speed, direction of rotation) of the electric machine. At least one unit for determining at least one desired phase voltage determines a nominal phase voltage of at least one half-bridge of the converter at least as a function of the average phase voltage and the motor voltage. In particular, by means of the at least one motor voltage or its properties a desired mode of operation (motor or generator operation with a desired speed and a desired torque) can be set. The mean phase voltage determines u. al .; Whether energy is transferred from the electric machine to the low voltage range or from the low voltage range to the electric machine. Since the circuit breakers of the voltage conversion element are at the same time circuit breakers of the converter, problems may arise when a mean phase voltage deviates from a phase voltage determined from a desired motor voltage.

Um diese Probleme zu vermeiden, bestimmt die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung die endgültig einzustellende Soll-Phasenspannung des Umrichters, insbesondere auch der Phasenspannung der mindestens einen Halbbrücke, die gleichzeitig Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung und des Umrichters umfasst, in Abhängigkeit der ermittelten mittleren Phasenspannung und der mindestens einen Motorspannung. Hierbei ergeben sich unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der mindestens einen Soll-Phasenspannung.In order to avoid these problems, the unit for determining at least one desired phase voltage determines the final setpoint phase voltage of the converter, in particular also the phase voltage of the at least one half-bridge, which simultaneously comprises power switches of the element for voltage conversion and of the converter, depending on the determined average phase voltage and the at least one motor voltage. This results in different methods for determining the at least one desired phase voltage.

Ist beispielsweise die Elektromaschine eine dreiphasige Elektromaschine, der Umrichter ein dreiphasiger Umrichter und umfasst nur eine erste Halbbrücke, die einer ersten Phase der Elektromaschine zugeordnet ist, Leistungsschalter, die gleichzeitig Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung sind, so kann die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung in einem ersten Betriebsmodus die Soll-Phasenspannung der ersten Halbbrücke gleich der von der mindestens einen Einheit zur Bestimmung einer mittleren Phasenspannung bestimmten mittleren Phasenspannung setzen. Gleichzeitig kann die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung die Soll-Phasenspannung der zweiten Halbbrücke als eine Summe aus der mittleren Phasenspannung der ersten Halbbrücke (Soll-Phasenspannung der ersten Halbbrücke) und einer gewünschten Klemmen-Differenz-Spannung zwischen der an die erste Halbbrücke des Umrichters angeschlossenen Klemme der Elektromaschine und der an die zweite Halbbrücke angeschlossenen Klemme der Elektromaschine bestimmen. Analog kann die dritte Phasenspannung als eine Summe von der Soll-Phasenspannung der ersten Halbbrücke und einer gewünschten Klemmen-Differenz-Spannung zwischen der ersten Klemme der Elektromaschine und der dritten Klemme der Elektromaschine bestimmt werden.For example, if the electric machine is a three-phase electric machine, the inverter is a three-phase converter and comprises only a first half-bridge associated with a first phase of the electric machine, power switches which are also circuit breakers of the voltage conversion element, the unit may determine at least one setpoint Phase voltage in a first operating mode set the desired phase voltage of the first half-bridge equal to the average phase voltage determined by the at least one unit for determining a mean phase voltage. At the same time, the unit for determining at least one desired phase voltage, the desired phase voltage of the second half-bridge as a sum of the average phase voltage of the first half-bridge (target phase voltage of the first half-bridge) and a desired terminal-difference voltage between the at the Determine the first half-bridge of the inverter connected to the terminal of the electric machine and connected to the second half-bridge terminal of the electric machine. Similarly, the third phase voltage may be determined as a sum of the desired phase voltage of the first half-bridge and a desired terminal-to-differential voltage between the first terminal of the electric machine and the third terminal of the electric machine.

In einem zweiten Betriebsmodus wird die erste Soll-Phasenspannung als eine Summe aus der mittleren Phasenspannung und einer gewünschten ersten Motorspannung berechnet. Analog wird eine zweite Soll-Phasenspannung als Summe aus der mittleren Phasenspannung und einer gewünschten zweiten Motorspannung berechnet. Analog wird eine dritte Soll-Phasenspannung als eine Summe aus der mittleren Phasenspannung und einer gewünschten dritten Motorspannung berechnet.In a second mode of operation, the first desired phase voltage is calculated as a sum of the average phase voltage and a desired first motor voltage. Similarly, a second desired phase voltage is calculated as the sum of the average phase voltage and a desired second motor voltage. Similarly, a third desired phase voltage is calculated as a sum of the average phase voltage and a desired third motor voltage.

Die Einheit zur Bestimmung mindestens einer mittleren Phasenspannung, die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Motorspannung und die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung können hierbei in die Steuereinheit integriert oder als separate Steuereinheiten ausgebildet sein. Weiter steuert die Steuereinheit oder eine Untereinheit der Steuereinheit ein Schalten der Leistungsschalter des Umrichters in Abhängigkeit der ermittelten Soll-Phasenspannung. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein Wandlerbetrieb mit gewünschten Eigenschaften (Richtung der Energieübertragung, Menge an übertragener Energie) und ein gewünschter Betrieb der Elektromaschine (motorischer oder generatorischer Betrieb) mit gewünschten Eigenschaften (z. B. Drehmoment, Drehzahl, Drehrichtung) mittels des Umrichters ermöglicht wird.The unit for determining at least one average phase voltage, the unit for determining at least one motor voltage and the unit for determining at least one desired phase voltage may in this case be integrated in the control unit or designed as separate control units. Furthermore, the control unit or a subunit of the control unit controls switching of the power switches of the converter in dependence on the determined desired phase voltage. This results in an advantageous manner that a converter operation with desired properties (direction of energy transfer, amount of transmitted energy) and a desired operation of the electric machine (motor or generator operation) with desired properties (eg., Torque, speed, direction of rotation) means of the inverter is enabled.

In einer weiteren Ausführungsform wird eine gewünschte Energieübertragung in den Niedrigspannungsbereich hinein oder aus dem Niedrigspannungsbereich heraus und eine gewünschte mechanische Leistung der Elektromaschine von einer Strategieeinheit mindestens in Abhängigkeit einer Zwischenkreisspannung und/oder mindestens eines fahrdynamischen Sensorsignals und/oder mindestens eines fahrbetriebsspezifischen Sensorsignals bestimmt.In a further embodiment, a desired energy transfer into the low-voltage range or out of the low-voltage range and a desired mechanical power of the electric machine are determined by a strategy unit at least as a function of an intermediate circuit voltage and / or at least one vehicle dynamic sensor signal and / or at least one vehicle operation-specific sensor signal.

Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine zulässige obere Grenze einer Zwischenkreisspannung, die z. B. durch Betriebsparameter des Zwischenkreiskondensators vorgegeben sind, nicht überschritten wird. Hierdurch wird insbesondere eine Zerstörung des Zwischenkreiskondensators vermieden. Die Strategieeinheit bildet hierbei eine oberste Steuer- oder Regelungsebene einer Steuer- oder Regelungshierarchie. Hierbei werden insbesondere die nun als Stellgrößen aufzufassende gewünschte Energieübertragung in den Niedrigspannungsberich hinein oder aus dem Niedrigspannungsbereich heraus und die gewünschte Betriebsweise der Elektromaschine an eine Zwischenkreisspannung angepasst. Zusätzlich oder alternativ können auch fahrdynamische Größen, beispielsweise eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung des Fahrzeugs, berücksichtigt werden. Weiter können zusätzlich oder alternativ Eingangsgrößen wie z. B. Fahrpedal-, Bremspedal- und/oder Wählhebel-Stellung bei der Bestimmung der beiden Stellgrößen berücksichtigt werden. Hierbei bezeichnen fahrbetriebsspezifische Sensorsignale Ausgangssignale z. B. eines Fahrpedalsensors, eines Bremspedalsensors und/oder eines Wählhebel-Stellung-Sensors.This results in an advantageous manner that a permissible upper limit of a DC link voltage, the z. B. are predetermined by operating parameters of the DC link capacitor is not exceeded. As a result, in particular a destruction of the DC link capacitor is avoided. The strategy unit forms a top-level control or regulation level of a control or regulation hierarchy. In this case, in particular, the desired energy transfer, which is now to be taken as manipulated variables, is adjusted into the low-voltage region or out of the low-voltage region, and the desired mode of operation of the electric machine is adapted to an intermediate-circuit voltage. Additionally or alternatively, also driving dynamics variables, for example a speed or an acceleration of the vehicle, can be taken into account. Further, additionally or alternatively input variables such. B. accelerator pedal, brake pedal and / or selector lever position are taken into account in the determination of the two control variables. In this case, drive-specific sensor signals designate output signals z. As an accelerator pedal sensor, a brake pedal sensor and / or a selector lever position sensor.

In einer weiteren Ausführungsform bestimmt die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll Phasenspannung die mindestens eine Soll-Phasenspannung in Abhängigkeit einer Drehzahl der Elektromaschine. Insbesondere kann eine Steuerung des Schaltens der Leistungsschalter des Umrichters gemäß des vorhergehend erläuterten ersten Betriebsmodus und des vorhergehend erläuterten zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit einer Drehzahl erfolgen. Idealerweise bestimmt die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung die mindestens eine Soll-Phasenspannung derart, dass insbesondere im ersten Betriebsmodus eine Differenz-Klemmen-Spannung, die von der Einheit zur Bestimmung einer mittleren Phasenspannung bestimmte mittlere Phasenspannung nicht überschreitet. Weiter idealerweise bestimmt die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung die mindestens eine Soll-Phasenspannung im zweiten Betriebsmodus derart, dass ein Wechselstromanteil des Stromes durch die mindestens eine Induktivität des Elements zur Spannungswandlung ausreichend klein bleibt, beispielsweise kleiner ist als ein vorbestimmter Schwellwert.In a further embodiment, the unit for determining at least one desired phase voltage determines the at least one desired phase voltage as a function of a rotational speed of the electric machine. In particular, a control of the switching of the power switches of the inverter according to the previously explained first operating mode and the previously explained second operating mode can be carried out in dependence on a rotational speed. Ideally, the unit for determining at least one desired phase voltage determines the at least one desired phase voltage such that, in particular in the first operating mode, a differential terminal voltage which does not exceed the average phase voltage determined by the average phase voltage determining unit. Further ideally, the unit for determining at least one desired phase voltage determines the at least one desired phase voltage in the second operating mode such that an alternating current component of the current by the at least one inductance of the element for voltage conversion remains sufficiently small, for example, is smaller than a predetermined threshold value.

Aus Gründen einer einfacheren Realisierbarkeit können jedoch statt dieser Kriterien auch ein drehzahlabhängiges Kriterium zur Bestimmung der mindestens einen Soll-Phasenspannung verwendet werden. Hierzu kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise einen Sensor zur Erfassung der Drehzahl der Elektromaschine umfassen. Im ersten Betriebsmodus ist der Strom durch die mindestens eine Induktivität des Elements zur Spannungswandlung ein Gleichstrom. Jedoch ist im ersten Betriebsmodus die Höhe einer Differenz-Klemmen-Spannung im günstigsten Fall auf eine Hälfte der Zwischenkreisspannung begrenzt, wodurch ein Betrieb der Elektromaschine mit einer Differenz-Klemmen-Spannung oberhalb der Begrenzung nicht möglich ist. Im zweiten Betriebsmodus kann eine Differenz-Klemmen-Spannung eine Höhe der Zwischenkreisspannung annehmen. Jedoch wird hierbei einem durch die mindestens eine Induktivität des mindestens einen Elements zur Spannungswandlung fließenden Gleichstrom ein Wechselstromanteil überlagert. Durch das drehzahlabhängige Umschalten zwischen den beiden Betriebsmodi lassen sich in vorteilhafter Weise die Vorteile eines jeden Betriebsmodus ausnutzen.For reasons of a simpler feasibility, however, a speed-dependent criterion for determining the at least one desired phase voltage can be used instead of these criteria. For this purpose, the device according to the invention may advantageously comprise a sensor for detecting the rotational speed of the electric machine. In the first mode of operation, the current through the at least one inductance of the voltage conversion element is a direct current. However, in the first mode of operation, the magnitude of a differential terminal voltage is, in the best case, limited to one half of the intermediate circuit voltage, whereby operation of the electric machine with a differential terminal voltage above the limit is not possible. In the second operating mode, a differential terminal voltage may assume a level of the intermediate circuit voltage. However, an alternating current component is superimposed on a direct current flowing through the at least one inductance of the at least one element for voltage conversion. By the speed-dependent switching between the two operating modes can be advantageously exploit the advantages of each mode of operation.

In einer weiteren Ausführungsform bestimmt die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung die mindestens eine Soll-Phasenspannung gemäß eines ersten und eines zweiten Betriebsmodus, wobei in Abhängigkeit einer Drehzahl der Elektromaschine zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus umgeschaltet wird, wobei ein Umschalten ein hartes Umschalten oder ein hysteresebasiertes Umschalten oder ein überblendbasiertes Umschalten ist. Im einfachsten Fall (hartes Umschalten) wird an einer vorbestimmten Drehzahlgrenze ”hart” zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus umgeschaltet. Dieses Umschalten ist in vorteilhafter Weise einfach zu realisieren. Allerdings könnte, wenn die Elektromaschine längere Zeit in einem kleinen Drehzahlintervall um die vorbestimmte Drehzahlgrenze schwankt, der Fall auftreten, dass bei ungünstig gewählten Umschaltzeitpunkten eine Soll-Phasenspannung beispielsweise der ersten Phase von einer für die erste Phase bestimmten mittleren Phasenspannung abweicht. Dies lässt sich in vorteilhafter Weise mittels eines hysteresebasierten Umschaltens vermeiden. Hierzu werden zwei vorbestimmte Drehzahlgrenzen festgelegt, eine obere Drehzahlgrenze und eine untere Drehzahlgrenze. Überschreitet die Drehzahl der Elektromaschine die obere Grenze, werden die Soll-Phasenspannungen gemäß dem zweiten Betriebsmodus bestimmt. Unterschreitet die Drehzahl der Elektromaschine nun die untere Grenze, so wird eine Bestimmung der Soll-Phasenspannungen gemäß dem ersten Betriebsmodus durchgeführt. Zwischen der unteren und der oberen Grenze bzw. zwischen der oberen und der unteren Grenze (Hysteresebereich) wird der Betriebsmodus beibehalten, in welchen zuletzt gewechselt wurde. Ein ”hartes” Umschalten kann in ungünstigen Fällen unangenehme akustische Geräusche erzeugen. Dies kann in vorteilhafter Weise durch ein überblendbasiertes Umschalten vermieden werden. Hierbei werden wieder oberhalb einer oberen Grenze Soll-Phasenspannungen gemäß dem zweiten Betriebsmodus bestimmt. Unterhalb einer unteren Drehzahlgrenze werden Soll-Phasenspannungen gemäß dem ersten Betriebsmodus bestimmt. In dem Bereich zwischen der unteren und der oberen Drehzahlgrenze werden die Soll-Phasenspannungen beispielsweise linear zwischen den gemäß dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus bestimmten Soll-Phasenspannungen interpoliert. Hierzu kann beispielsweise ein Überblendfaktor verwendet werden.In a further embodiment, the unit for determining at least one desired phase voltage determines the at least one desired phase voltage according to a first and a second operating mode, wherein a switchover between the first and the second operating mode depending on a rotational speed of the electric machine, wherein a switching Switching or hysteresis-based switching or fade-based switching is. In the simplest case (hard switching) is switched at a predetermined speed limit "hard" between the first operating mode and the second operating mode. This switching is advantageously easy to implement. However, if the electric machine fluctuates for a long time in a small speed interval by the predetermined speed limit, the case could occur that deviates at unfavorably selected switching times a desired phase voltage, for example, the first phase of a determined for the first phase average phase voltage. This can be avoided in an advantageous manner by means of a hysteresis-based switching. For this purpose, two predetermined speed limits are set, an upper speed limit and a lower speed limit. If the rotational speed of the electric machine exceeds the upper limit, the desired phase voltages are determined according to the second operating mode. If the speed of the electric machine now falls below the lower limit, then a determination of the desired phase voltages according to the first operating mode is performed. Between the lower and the upper limit or between the upper and the lower limit (hysteresis range), the operating mode is kept in which was changed last. A "hard" switching can produce unpleasant acoustic noises in unfavorable cases. This can be avoided in an advantageous manner by a fade-based switching. In this case, again above an upper limit, desired phase voltages are determined according to the second operating mode. Below a lower speed limit, desired phase voltages are determined according to the first operating mode. In the range between the lower and the upper speed limit, for example, the desired phase voltages are linearly interpolated between the desired phase voltages determined according to the first and second operating modes. For this purpose, for example, a cross-fade factor can be used.

Weiter kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens einen Sensor zur Sensierung einer Rotorlage der Elektromaschine und/oder einen Sensor zur Sensierung eines Phasenstroms der Elektromaschine und/oder einen Sensor zur Sensierung des ersten Spannungsniveaus und/oder einen Sensor zur Sensierung des zweiten Spannungsniveaus und/oder einen Sensor zur Sensierung eines Lade- oder Entladestroms der Bordnetzbatterie und/oder einen Sensor zur Sensierung eines durch die mindestens eine Induktivität des Elements zur Spannungswandlung fließenden Stromes umfassen, wobei die Steuereinheit ein Schalten der Leistungsschalter des Umrichters in Abhängigkeit von mindestens der Rotorlage und/oder des Phasenstroms und/oder des ersten Spannungsniveaus und/oder des zweiten Spannungsniveaus und/oder des Lade- und/oder Entladestroms und/oder des durch die mindestens eine Induktivität fließenden Stromes steuert. Die verschiedenen Sensorsignale können hierbei auf unterschiedlichen Ebenen der Regelhierarchie ausgewertet werden.Furthermore, the device according to the invention may comprise at least one sensor for sensing a rotor position of the electric machine and / or a sensor for sensing a phase current of the electric machine and / or a sensor for sensing the first voltage level and / or a sensor for sensing the second voltage level and / or a sensor for sensing a charging or discharging current of the onboard power supply battery and / or a sensor for sensing a current flowing through the at least one inductance of the voltage conversion element, the control unit switching the power switches of the converter as a function of at least the rotor position and / or the phase current and / or the first voltage level and / or the second voltage level and / or the charging and / or discharging current and / or the current flowing through the at least one inductor. The different sensor signals can be evaluated at different levels of the control hierarchy.

Weiter kann dem Zwischenkreiskondensator ein Dünnschicht-Kondensator (Supercap, Boostcap) parallel geschaltet werden. Dieser kann in vorteilhafter Weise im Sekundenbereich ähnliche oder sogar größere Leistungen aufnehmen oder abgeben als die Bordnetzbatterie. Eine Leistungsaufnahme oder -abgabe kann hierbei ebenfalls in vorteilhafter Weise gleichzeitig mit einer Leistungsaufnahme oder -abgabe der Bordnetzbatterie erfolgen. Hierdurch kann die Elektromaschine auch zumindest kurzzeitig bei höheren Leistungen betrieben werden als im Betrieb ausschließlich über die Bordnetzbatterie.Next, the DC link capacitor, a thin-film capacitor (Supercap, Boostcap) are connected in parallel. This can absorb or deliver in an advantageous manner in seconds range similar or even greater benefits than the electrical system battery. A power input or output can also be done in an advantageous manner at the same time with a power consumption or delivery of the electrical system battery. As a result, the electric machine can also be operated at least for a short time at higher powers than in operation exclusively via the vehicle electrical system battery.

Weiter kann die Steuereinheit ein Schalten der Leistungsschalter in Abhängigkeit einer Energieübertragung in einen Hochspannungsbereich des Bordnetzes hinein oder aus dem Hochspannungsbereich des Bordnetzes heraus und/oder in Abhängigkeit von Verlusten, z. B. von ohmschen Verlusten und/oder Ummagnetisierungs-Verlusten in der Elektromaschine und/oder Schaltverlusten in den Leistungsschaltern, steuern. Die in den Hochspannungsbereich hinein zu übertragende Energie und/oder die Verluste können hierbei aus regelungstechnischer Sicht als Störgrößen betrachtet werden. Ihre jeweilige Größe ist außerhalb der Steuerung bzw. Regelung bestimmt und kann durch die Steuereinheit nicht unabhängig von der in den Niedrigspannungsbereich zu übertragenden Energie und der von der Elektromaschine erzeugten Energie bestimmt werden. Zur Verbesserung der Regelgüte kann es, wie in der Regelungstechnik bekannt, sinnvoll sein, diese Störgrößen vorzusteuern. Hierzu können z. B. die wesentlichen Energieverbraucher, die für die in den Hochspannungsbereich zu übertragende Energie verantwortlich sind, einen gemessenen oder geschätzten Wert ihrer zur Zeit aufgenommenen Leistung an die Steuereinheit melden. Dies kann z. B. über einen Datenbus, beispielsweise einen CAN-Bus, erfolgen. Die Verluste können z. B. durch Berechnung oder Schätzung eines einfachen Verlustmodells durch die Steuereinheit geschätzt werden. Wird mittels der Steuereinheit eine Vorsteuerung durchgeführt, so braucht die Steuereinheit im Betrieb dann idealerweise nur eine Abweichung zwischen geschätzten und realen Störgrößen auszugleichen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass nicht Gesamtbeträge der Störgrößen auszugleichen sind.Next, the control unit switching the power switch in response to energy transfer in a high voltage range of the electrical system in or out of the high voltage range of the electrical system out and / or depending on losses, eg. As of ohmic losses and / or magnetic reversal losses in the electric machine and / or switching losses in the circuit breakers, control. The energy to be transferred into the high-voltage region and / or the losses can be regarded as disturbance variables from a control engineering point of view. Their respective size is determined outside the control and can not be determined by the control unit independently of the energy to be transmitted in the low voltage range and the power generated by the electric machine. To improve the control quality, it may be useful, as known in control engineering, to pre-control these disturbances. For this purpose, z. For example, the major energy consumers responsible for the energy to be transferred into the high voltage range have a measured or estimated value of their current power consumed Report control unit. This can be z. B. via a data bus, such as a CAN bus done. The losses can z. Estimated by calculation or estimation of a simple loss model by the control unit. If a precontrol is carried out by means of the control unit, then the control unit ideally only needs to compensate for a deviation between estimated and real disturbance variables during operation. This results in an advantageous manner that are not total amounts of disturbances to compensate.

Die Erfindung wird anhand zweiter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to second embodiments. The figures show:

1 ein schematischer Schaltplan einer Vorrichtung zur Energieübertragung (Stand der Technik), 1 a schematic circuit diagram of a device for energy transmission (prior art),

2 ein schematischer Schaltplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieübertragung, 2 a schematic circuit diagram of a device according to the invention for energy transmission,

3 ein schematischer Schaltplan einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieübertragung und 3 a schematic circuit diagram of another device according to the invention for energy transmission and

4 ein schematisches Blockschaltbild eines Verfahrens zur Energieübertragung. 4 a schematic block diagram of a method for energy transfer.

Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichenelemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Eigenschaften.Hereinafter, like reference numerals designate the same or similar technical characteristics.

1 zeigt einen schematischen Schaltplan einer Vorrichtung 1 zur Energieübertragung in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Stand der Technik. Die Vorrichtung 1 umfasst hierbei ein nicht vollständig dargestelltes Bordnetz mit einem Niedrigspannungsbereich 2 und einem Hochspannungsbereich 3. Hierbei weist der Niedrigspannungsbereich 2 ein erstes Spannungsniveau von 12 V auf, welches einer Batteriespannung Ubatt = 12 V entspricht. Der schematisch dargestellte Hochspannungsbereich 3 weist ein zweites Spannungsniveau von 42 V auf. Der Niedrigspannungsbereich 2 umfasst hierbei eine Bordnetzbatterie 4, welche eine Ausgangsspannung Ubatt von 12 V aufweist. Weiter sind an den Niedrigspannungsbereich 2 weitere, schematisch dargestellte elektrische Verbraucher 5 angeschlossen. Weiter umfasst die Vorrichtung 1 eine Elektromaschine 6. Die Elektromaschine 6 ist als dreiphasige Elektromaschine 6 dargestellt. Hierbei weist die Elektromaschine 6 drei Klemmen K1, K2, K3 der Elektromaschine 6 auf. Weiter ist dargestellt, dass die durch Motorinduktivitäten ML1, ML2, ML3 dargestellte Stränge der Elektromaschine 6 in einer Sternschaltung mit Sternpunkt S verschaltet sind. Über den Motorinduktivitäten ML1, ML2, ML3 fallen jeweils die Motorspannungen US1, US2, US3 ab. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Motorspannungen US1, US2, US3 gleich den Strangspannungen der Elektromaschine 6. Weiter umfasst die Vorrichtung 1 einen dreiphasigen Umrichter 7. Der dreiphasige Umrichter 7 umfasst drei Halbbrücken. Eine erste Halbbrücke umfasst einen ersten Schalter S1 und einen zweiten Schalter S2 der ersten Halbbrücke, wobei antiparallel zu den Schaltern Dioden D1, D2 geschaltet sind. Eine zweite Halbbrücke des Umrichters 7 umfasst einen ersten Schalter S3 und einen zweiten Schalter S4 der zweiten Halbbrücke. Analog sind Dioden D3, D4 antiparallel zum ersten Schalter S3 und zweiten Schalter S4 der zweiten Halbbrücke geschaltet. Eine dritte Halbbrücke umfasst einen ersten Schalter S5 und einen zweiten Schalter S6 der dritten Halbbrücke, wobei wiederum Dioden D5, D6 antiparallel zum ersten und zum zweiten Schalter S5, S6 der dritten Halbbrücke geschaltet sind. Mittels der Leistungsschalter S1, S2, S3, S4, S5, S6 werden Phasenspannungen UP1, UP2, UP3 eingestellt. Hierbei bildet die Differenz einer ersten Phasenspannung Um und einer zweiten Phasenspannung UP2 eine Differenz-Klemmen-Spannung UK1-K2 zwischen der ersten Klemme K1 und der zweiten Klemme K2 der Elektromaschine 6. Analog werden eine zweite Differenz-Klemmen-Spannung UK1-K3 und eine dritte Differenz-Klemmen-Spannung UK2-K3 bestimmt. Durch Schalten der Leistungsschalter S1, S2, S3, S4, S5, S6 lassen sich hierbei vorbestimmte Phasenspannungen und somit vorbestimmte Differenz-Klemmen-Spannungen UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 einstellen. Den Halbbrücken parallel geschaltet ist ein Zwischenkreiskondensator CZK. Über dem Zwischenkreiskondensator CZK fällt eine Zwischenkreisspannung UZK ab. Zwischen den Niedrigspannungsbereich 2 und den Zwischenkreiskondensator CZK ist ein Element 8 zur Spannungswandlung geschaltet. Das Element 8 zur Spannungswandlung umfasst eine Induktivität L und zwei Leistungsschalter S7, S8, wobei zu den Leistungsschaltern wiederum Dioden D7, D8 antiparallel geschaltet sind. Das Element 8 zur Spannungswandlung ist hierbei ein so genannter DC/DC-Wandler. 1 shows a schematic circuit diagram of a device 1 for transmitting energy in a motor vehicle according to the prior art. The device 1 in this case includes a not fully illustrated electrical system with a low voltage range 2 and a high voltage area 3 , Here, the low voltage range 2 a first voltage level of 12V, which corresponds to a battery voltage U batt = 12V. The high voltage range shown schematically 3 has a second voltage level of 42V. The low voltage range 2 in this case includes an electrical system battery 4 which has an output voltage U batt of 12V. Next are to the low voltage area 2 further, schematically illustrated electrical consumers 5 connected. Furthermore, the device comprises 1 an electric machine 6 , The electric machine 6 is as a three-phase electric machine 6 shown. In this case, the electric machine 6 three terminals K1, K2, K3 of the electric machine 6 on. It is further shown that the strands of the electric machine represented by motor inductances ML1, ML2, ML3 6 are connected in a star connection with neutral point S. The motor voltages U S1 , U S2 , U S3 drop across the motor inductances ML1, ML2, ML3. In the in 1 illustrated embodiment, the motor voltages U S1 , U S2 , U S3 are equal to the phase voltages of the electric machine 6 , Furthermore, the device comprises 1 a three-phase inverter 7 , The three-phase inverter 7 includes three half-bridges. A first half-bridge comprises a first switch S1 and a second switch S2 of the first half-bridge, wherein diodes D1, D2 are connected in antiparallel to the switches. A second half-bridge of the inverter 7 includes a first switch S3 and a second switch S4 of the second half-bridge. Similarly, diodes D3, D4 are connected in anti-parallel to the first switch S3 and second switch S4 of the second half-bridge. A third half-bridge comprises a first switch S5 and a second switch S6 of the third half-bridge, again diodes D5, D6 being connected in antiparallel to the first and second switches S5, S6 of the third half-bridge. By means of the power switches S1, S2, S3, S4, S5, S6, phase voltages U P1 , U P2 , U P3 are set. In this case, the difference between a first phase voltage Um and a second phase voltage U P2 forms a differential terminal voltage U K1-K2 between the first terminal K1 and the second terminal K2 of the electric machine 6 , Analogously, a second differential terminal voltage U K1-K3 and a third differential terminal voltage U K2-K3 are determined. By switching the power switches S1, S2, S3, S4, S5, S6, predetermined phase voltages and thus predetermined differential terminal voltages U K1-K2 , U K1-K3 , U K2-K3 can be set. Connected in parallel with the half bridges is a DC link capacitor C ZK . About the intermediate circuit capacitor C ZK drops an intermediate circuit voltage U ZK . Between the low voltage range 2 and the DC link capacitor C ZK is an element 8th switched to voltage conversion. The element 8th for voltage conversion comprises an inductance L and two power switches S7, S8, to the circuit breakers in turn diodes D7, D8 are connected in anti-parallel. The element 8th for voltage conversion here is a so-called DC / DC converter.

Nachfolgend sei überblicksmäßig ein Betrieb der Vorrichtung 1 zur Energieübertragung geschrieben. Anfangs seien alle Leistungsschalter S1, ..., S8 offen. Der Zwischenkreiskondensator CZK ist dann über die Induktivität L und die Diode D7 antiparallel zum Leistungsschalter S7 des Elements 8 zur Spannungswandlung auf etwa die Batteriespannung Ubatt geladen. Wird z. B. zum Starten eines Verbrennungsmotors, für welchen die Elektromaschine 6 als Anlasser fungiert, eine höhere Zwischenkreisspannung UZK gewünscht, kann der Leistungsschalter S8 geschlossen werden. Es baut sich dann ein Strom iL durch die Induktivität L entgegen der in 1 dargestellten Stromrichtung von iL auf. Wird der Leistungsschalter S8 wieder geöffnet, treibt die Induktivität L den Strom iL weiter, der durch die antiparallel zum Leistungsschalter S7 geschaltete Diode D7 in den Zwischenkreiskondensator CZK fließt und somit die Zwischenkreisspannung UZK erhöht. Zur Senkung von Verlusten kann in dieser Phase der Leistungsschalter S7 zusätzlich geschlossen werden. Der Betrag von dem Strom iL durch die Induktivität L sinkt. Hierbei wird das Element 8 zur Spannungswandlung als Aufwärtswandler von der Batteriespannung Ubatt zur Zwischenkreisspannung UZK verwendet.Below is an overview of an operation of the device 1 written for energy transfer. Initially, all circuit breakers S1, ..., S8 are open. The intermediate circuit capacitor C ZK is then across the inductance L and the diode D7 in anti-parallel to the power switch S7 of the element 8th for voltage conversion to about the battery voltage U batt loaded. If z. B. for starting an internal combustion engine, for which the electric machine 6 acts as a starter, a higher intermediate circuit voltage U ZK desired, the power switch S8 can be closed. It then builds a current i L through the inductance L opposite to in 1 illustrated current direction of i L on. If the power switch S8 is opened again, the inductance L continues to drive the current i L , which passes through the diode D7 connected in anti-parallel to the power switch S7 in FIG the intermediate circuit capacitor C ZK flows and thus increases the intermediate circuit voltage U ZK . To reduce losses, the circuit breaker S7 can also be closed in this phase. The amount of the current i L through the inductance L decreases. This becomes the element 8th used for voltage conversion as an up-converter of the battery voltage U batt to the intermediate circuit voltage U ZK .

Bei z. B. laufendem Verbrennungsmotor kann die Elektromaschine 6 auch als Generator, z. B. als Lichtmaschine, arbeiten. Hierbei wird der dreiphasige Umrichter 7 derart gesteuert, dass die Zwischenkreisspannung UZK größer als die Batteriespannung Ubatt ist. Das Element 8 zur Spannungswandlung wird jetzt als Abwärtswandler von der Zwischenkreisspannung UZK zur Batteriespannung Ubatt verwendet, um elektrische Verbraucher 5 zu versorgen und/oder die Bordnetzbatterie 4 zu laden. Hierbei wird der Leistungsschalter S7 geschlossen. Es baut sich dann ein Strom iL in der in 1 dargestellten Stromrichtung von iL auf. Wird der Leistungsschalter S7 wieder geöffnet, treibt die Induktivität L den Strom iL weiter durch die Diode D8, ohne dass dem Zwischenkreis Energie entzogen wird. Zur Senkung von Verlusten kann in dieser Phase der Leistungsschalter S8 zusätzlich geschlossen werden. Der Betrag von dem Strom iL durch die Induktivität L sinkt.At z. B. running internal combustion engine, the electric machine 6 as a generator, for. B. as an alternator, work. Here, the three-phase inverter 7 controlled such that the intermediate circuit voltage U ZK is greater than the battery voltage U batt . The element 8th for voltage conversion is now used as a buck converter from the intermediate circuit voltage U ZK to the battery voltage U batt to electrical loads 5 to supply and / or the electrical system battery 4 to load. In this case, the power switch S7 is closed. It then builds up a current i L in the 1 illustrated current direction of i L on. If the power switch S7 is opened again, the inductance L drives the current i L further through the diode D8, without the intermediate circuit energy is withdrawn. To reduce losses, the circuit breaker S8 can also be closed during this phase. The amount of the current i L through the inductance L decreases.

2 zeigt einen schematischen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Energieübertragung. Analog zu der in 1 dargestellten Vorrichtung 1 umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 einen Niedrigspannungsbereich 2 mit einer Bordnetzbatterie 4 und elektrischen Verbrauchern 5. Weiter umfasst die Vorrichtung 1 eine dreiphasige Elektromaschine 6 und einen dreiphasigen Umrichter 7. In 2 sind hierbei keine antiparallelen Dioden D1, ..., D8 dargestellt, was ausschließlich einer Vereinfachung der Darstellung dient. In 2 ist dargestellt, dass ein Abschnitt zwischen den Leistungsschaltern S1, S2 der ersten Halbbrücke über einen ersten Versorgungspfad mit einer ersten Klemme K1 der Elektromaschine 6 verbunden ist. In dem ersten Versorgungspfad fließt ein erster Phasenstrom iP1. Analog sind Abschnitte zwischen den Leistungsschaltern S3, S4 und S5, S6 der zweiten und dritten Halbbrücke mit der zweiten und der dritten Klemme K2, K3 der Elektromaschine 6 über erste Versorgungspfade, in denen Phasenströme iP2, iP3 fließen, verbunden. In 2 ist dargestellt, dass der Abschnitt zwischen den Leistungsschaltern S1, S2 zusätzlich über einen zweiten Versorgungspfad mit dem Niedrigspannungsbereich 2, insbesondere mit der Bordnetzbatterie 4, verbunden ist. Im zweiten Versorgungspfad ist die Induktivität L des Elements zur Spannungswandlung angeordnet. Hierbei ist das Element zur Spannungswandlung teilweise in den Umrichter 7 integriert. Es ist dargestellt, dass die Leistungsschalter S1, S2 der ersten Halbbrücke einerseits als Leistungsschalter S1, S2 des Umrichters 7 und andererseits als Leistungsschalter S1, S2 des Elements zur Spannungswandlung, die in 1 als Leistungsschalter S7, S8 dargestellt sind, fungieren. 2 shows a schematic circuit diagram of a device according to the invention 1 for energy transfer. Analogous to the in 1 illustrated device 1 includes the device according to the invention 1 a low voltage range 2 with a wiring system battery 4 and electrical consumers 5 , Furthermore, the device comprises 1 a three-phase electric machine 6 and a three-phase inverter 7 , In 2 here are no anti-parallel diodes D1, ..., D8 shown, which serves only to simplify the presentation. In 2 It is shown that a section between the circuit breakers S1, S2 of the first half-bridge via a first supply path to a first terminal K1 of the electric machine 6 connected is. In the first supply path, a first phase current i P1 flows . Similarly, sections between the circuit breakers S3, S4 and S5, S6 of the second and third half-bridge with the second and the third terminal K2, K3 of the electric machine 6 connected via first supply paths in which phase currents i P2 , i P3 flow. In 2 It is shown that the section between the power switches S1, S2 additionally has a second supply path with the low-voltage region 2 , in particular with the vehicle electrical system battery 4 , connected is. In the second supply path, the inductance L of the element for voltage conversion is arranged. Here, the element for voltage conversion is partially in the inverter 7 integrated. It is shown that the power switches S1, S2 of the first half-bridge on the one hand as a power switch S1, S2 of the inverter 7 and, on the other hand, as power switches S1, S2 of the voltage conversion element shown in FIG 1 are shown as power switches S7, S8 act.

Dabei sei angemerkt, dass die Leistungsschalter S1–S6 vorzugsweise als MOSFETs ausgebildet sind, die technologisch bedingt die antiparallelen Dioden D1–D6 als parasitäre Bauelemente automatisch miterzeugen.It should be noted that the power switches S1-S6 are preferably designed as MOSFETs, which automatically co-generate the anti-parallel diodes D1-D6 as parasitic components.

In 3 ist ein Schaltplan einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Energieübertragung dargestellt. Hierbei ist jeder Abschnitt zwischen den Leistungsschaltern S1, S2 und S3, S4 und S5, S6 der Halbbrücken des Umrichters 7 über zweite Versorgungspfade mit dem Niedrigspannungsbereich 2, insbesondere der Bordnetzbatterie 4, verbunden. In den zweiten Versorgungspfaden sind jeweils Induktivitäten L1, L2, L3 angeordnet. Hierbei fungieren alle Leistungsschalter S1, ..., S6 des Umrichters 7 als Leistungsschalter des Umrichters und des Elements zur Spannungswandlung.In 3 is a circuit diagram of another device according to the invention 1 shown for energy transfer. Here, each section between the circuit breakers S1, S2 and S3, S4 and S5, S6 of the half-bridges of the inverter 7 via second supply paths with the low voltage range 2 , in particular the electrical system battery 4 , connected. Inductances L1, L2, L3 are respectively arranged in the second supply paths. Here, all circuit breakers S1, ..., S6 of the inverter function 7 as circuit breaker of the inverter and the element for voltage conversion.

4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Verfahrens zur Energieübertragung. Nachfolgend werden wesentliche Aspekte des Verfahrens zur Energieübertragung, insbesondere einer Steuerung bzw. Regelung eines Schaltens der z. B. in 2 dargestellten Leistungsschalter S1, ..., S6 erläutert. Hierbei sei von einer Leistungsbilanz 0 = PEM + PNV + PHV + PZK + PVerl Formel 1 ausgegangen. Hierbei bezeichnet PEM z. B. eine von der in 2 dargestellten Elektromaschine 6 im motorischen Betrieb umgesetzte Leistung. Im motorischen Betrieb gibt die Elektromaschine 6 die mechanische Leistung PMech = M × Ω ab, wobei M ein Wellendrehmoment und Ω eine Winkelgeschwindigkeit eines Rotors der Elektromaschine 6 bezeichnet. Wird vereinfacht angenommen, dass die Elektromaschine 6 verlustlos ist, so ist die dem Bordnetz entnommene elektrische Leistung PEM = PMech. Weiter bezeichnet die Leistung PNV eine aus dem Niedrigspannungsbereich 2 heraus übertragene elektrische Leistung oder eine in den Niedrigspannungsbereich 2, d. h. zur Bordnetzbatterie 4 und zu den elektrischen Verbrauchern 5, übertragene Leistung. Die Leistung PNV kann gemäß PNV = Ubatt × iL Formel 2 berechnet werden. Die Leistung PHV bezeichnet die von einem Hochspannungsbereich 3 aufgenommene oder abgegebene Leistung und berechnet sich gemäß PHV = UZK × iHV Formel 3. 4 shows a schematic block diagram of a method for energy transfer. In the following, essential aspects of the method for energy transmission, in particular a control or regulation of a switching of z. In 2 shown circuit breaker S1, ..., S6 explained. Hereby be of a current account 0 = P P + EM NV P + HV + P DC + P ET formula 1 went out. Here, P EM z. B. one of the in 2 illustrated electric machine 6 power converted in motor operation. In motor operation, the electric machine gives 6 the mechanical power P Mech = M × Ω, where M is a shaft torque and Ω is an angular velocity of a rotor of the electric machine 6 designated. Is simplified assuming that the electric machine 6 lossless, so is the electrical system taken from the electrical system P EM = P Mech . Further, the power P NV denotes one of the low voltage range 2 electrical power transmitted or one in the low voltage range 2 , ie to the electrical system battery 4 and to the electrical consumers 5 , transmitted power. The power P NV can according to P NV = U batt × i L Formula 2 be calculated. The power P HV designates that of a high voltage range 3 absorbed or delivered power and is calculated according to P HV = U ZK × i HV Formula 3.

Der Zwischenkreiskondensator CZK nimmt im motorischen Betrieb die Leistung PZK = UZK × iZK Formel 4 auf. The DC link capacitor C ZK takes power in motor operation P ZK = U ZK × i ZK Formula 4 on.

PVerl bezeichnet hierbei pauschal alle Verluste, z. B. ohmsche Verluste und Ummagnetisierungs-Verluste in der Elektromaschine 6 sowie Schaltverluste in den Leistungsschaltern S1, ..., S6.P Verl refers here flat rate all losses, z. B. ohmic losses and re-magnetization losses in the electric machine 6 and switching losses in the circuit breakers S1, ..., S6.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Leistungen PNV und die Leistung PEM mittels eines Schaltens der Leistungsschalter S1, ..., S6 eingestellt werden.In the method according to the invention, the powers P NV and the power P EM can be set by means of a switching of the power switches S1,..., S6.

Folgend sei ein motorischer Betrieb der Elektromaschine 6 angenommen. In einer obersten Ebene der Regelhierarchie wird hierbei eine von dem Niedrigspannungsbereich, insbesondere der Bordnetzbatterie 4, zu entnehmende Leistung PNV sowie eine elektrische Leistung PEM der Elektromaschine 6 vorgegeben.Following is a motor operation of the electric machine 6 accepted. In a top level of the control hierarchy, one of the low-voltage areas, in particular the vehicle electrical system battery, is used 4 , to be taken power P NV and an electric power P EM of the electric machine 6 specified.

Hierbei kann die aus dem Niedrigspannungsbereich 2 heraus übertragene Leistung PNV mittels einer Veränderung einer Stromstärke des durch die Induktivität L des Elements zur Spannungswandlung fließenden Stromes iL gesteuert werden. Unter Annahme einer Verlustfreiheit gilt UL = L × diL/dt Formel 5. Here, the from the low voltage range 2 out power P NV are controlled by means of a change in a current intensity of the current i L flowing through the inductance L of the voltage conversion element. Assuming a loss of freedom applies U L = L × di L / dt Formula 5.

Hierbei bezeichnet UL eine über der Induktivität L abfallende Spannung. Ist also eine erste Phasenspannung UP1 einer ersten Halbbrücke des in 2 dargestellten Umrichters 7 größer als die Batteriespannung Ubatt, so steigt die Stromstärke von iL. Die Stromstärke von iL sinkt, wenn die erste Phasenspannung UP1 kleiner als die Batteriespannung Ubatt ist. Hierbei wird angenommen, dass die Batteriespannung Ubatt konstant ist und 12 V beträgt. Die Stromstärke und eine Stromrichtung des Stroms iL kann daher durch eine Einstellung der ersten Phasenspannung UP1 verändert werden. Hierbei kann die Stromstärke und die Stromrichtung des Stromes iL vorzugsweise mittels eines Sensors erfasst werden, wobei die erste Phasenspannung UP1 anhand einer Differenz zwischen einem Sollstromes und einem aktuell erfassten Ist-Strom iL,soll – iL geregelt wird.Here, U L denotes a voltage drop across the inductance L. So is a first phase voltage U P1 of a first half-bridge of in 2 shown inverter 7 greater than the battery voltage U batt , the current strength of i L increases . The current intensity of i L decreases when the first phase voltage U P1 is less than the battery voltage U batt . Here, it is assumed that the battery voltage U batt is constant and is 12V. The current intensity and a current direction of the current i L can therefore be changed by setting the first phase voltage U P1 . In this case, the current intensity and the current direction of the current i L can preferably be detected by means of a sensor, wherein the first phase voltage U P1 is regulated based on a difference between a desired current and a currently detected actual current i L, soll -I L.

In 4 ist dargestellt, dass eine Einheit 10 zur Bestimmung einer mittleren ersten Phasenspannung UP1M eine mittlere erste Phasenspannung UP1M in Abhängigkeit eines Sollstromes iL,soll und eines erfassten Stromes iL durch die Induktivität L berechnet. Hierbei ist dargestellt, dass der Sollstrom iL,soll von einer Strategieeinheit 11 bestimmt wird. Die Funktion der Strategieeinheit 11 wird später näher erläutert.In 4 is shown as one unit 10 For determining a mean first phase voltage U P1M, a mean first phase voltage U P1M in dependence on a desired current i L, soll and a detected current i L is calculated by the inductance L. Here it is shown that the setpoint current i L, should be from a strategy unit 11 is determined. The function of the strategy unit 11 will be explained later.

Eine wesentliche Einschränkung der in 2 dargestellten Vorrichtung 1 zur Energieübertragung ist, dass ein zeitlicher Mittelwert der ersten Phasenspannung UP1 gleich einem Mittelwert der Batteriespannung Ubatt sein muss, da sonst die Bordnetzbatterie dauerhaft geladen oder entladen würde. Zusätzlich ergibt sich aus Betriebsbedingungen von üblichen rotierenden Elektromaschinen 6, dass Mittelwerte der Phasenspannungen UP1, UP2, UP3 gleich sein müssen. Unter diesen Annahmen gilt also, dass die Einheit 10 zur Bestimmung der ersten mittleren Phasenspannung UP1M die erste Phasenspannung UP1 und auch die weiteren Phasenspannungen UP2, UP3 zumindest im zeitlichen Mittel gleich der Batteriespannung Ubatt bestimmen muss, unabhängig von der Zwischenkreisspannung UZK. Vorzugsweise wird die Zwischenkreisspannung UZK auf das Zweifache der Batteriespannung Ubatt geregelt. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht also UZK vorzugsweise 24 V. Dann kann ein Mittelwert der Phasenspannung UP1, UP2, UP3 auf die Hälfte der Zwischenkreisspannung UZK eingestellt werden.A major limitation of in 2 illustrated device 1 for energy transmission is that a time average of the first phase voltage U P1 must be equal to an average value of the battery voltage U batt , otherwise the onboard power supply battery would be charged or discharged permanently. In addition, it results from operating conditions of conventional rotating electrical machines 6 in that average values of the phase voltages U P1 , U P2 , U P3 must be the same. Under these assumptions, then, the unit 10 to determine the first average phase voltage U P1M, the first phase voltage U P1 and also the other phase voltages U P2 , U P3 must be equal to the battery voltage U batt at least as a function of time, independently of the intermediate circuit voltage U ZK . Preferably, the intermediate circuit voltage U ZK to twice the battery voltage U batt is controlled. In this embodiment, therefore, U ZK preferably corresponds to 24 V. Then, an average value of the phase voltage U P1 , U P2 , U P3 can be set to half the intermediate circuit voltage U ZK .

Die Einstellung einer Phasenspannung UP1, UP2, UP3 kann – wie bekannt – durch eine Pulsweitenmodulation erfolgen. Z. B. kann die erste Phasenspannung UP1 eingestellt werden, indem die Leistungsschalter S1, S2 der ersten Halbbrücke abwechselnd geschlossen oder geöffnet werden. Ein Öffnen oder Schließen kann mit konstanter Frequenz erfolgen. Ist z. B. innerhalb einer Periode eine Einschaltzeit TS1 des ersten Leistungsschalters S1 der ersten Halbbrücke gleich der Einschaltzeit TS2 des zweiten Leistungsschalters S2 der ersten Halbbrücke, so ist die erste Phasenspannung UP1 im Mittel die halbe Zwischenkreisspannung UZK/2. Ist der erste Leistungsschalter S1 permanent geschlossen, so ist die erste Phasenspannung UP1 gleich der Zwischenkreisspannung UZK. Ist der zweite Leistungsschalter S2 permanent geschlossen, so ist die erste Phasenspannung UP1 gleich Null. Durch ein Verhältnis der Einschaltzeiten TS1, TS2 zur Periodendauer (Summe der Einschaltzeiten TS1 + TS2), kann der Mittelwert der ersten Phasenspannung UP1 also beliebig zwischen Null und der Zwischenkreisspannung UZK eingestellt werden: UP1/UZK = TS1/(TS1 + TS2) Formel 6. The setting of a phase voltage U P1 , U P2 , U P3 can - as known - done by a pulse width modulation. For example, the first phase voltage U P1 can be set by alternately closing or opening the power switches S1, S2 of the first half-bridge. Opening or closing can be done at a constant frequency. Is z. B. within a period of a turn-on time T S1 of the first circuit breaker S1 of the first half-bridge equal to the turn-on time T S2 of the second power switch S2 of the first half-bridge, the first phase voltage U P1 is on average half the DC link voltage U ZK / 2 . If the first power switch S1 is permanently closed, then the first phase voltage U P1 is equal to the intermediate circuit voltage U ZK . If the second power switch S2 is permanently closed, then the first phase voltage U P1 is equal to zero. By a ratio of the turn-on times T S1 , T S2 to the period (sum of the turn-on times T S1 + T S2 ), the mean value of the first phase voltage U P1 can therefore be set as desired between zero and the intermediate circuit voltage U ZK : U P1 / U ZK = T S1 / (T S1 + T S2 ) Formula 6.

Weiter kann, wie vorhergehend erwähnt, auch die von der Elektromaschine 6 zu erzeugende elektrische Leistung PEM eingestellt werden. Hierbei können bekannte Verfahren zur Regelung von elektrischen Maschinen im Wesentlichen auch für die in 2 dargestellte Vorrichtung angewandt werden. Hierbei kann in der Regel davon ausgegangen werden, dass ein Sollmoment Msoll von einer obersten Ebene einer Reglerhierarchie vorgegeben ist, wobei aus dem Sollmoment Msoll mit Hilfe bekannter Verfahren und unter Verwendung weiterer Eingangsgrößen von einer Einheit 12 zur Bestimmung von Motorspannungen US1, US2, US3 bestimmt werden. In 2 ist eine Elektromaschine 6 dargestellt, die gemäß einer so genannten Sternschaltung verschaltet ist. Hierbei entspricht eine erste Motorspannung US1 einer zwischen einer ersten Klemme K1 und einem Sternpunkt S der Elektromaschine 6 anliegende Strangspannung. Analog bezeichnet eine zweite Motorspannung US2 eine zwischen einer zweiten Klemme K2 der Elektromaschine 6 und dem Sternpunkt S abfallende Strangspannung. Analog bezeichnet eine dritte Motorspannung US3 eine zwischen einer dritten Klemme K3 und einem Sternpunkt S der Elektromaschine 6 abfallende Strangspannung. Hierbei ist zu beachten, dass die in 2 dargestellten Motorspannungen US1, US2, US3 nicht für jede Verschaltung einer Elektromaschine 6 direkt dargestellt werden können. Ist die Elektromaschine 6 beispielsweise in einer Dreieckschaltung verschaltet, so sind die hier erwähnten Motorspannungen US1, US2, US3 nicht direkt messbar, sondern nur indirekt berechenbar. Verfahren zur Berechnung der Motorspannungen US1, US2, US3 für beliebige Verschaltungen von Elektromaschinen werden später näher erläutert. Mittels der Motorspannungen US1, US2, US3 lassen sich Differenz-Klemmen-Spannungen UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 bestimmen. Eine erste Differenz-Klemmen-Spannung UK1-K2 beschreibt hierbei eine Spannungsdifferenz zwischen einer an der ersten Klemme K1 anliegenden Spannung und einer an der zweiten Klemme K2 anliegenden Spannung. Analog sind eine zweite Differenz-Klemmen-Spannung UK1-K3 und eine dritte Differenz-Klemmen-Spannung UK2-K3 definiert. Die Differenz-Klemmen-Spannungen UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 entsprechen einer Differenz der Phasenspannungen UP1 – UP2, UP1 – UP3, UP2 – UP3. Hierdurch wird ersichtlich, dass gewünschte Motorspannungen US1, US2, US3 mittels einer Einstellung der Phasenspannungen UP1, UP2, UP3 eingestellt werden können.Next, as previously mentioned, that of the electric machine 6 be set to be generated electric power P EM . In this case, known methods for controlling electrical machines essentially also for in 2 shown device can be applied. In this case, it can generally be assumed that a setpoint torque M soll is predetermined by a top level of a controller hierarchy, whereby the setpoint torque M soll can be determined by means of known methods and using further ones Inputs of one unit 12 be determined for the determination of motor voltages U S1 , U S2 , U S3 . In 2 is an electric machine 6 represented, which is connected according to a so-called star connection. Here, a first motor voltage U S1 corresponds to one between a first terminal K1 and a neutral point S of the electric machine 6 adjacent strand tension. Similarly, a second motor voltage U S2 denotes a between a second terminal K2 of the electric machine 6 and the neutral point S falling strand voltage. Similarly, a third motor voltage U S3 denotes a between a third terminal K3 and a neutral point S of the electric machine 6 sloping strand tension. It should be noted that the in 2 shown motor voltages U S1 , U S2 , U S3 not for each interconnection of an electric machine 6 can be displayed directly. Is the electric machine 6 For example, interconnected in a delta connection, the motor voltages U S1 , U S2 , U S3 mentioned here are not directly measurable, but only indirectly calculable. Method for calculating the motor voltages U S1 , U S2 , U S3 for any interconnections of electric machines will be explained later. By means of the motor voltages U S1 , U S2 , U S3 , differential terminal voltages U K1-K2 , U K1-K3 , U K2-K3 can be determined. A first differential terminal voltage U K1-K2 in this case describes a voltage difference between a voltage applied to the first terminal K1 voltage and applied to the second terminal K2 voltage. Analogously, a second differential terminal voltage U K1-K3 and a third differential terminal voltage U K2-K3 are defined. The differential terminal voltages U K1-K2 , U K1-K3 , U K2-K3 correspond to a difference of the phase voltages U P1 - U P2 , U P1 - U P3 , U P2 - U P3 . As a result, it can be seen that desired motor voltages U S1 , U S2 , U S3 can be set by means of an adjustment of the phase voltages U P1 , U P2 , U P3 .

In der Regel werden zur Bestimmung der Motorspannungen US1, US2, US3 aus dem Sollmoment Msoll unter Verwendung einer mittels eines Motorlagesensors erfassten Rotorlage der Elektromaschine 6 Soll-Phasenströme iP1,soll, iP2,soll, iP3,soll berechnet. Hieraus werden, gegebenenfalls unter Verwendung von mittels Sensoren erfassten Phasenströmen iP1, iP2, iP3 die Motorspannungen US1, US2, US3 berechnet.As a rule, to determine the motor voltages U S1 , U S2 , U S3 from the setpoint torque M soll using a rotor position of the electric machine detected by means of a motor position sensor 6 Target phase currents i P1, soll , i P2, soll , i P3, shall be calculated. From this, the motor voltages U S1 , U S2 , U S3 are calculated, if appropriate using phase currents i P1 , i P2 , i P3 detected by means of sensors.

Oftmals, jedoch nicht zwingend, sind die Motorspannungen US1, US2, US3 kosinusförmig, z. B. US1 = UA × cos(α); US2 = UA × cos(α + 120°); US3 = UA × cos(α + 240°) Formel 7. Often, but not necessarily, the motor voltages U S1 , U S2 , U S3 are cosinusoidal, z. B. U S1 = U A × cos (α); U S2 = U A × cos (α + 120 °); U S3 = U A × cos (α + 240 °) Formula 7.

Hierbei bezeichnet UA eine maximale Spannungsamplitude der Motorspannung US1, US2, US3 und α eine Rotorlage des nicht dargestellten Rotors der Elektromaschine 6. Im Allgemeinen steigt eine Frequenz dieser kosinusförmigen Spannungen und eine Amplitude dieser kosinusförmigen Spannungen mit einer steigenden Drehzahl Ω der Elektromaschine 6. Wichtig für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass ein zeitlicher Mittelwert der Motorspannung US1, US2, US3 bei einer drehenden Elektromaschine 6 ungefähr Null ist.Here, U A denotes a maximum voltage amplitude of the motor voltage U S1 , U S2 , U S3 and α is a rotor position of the rotor, not shown, of the electric machine 6 , In general, a frequency of these cosinusoidal voltages and an amplitude of these cosinusoidal voltages increase with increasing speed Ω of the electric machine 6 , Important for the inventive method is that a time average of the motor voltage U S1 , U S2 , U S3 in a rotating electric machine 6 is about zero.

Eine Einheit 13 zur Bestimmung von Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll bestimmt in Abhängigkeit der ersten mittleren Phasenspannung UP1M und der drei Motorspannungen US1, US2, US3 Sollwerte der Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll. Die Bestimmung der Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll erfolgt in zwei verschiedenen Betriebsmodi.One unity 13 for determining desired phase voltages U P1, soll , U P2, soll , U P3, shall be determined as a function of the first average phase voltage U P1M and the three motor voltages U S1 , U S2 , U S3 setpoint values of the phase voltages U P1 , U, U P2, shall , U P3, should . The determination of the desired phase voltages U P1, S , U P2, S , U P3, shall occur in two different operating modes.

Ein erster Betriebsmodus wird für einen Stillstand (Drehzahl der Elektromaschine 6 gleich Null) und niedrige Drehzahlen der Elektromaschine 6 verwendet. Hierbei wird die erste Soll-Phasenspannung UP1,soll gleich der von der Einheit 10 zur Bestimmung der ersten mittleren Phasenspannung UP1M bestimmten ersten mittleren Phasenspannung UP1M gesetzt. Die verbleibenden Soll-Phasenspannungen werden derart bestimmt, dass an den Klemmen K1, K2, K3 der Elektromaschine 6 Differenz-Klemmen-Spannungen UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 anliegen, die durch die Motorspannung US1, US2, US3 vorgegeben sind. Die Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll bestimmen sich hierbei gemäß UP1,soll = UP1M; UP2,soll = UP1M + (US2 – US1); UP3,soll = UP1M + (US3 – US1) Formel 8. A first operating mode is for a standstill (speed of the electric machine 6 equal to zero) and low speeds of the electric machine 6 used. Here, the first target phase voltage U P1, equal to that of the unit 10 for determining the first average phase voltage U P1M certain first average phase voltage U P1M set. The remaining desired phase voltages are determined such that at the terminals K1, K2, K3 of the electric machine 6 Differential terminal voltages U K1-K2 , U K1-K3 , U K2-K3 are present, which are specified by the motor voltage U S1 , U S2 , U S3 . The desired phase voltages U P1, S , U P2, S , U P3, should be determined in accordance with U P1, soll = U P1M ; U P2, soll = U P1M + (U S2 - U S1 ); U P3, soll = U P1M + (U S3 - U S1 ) Formula 8.

Der erste Betriebsmodus ist dadurch ausgezeichnet, dass auch bei stehender und ein hohes Drehmoment abgebender Elektromaschine 6 die erste Phasenspannung UP1 und die Motorspannungen US1, US2, US3 unabhängig voneinander eingestellt werden können. Somit ist es möglich, eine gewünschte Leistung PNV aus dem Niedrigspannungsbereich 2 heraus zu übertragen. Gleichzeitig ist es möglich, die Elektromaschine 6 in einer gewünschten Betriebsweise, d. h. mit einem gewünschten Drehmoment und einer gewünschten Drehzahl, zu betreiben.The first mode of operation is characterized in that even with stationary and a high torque emitting electric machine 6 the first phase voltage U P1 and the motor voltages U S1 , U S2 , U S3 can be set independently of each other. Thus, it is possible to obtain a desired power P NV from the low voltage range 2 to transfer out. At the same time it is possible to use the electric machine 6 in a desired operation, ie with a desired torque and a desired speed to operate.

Nachteilig ist hierbei, dass eine Klemmen-Differenz-Spannung UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 an den Klemmen K1, K2, K3 der Elektromaschine 6 maximal den Betrag der mittleren Phasenspannung UP1M betragen darf. Dies kann wie nachfolgend gezeigt hergeleitet werden. Gemäß einer Maschengleichung gilt: UP2 = UP1 + US2 – US1 Formel 9. The disadvantage here is that a terminal differential voltage U K1-K2 , U K1-K3 , U K2-K3 at the terminals K1, K2, K3 of the electric machine 6 may be at most the amount of the mean phase voltage U P1M . This can be deduced as shown below. According to a mesh equation: U P2 = U P1 + U S2 - U S1 Formula 9.

Die Phasenspannungen UP1, UP2, UP3, insbesondere auch die zweite Phasenspannung UP2, sind, wie vorhergehend erläutert, mittels der Leistungsschalter S3, S4 beliebig zwischen 0 und 24 V einstellbar. Im ersten Betriebsmodus ist die erste Phasenspannung UP1 konstant und, wie vorhergehend erläutert, im Mittel gleich der Batteriespannung Ubatt = 12 V. Somit kann eine Differenz zwischen der zweiten und der ersten Motorspannung US2 – US1 (Differenz-Klemmen Spannung UK1-K2) nur zwischen –12 V bis 12 V liegen. Hierdurch ergibt sich also nachteilig, dass im ersten Betriebsmodus die Elektromaschine 6 ausschließlich mit Differenz-Klemmen-Spannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll mit einer maximalen Amplitude von –12 V bzw. 12 V betrieben werden kann, auch wenn die Elektromaschine 6 für höhere Amplituden der Differenz-Klemmen-Spannungen UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 ausgelegt ist.The phase voltages U P1 , U P2 , U P3 , in particular also the second phase voltage U P2 are, as previously explained, by means of the power switch S3, S4 arbitrarily between 0 and 24 V. adjustable. In the first operating mode, the first phase voltage U P1 is constant and, as previously explained, on average equal to the battery voltage U batt = 12 V. Thus, a difference between the second and the first motor voltage U S2 - U S1 (differential terminals voltage U K1 -K2 ) are only between -12 V to 12 V. This results in a disadvantage that in the first operating mode, the electric machine 6 only with differential terminal voltages U P1, soll , U P2, soll , U P3, shall be operated with a maximum amplitude of -12 V or 12 V, even if the electric machine 6 is designed for higher amplitudes of the differential terminal voltages U K1-K2 , U K1-K3 , U K2-K3 .

Der zweite Betriebsmodus ist für höhere Drehzahlen vorgesehen. Hierbei bestimmen sich die Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll gemäß UP1,soll = UP1M + US1; UP2,soll = UP1M + US2, UP3,soll = UP1M + US3 Formel 10. The second operating mode is intended for higher speeds. In this case, the setpoint phase voltages U P1, soll , U P2, soll , U P3, should be determined according to U P1, soll = U P1M + U S1 ; U P2, soll = U P1M + U S2 , U P3, soll = U P1M + U S3 Formula 10.

Hierbei werden also die Motorspannungen US1 bis US3 auf die von der Einheit 10 bestimmte mittlere Phasenspannung UP1M addiert, um die Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll zu erhalten. Hierbei ist zu beachten, dass im zweiten Betriebsmodus die Forderung, die erste Phasenspannung UP1 auf eine konstante mittlere Phasenspannung UP1M zu regeln, nicht exakt umgesetzt wird. Der ersten mittleren Phasenspannung UP1M wird hierbei die von der Einheit 12 bestimmte erste Motorspannung US1 überlagert. Vorzugsweise ist die erste Motorspannung US1 (und auch die weiteren Motorspannungen US2, US3) eine Wechselspannung mit dem Mittelwert Null oder nahe Null. Abhängig von einer Größe der Induktivität L des Elements zur Spannungswandlung wird damit dem Strom iL ein Wechselstrom mit der drehzahlabhängigen Frequenz der ersten Motorspannung US1 überlagert werden. Hierbei kann jedoch angenommen werden, dass ein Mittelwert des Stromes iL sich im Wesentlichen durch die Überlagerung eines Wechselstromes nicht ändert. Eine Differenz-Klemmen-Spannung UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 an den Klemmen K1, K2, K3 der Elektromaschine 6 kann im zweiten Betriebsmodus eine Amplitude aufweisen, die theoretisch dem Doppelten der von der Einheit 10 bestimmten mittleren ersten Phasenspannung UP1M entspricht. Beträgt z. B. die Batteriespannung Ubatt = 12 V und die Zwischenkreisspannung UZK = 24 V, so kann die Elektromaschine auch mit Differenz-Klemmen-Spannungen UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 mit Amplituden von –24 V bis 24 V betrieben werden. Dies sei nachfolgend näher erläutert. Ausgehend von der in der Maschengleichung aus Formel 9 ist die erste und die zweite Phasenspannung UP1, UP2 im Bereich zwischen 0 V bis 24 V einstellbar, da die erste Phasenspannung UP1 keine konstante Phasenspannung mehr ist. Hieraus folgt, dass die ersten Differenz-Klemmen-Spannung UK1-K2, die der Differenz zwischen der zweiten und der ersten Motorspannung US2 – US1 entspricht, theoretisch Spannungsamplituden zwischen –24 V und 24 V annehmen kann.In this case, therefore, the motor voltages U S1 to U S3 to that of the unit 10 certain mean phase voltage U P1M is added to the desired phase voltages U P1, soll , U P2, soll , U P3, soll to get. It should be noted that in the second operating mode, the requirement to regulate the first phase voltage U P1 to a constant mean phase voltage U P1M is not exactly implemented. In this case, the first mean phase voltage U P1M becomes that of the unit 12 certain first motor voltage U S1 superimposed. Preferably, the first motor voltage U S1 (and also the other motor voltages U S2 , U S3 ) is an AC voltage with the mean zero or near zero. Depending on a size of the inductance L of the element for voltage conversion is thus the current i L an alternating current with the speed-dependent frequency of the first motor voltage U S1 are superimposed. In this case, however, it can be assumed that an average value of the current i L does not change substantially as a result of the superimposition of an alternating current. A differential terminal voltage U K1-K2 , U K1-K3 , U K2-K3 at the terminals K1, K2, K3 of the electric machine 6 may in the second mode of operation have an amplitude theoretically twice that of the unit 10 determined mean first phase voltage U P1M . Is z. B. the battery voltage U batt = 12 V and the intermediate circuit voltage U ZK = 24 V, the electric machine can also with differential terminal voltages U K1-K2 , U K1-K3 , U K2-K3 with amplitudes of -24 V to 24 V are operated. This will be explained in more detail below. Starting from the in the mesh equation of formula 9, the first and the second phase voltage U P1 , U P2 in the range between 0 V to 24 V adjustable because the first phase voltage U P1 is no longer a constant phase voltage. It follows that the first differential terminal voltage U K1-K2 , which corresponds to the difference between the second and the first motor voltage U S2 - U S1 , theoretically can assume voltage amplitudes between -24 V and 24 V.

Eine Umschaltung zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus sollte im Idealfall folgende Anforderungen erfüllen:

  • 1. Im ersten Betriebsmodus sollten die Differenz-Klemmen-Spannungen UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 an den Klemmen K1, K2, K3 die erste mittlere Phasenspannung UP1M nicht überschreiten.
  • 2. Im zweiten Betriebsmodus sollte ein Wechselstromanteil des Stromes iL durch die Induktivität L des Elements zur Spannungswandlung ausreichend klein bleiben.
Switching between the first and second modes of operation should ideally meet the following requirements:
  • 1. In the first operating mode, the differential terminal voltages U K1-K2 , U K1-K3 , U K2-K3 at the terminals K1, K2, K3 should not exceed the first average phase voltage U P1M .
  • 2. In the second mode of operation, an AC component of the current i L should remain sufficiently small through the inductance L of the voltage conversion element.

Aus Gründen der einfacheren Realisierbarkeit werden diese Kriterien nicht direkt, sondern ein von der Drehzahl Ω der Elektromaschine 6 abhängiges Kriterium zum Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus verwendet. Hierbei kann ein Umschalten in Abhängigkeit der Drehzahl Ω ein hartes Umschalten, ein hysteresebasiertes oder ein überblendbasiertes Umschalten sein. Nachfolgend sei nun ein überblendbasiertes Umschalten erläutert. Für ein überblendbasiertes Umschalten sei eine obere Drehzahlgrenze und eine untere Drehzahlgrenze vorbestimmt. Oberhalb der oberen Drehzahlgrenze werden die Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll gemäß dem zweiten Betriebsmodus und unterhalb der unteren Drehzahlgrenze gemäß dem ersten Betriebsmodus bestimmt. Zwischen der unteren und der oberen Drehzahlgrenze wird zwischen den gemäß beiden Betriebsmodi bestimmten Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll linear interpoliert. Hierzu wird ein Überblendfaktor ufak verwendet. Ist die Drehzahl Ω kleiner als die untere Drehzahlgrenze, so ist der Überblendfaktor ufak = 0. Ist die Drehzahl Ω größer als die obere Drehzahlgrenze, so ist der Überblendfaktor ufak = 1. Liegt die Drehzahl Ω zwischen der unteren und der oberen Drehzahlgrenze, so bestimmt sich der Überblendfaktor ufak gemäß (Ω – untere Drehzahlgrenze)/(obere Drehzahlgrenze – untere Drehzahlgrenze) Formel 12. For reasons of simpler feasibility, these criteria are not directly, but one of the speed Ω of the electric machine 6 dependent criterion used for switching between the first and the second operating mode. In this case, a changeover depending on the rotational speed Ω can be a hard switching, a hysteresis-based or a cross-fade-based switching. Hereinafter, a fade-based switching will be explained. For a blend-based switching, an upper speed limit and a lower speed limit are predetermined. Above the upper speed limit, the desired phase voltages U P1, should , U P2, should , U P3, should be determined according to the second operating mode and below the lower speed limit according to the first operating mode. Between the lower and the upper speed limit, between the desired phase voltages U P1, soll , U P2, soll , U P3, should be linearly interpolated between the operating modes determined in accordance with both operating modes. For this a fading factor u fak is used. If the speed Ω is smaller than the lower speed limit, then the fade factor u fak = 0. If the speed Ω is greater than the upper speed limit, then the fade factor u fak = 1. If the speed Ω is between the lower and the upper speed limit, thus, the fade factor u fak is determined according to (Ω - lower speed limit) / (upper speed limit - lower speed limit) Formula 12.

Die Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll bestimmen sich dann gemäß UP1,soll = UP1M + ufak × US1, UP2,soll = UP1M + US2 – (1 – ufak) × US1, UP3,soll = UP1M + US3 – (1 – ufak) × US1 Formel 13. The desired phase voltages U P1, soll , U P2, should , U P3, should then be defined according to U P1, soll = U P1M + u fak × U S1 , U P2, soll = U P1M + U S2 - (1 - u fak ) × U S1 , U P3, soll = U P1M + U S3 - (1 - u fak ) × U S1 Formula 13.

In Einheiten 14 zur Bestimmung von Schaltzeitpunkten werden die Schaltzeitpunkte der Leistungsschalter S1, ..., S6 in Abhängigkeit der von der Einheit 13 bestimmten Soll-Phasenspannung UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll und in Abhängigkeit einer aktuellen Zwischenkreisspannung UZK bestimmt und die Leistungsschalter S1, ..., S6 entsprechend gesteuert.In units 14 to determine switching times, the switching times of the power switches S1, ..., S6 depending on the unit 13 determined target phase voltage U P1, soll , U P2, should , U P3, should and determined in dependence on a current intermediate circuit voltage U ZK and the circuit breakers S1, ..., S6 controlled accordingly.

Die in den Hochspannungsbereich 3 übertragene Leistung PHV und die Verlustleistung PVerl können hierbei aus regelungstechnischer Sicht als Störgrößen betrachtet werden. Diese können z. B. mittels einer Vorsteuerung zumindest teilweise kompensiert werden, wodurch eine Regelgüte der Regelung der aus dem Niedrigspannungsbereich 2 hinaus zu übertragene Leistung PNV und der elektrischen Leistung PEM der Elektromaschine 6 verbessert wird.The in the high voltage range 3 transferred power P HV and the power loss P Verl can be considered as disturbance variables from a control point of view. These can be z. B. by means of a pilot control are at least partially compensated, creating a control quality of the regulation of the low voltage range 2 to be transmitted power P NV and the electric power P EM of the electric machine 6 is improved.

Auch die in den Zwischenkreiskondensator CZK übertragene Leistung PZK kann, analog zu den Störgrößen, nicht unabhängig von den weiteren in Formel 1 genannten Leistungen eingestellt werden. Allerdings hängt die Zwischenkreisspannung UZK über iZK = PZK/UZK Formel 14 und dUZK/dt = 1/CZK × iZK Formel 15 von der Leistung PZK ab. Überschreitet z. B. die Zwischenkreisspannung UZK eine zulässige obere Grenze der Zwischenkreisspannung UZK, so können der Zwischenkreiskondensator CZK und/oder Leistungsschalter S1, ..., S6 zerstört werden. Unterschreitet die Zwischenkreisspannung UZK z. B. einen Wert von 2 × Ubatt, so kann die Elektromaschine nur mit eingeschränkter Leistung betrieben werden und/oder es können Drehmomentschwankungen auftreten. Hieraus folgt, dass auch die Zwischenkreisspannung UZK vorzugsweise gesteuert oder geregelt werden sollte. Die Steuerung oder Regelung der Zwischenkreisspannung UZK kann hierbei indirekt durch eine geeignete Wahl der elektrischen Leistung PEM und der Leistung PNV eingestellt werden. Hierbei besteht allerdings das Problem, dass nur drei zu regelnde Größen (PEM, PNV, UZK) mit einer Steuereinheit, die letztendlich nur die Leistung PNV und die Leistung PEM einstellen kann, zu regeln sind. Dieses Problem ist durch die Strategieeinheit 11 gelöst. Diese kann, abhängig von einer jeweiligen Betriebssituation, einer Priorisierung der Regelgrößen vornehmen. Dies kann auch als Optimierungsproblem aufgefasst werden, bei dem sich eine Gütefunktion betriebssituationsabhängig ändert. Hierbei bestimmt die Strategieeinheit 11 einen gewünschten Sollstrom iL,soll durch die Induktivität L und ein Sollmoment Msoll abhängig von einer aktuellen Zwischenkreisspannung UZK, einer aktuellen Batteriespannung Ubatt und weiteren Eingangsgrößen, von denen exemplarisch eine Fahrpedal-Stellung FP und eine Bremspedalstellung BP dargestellt sind.Also, the information transmitted in the intermediate circuit capacitor C ZK power P ZK can, analogously to the disturbance variables can not be set independently of the other mentioned in formula 1 services. However, the intermediate circuit voltage U ZK depends on i ZK = P ZK / U ZK Formula 14 and dU ZK / dt = 1 / C ZK × i ZK Formula 15 from the power P ZK . Exceeds z. B. the intermediate circuit voltage U ZK an allowable upper limit of the intermediate circuit voltage U ZK , the DC link capacitor C ZK and / or power switches S1, ..., S6 can be destroyed. If the intermediate circuit voltage U ZK falls below z. B. a value of 2 × U batt , the electric machine can only be operated with limited power and / or there may be torque fluctuations. It follows that the intermediate circuit voltage U ZK should preferably be controlled or regulated. The control or regulation of the intermediate circuit voltage U ZK can be adjusted indirectly by a suitable choice of the electric power P EM and the power P NV . Here, however, there is the problem that only three variables to be controlled (P EM , P NV , U ZK ) with a control unit, which can ultimately set only the power P NV and the power P EM , are to be regulated. This problem is due to the strategy unit 11 solved. This can, depending on a particular operating situation, prioritize the controlled variables. This can also be understood as an optimization problem in which a quality function changes depending on the operating situation. This determines the strategy unit 11 a desired setpoint current i L, should be represented by the inductance L and a target torque M should depending on a current DC link voltage U ZK , a current battery voltage U batt and other input variables, of which an accelerator pedal position FP and a brake pedal position BP are exemplified.

Es ergibt sich also eine Regelungshierarchie mit insgesamt vier Ebenen. In einer obersten Ebene der Regelhierarchie bestimmt die Strategieeinheit 11 einen gewünschten Sollstrom iL,soll und ein gewünschtes Sollmoment Msoll der Elektromaschine 6. In einer zweiten Ebene bestimmt die Einheit 10 eine erste mittlere Phasenspannung UP1M und die Einheit 12 Motorspannungen US1, US2, US3. In einer dritten Ebene der Regelungshierarchie bestimmt die Einheit 13 Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll. In einer vierten und letzten Ebene der Regelungshierarchie bestimmen Einheiten 14 Schaltzeitpunkte der Leistungsschalter S1, ..., S6 der Halbbrücken des Umrichters 7.This results in a regulatory hierarchy with a total of four levels. The strategy unit determines in a top level of the rule hierarchy 11 a desired setpoint current i L, soll and a desired setpoint torque M soll of the electric machine 6 , In a second level, the unit determines 10 a first mean phase voltage U P1M and the unit 12 Motor voltages U S1 , U S2 , U S3 . In a third level of the regulatory hierarchy, the unit determines 13 Target phase voltages U P1, soll , U P2, soll , U P3, soll . In a fourth and final level of the regulatory hierarchy, units determine 14 Switching times of the circuit breakers S1, ..., S6 of the half-bridges of the inverter 7 ,

Im Folgenden werden beispielhaft einige Betriebssituationen betrachtet.The following is an example of some operating situations.

Aufbau einer Zwischenkreisspannung UZK bei einer stehenden, momentenfreien Elektromaschine 6:Structure of a DC link voltage U ZK in a stationary, torque-free electric machine 6 :

Hierbei dient das Element zur Spannungswandlung, insbesondere die Induktivität L und die Leistungsschalter S1, S2, als Aufwärtswandler, dessen Funktion vorhergehend in den Erläuterungen zu 2 dargestellt wurde. Die Leistungsschalter S3, ..., S6 können hierbei geöffnet bleiben. Alternativ können die ersten Leistungsschalter S3, S5 der zweiten und dritten Halbbrücke synchron zu dem ersten Leistungsschalter S1 der ersten Halbbrücke und die zweiten Leistungsschalter S4, S6 der zweiten und dritten Halbbrücke synchron zu dem zweiten Leistungsschalter S2 der ersten Halbbrücke angesteuert werden. Hierdurch ändert sich ein Zustand der stehenden und unbestromten Elektromaschine 6 nicht, da die Differenz-Klemmen-Spannungen UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 Null sind. Die Strategieeinheit 10 bestimmt ein Sollmoment Msoll = 0 und eine Soll-Zwischenkreisspannung UZK,soll von z. B. 2 × Ubatt. Ein Sollstrom iL,soll, insbesondere eine Stromstärke des Sollstroms iL,soll, kann dann z. B. auf einfache Weise mittels eines P-Reglers vorgegeben werden. Beispielsweise kann iL,soll gemäß IL,soll = Pconst × (UZK,soll – UZK) Formel 16 mit einem Verstärkungsfakt Pconst kleiner Null bei der in 2 dargestellten Richtung des Stromes iL in 2 sein.Here, the element for voltage conversion, in particular the inductance L and the power switches S1, S2, serves as an up-converter whose function has previously been described in the explanations 2 was presented. The circuit breakers S3, ..., S6 can remain open in this case. Alternatively, the first power switches S3, S5 of the second and third half-bridges can be activated in synchronism with the first power switch S1 of the first half-bridge and the second power switches S4, S6 of the second and third half-bridges in synchronism with the second power switch S2 of the first half-bridge. This changes a state of the stationary and de-energized electric machine 6 not because the differential terminal voltages U K1-K2 , U K1-K3 , U K2-K3 are zero. The strategy unit 10 determines a target torque M soll = 0 and a target intermediate circuit voltage U ZK, should be of z. B. 2 × U batt . A target current i L, should , in particular a current of the desired current i L, should , then z. B. be set in a simple manner by means of a P-controller. For example, i L, should be according to I L, soll = P const × (U ZK, soll - U ZK ) Formula 16 with a gain P const less than zero at the in 2 illustrated direction of the current i L in 2 be.

Anlassen:tempering:

Hierbei ergeben sich zwei Steuerungsszenarien. Ist ein maximal einstellbares Drehmoment durch die Eigenschaften der Elektromaschine 6 begrenzt, so wird das Sollmoment Msoll auf dieses maximal mögliche Moment eingestellt. Die Strategieeinheit 10 bestimmt dann einen Sollstrom iL,soll, mit dem auch die Zwischenkreisspannung UZK auf eine vorgegebene Soll-Zwischenkreisspannung UZK,soll geregelt wird (siehe Formel 16). Ist ein maximal einstellbares Drehmoment nicht durch die Eigenschaften der Elektromaschine 6, sondern durch eine maximale, der Bordnetzbatterie 4 entnehmbare Leistung begrenzt, so bestimmt die Strategieeinheit 10 den Sollstrom iL,soll als den betragsmäßig maximal zulässigen, in Bezug auf die in 2 dargestellte Stromrichtung negativen, Wert iL,soll,max. Hierdurch wird der Elektromaschine 6 soviel Energie wie möglich zugeführt. Das Sollmoment Msoll kann dann so vorgegeben werden, dass die Zwischenkreisspannung UZK auf eine vorbestimmte Soll-Zwischenkreisspannung UZK,soll geregelt wird, im einfachsten Fall mittels eines P-Reglers gemäß Formel 16. Erreicht das Sollmoment Msoll hierbei einen maximal zulässigen Wert oder nähert sich die Zwischenkreisspannung UZK ihrem maximal zulässigen Wert, so kann die Strategieeinheit den Betrag des Sollstromes iL,soll betragsmäßig reduzieren. In beiden Szenarien kann zusätzlich die Batteriespannung Ubatt erfasst werden, wobei bei einem Unterschreiten einer unteren Grenze der Batteriespannung Ubatt der Strom iL,soll betragsmäßig reduziert werden sollte. Hierdurch lässt sich in vorteilhafter Weise ein optimaler Leistungspunkt der Bordnetzbatterie 4 einstellen.This results in two control scenarios. Is a maximum adjustable torque due to the characteristics of the electric machine 6 limited, so the target torque M is set to this maximum possible torque. The strategy unit 10 then determines a desired current i L, should , with which the intermediate circuit voltage U ZK to a predetermined desired intermediate circuit voltage U ZK, is to be regulated (see formula 16). Is a maximum adjustable torque not by the characteristics of the electric machine 6 but by a maximum, the electrical system battery 4 limited power, the strategy unit determines 10 the setpoint current i L, should be the maximum permissible in terms of amount, with respect to the in 2 shown current direction negative, value i L, soll, max . As a result, the electric machine 6 supplied as much energy as possible. The setpoint torque M soll can then be set so that the intermediate circuit voltage U ZK to a predetermined target DC voltage U ZK to, is controlled in the simplest case by means of a P controller in accordance with formula 16 reaches the target torque M is intended here to a maximum permissible value or if the intermediate circuit voltage U ZK approaches its maximum permissible value, then the strategy unit can reduce the magnitude of the setpoint current i L, soll . In both scenarios, in addition, the battery voltage U batt can be detected, wherein when falling below a lower limit of the battery voltage U batt the current i L, should be reduced in terms of amount. In this way, an optimum power point of the vehicle electrical system battery can be advantageously achieved 4 to adjust.

Rekuperieren:recuperation:

Analog zum Anlassen können auch im Rekuperationsmodus unterschiedliche Steuerungsszenarien verwendet werden. Ist das maximal mögliche negative Moment nicht durch Eigenschaften der Elektromaschine 6 beschränkt, so kann die Strategieeinheit 10 einen maximal zulässigen, in Bezug auf die in 2 dargestellte Stromrichtung des Stromes iL positiven, Sollstrom iL,soll ausgeben. Hierbei entzieht die Bordnetzbatterie 4 der als Generator betriebenen Elektromaschine 6 soviel elektrische Energie wie möglich. Das Sollmoment Msoll kann in diesem Fall derart vorgegeben werden, dass die Zwischenkreisspannung UZK auf eine vorgegebene Soll-Zwischenkreisspannung UZK,soll geregelt wird, was wiederum mittels eines einfachen P-Regel gemäß Formel 16 erfolgen kann. Erreicht das Sollmoment Msoll hierbei einen minimal zulässigen Wert oder nähert sich die Zwischenkreisspannung UZK einem minimal zulässigen Wert, so kann der Sollstrom iL,soll durch die Strategieeinheit betragsmäßig reduziert werden. Auch hierbei kann zusätzlich die Batteriespannung Ubatt erfasst werden und bei Überschreiten einer oberen Grenze der Batteriespannung Ubatt der Sollstrom iL,soll betragsmäßig reduziert werden. Ist das maximal einstellbare Drehmoment durch Eigenschaften der Elektromaschine bestimmt, so ist das Sollmoment Msoll auf dieses maximale Drehmoment einzustellen.Analogous to starting, different control scenarios can also be used in recuperation mode. Is the maximum possible negative moment not by properties of the electric machine 6 limited, so the strategy unit 10 a maximum allowable, in terms of in 2 illustrated current direction of the current i L positive, target current i L, should spend. In this case, the onboard power supply battery deprives 4 the generator operated electric machine 6 as much electrical energy as possible. The target torque M soll can be set in this case such that the intermediate circuit voltage U ZK to a predetermined desired intermediate circuit voltage U ZK, should be regulated, which in turn can be done by means of a simple P-rule according to formula 16. Reaches the setpoint torque M is intended here to a minimum permissible value or the intermediate circuit voltage approaches U ZK a minimum permissible value, then, the target current i L, to be reduced by the magnitude strategy unit. In this case too, the battery voltage U batt can additionally be detected and, when an upper limit of the battery voltage U batt is exceeded, the setpoint current i L, should be reduced in terms of amount. If the maximum torque that can be set is determined by properties of the electric machine, the setpoint torque M soll should be set to this maximum torque.

Selbstverständlich können auch weitere Betriebssituationen, z. B. eine Anfahrhilfe, ein Abwürgeschutz, eine so genannte Motor-Boost-Funktion, ein Entladen des Zwischenkreiskondensators CZK in die Bordnetzbatterie 4 am Fahrtende und eine normale Generatorfunktion ohne Begrenzung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden.Of course, other operating situations, eg. As a traction, a stall protection, a so-called motor-boost function, a discharge of the DC link capacitor C ZK in the electrical system battery 4 be realized at the end of travel and a normal generator function without limitation by means of the device according to the invention and the method according to the invention.

In den vorhergehenden Ausführungen wurde die Bordnetzbatterie 4 als einzige Energiequelle betrachtet, mittels derer die Elektromaschine 6 im motorischen Betrieb mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Der Zwischenkreiskondensator CZK kann hierbei als Glättungskondensator aufgefasst werden, der Maximal-Leistungen bestenfalls im Millisekundenbereich aufnehmen oder abgeben kann. Hierbei ist es nicht sinnvoll, die Elektromaschine auf wesentlich größere Leistungen auszulegen als die Bordnetzbatterie 4 kurzzeitig aufnehmen oder abgeben kann. Optional kann dem Zwischenkreiskondensator CZK auch ein so genannter Dünnschicht-Kondensator parallel geschaltet werden. Dieser kann dann im Sekundenbereich ähnliche oder sogar größere Leistungen als die Bordnetzbatterie 4 aufnehmen oder abgeben. Somit kann die Elektromaschine 6 auf höhere Leistungen als die kurzfristig von der Bordnetzbatterie 4 abgebbaren oder aufnehmbaren Leistungen ausgelegt werden. Hierbei kann es erforderlich sein, die Leistungsschalter S1, ..., S6 auf größere Ströme auszulegen.In the previous versions, the electrical system battery 4 considered as the sole source of energy by which the electric machine 6 can be supplied with electrical energy during engine operation. In this case, the intermediate circuit capacitor C ZK can be regarded as a smoothing capacitor, which can absorb or deliver maximum powers at best in the millisecond range. In this case, it makes no sense to design the electric machine to much greater power than the vehicle electrical system battery 4 can temporarily record or deliver. Optionally, a so-called thin-film capacitor can also be connected in parallel with the intermediate circuit capacitor C ZK . This can then in the range of seconds similar or even greater benefits than the electrical system battery 4 record or submit. Thus, the electric machine 6 on higher performance than the short-term of the electrical system battery 4 deliverable or receivable services. In this case, it may be necessary to design the power switches S1,..., S6 for larger currents.

Ein Energieinhalt eines Kondensators hängt quadratisch von einer über dem Kondensator abfallenden Spannung ab. E = 0,5 × C × U × U Formel 17. An energy content of a capacitor depends quadratically on a voltage drop across the capacitor. E = 0.5 × C × U × U Formula 17.

Entsprechend der vorhergehend erläuterten Betriebsituation eines Aufbaus einer Zwischenkreisspannung UZK bei stehender, momentenfreier Elektromaschine kann in einer solchen Anordnung der Dünnschicht-Kondensator auf einen möglichst hohen Energieinhalt aufgeladen werden. Hierdurch kann für mindestens einen motorischen Hochlastfall, wie z. B. ein Kaltstart eines Dieselmotors, kurzzeitig eine elektrische Leistung zur Verfügung gestellt werden, die die maximal von der Bordnetzbatterie 4 zur Verfügung stehende Leistung überschreitet. In einem solchen Fall würde die Strategieeinheit 10 eine Soll-Zwischenkreisspannung UZK,soll nahe eines maximal zulässigen Wertes vorgeben (z. B. 4 × Ubatt, in diesem Fall ca. 48 V). Zusätzlich könnte die Strategieeinheit 10 den Sollstrom iL,soll auf einen minimal zulässigen (negativen) Wert begrenzen.In accordance with the above-explained operating situation of a structure of a DC link voltage U ZK with stationary, torque-free electric machine can be charged in such an arrangement, the thin-film capacitor to the highest possible energy content. This allows for at least one motor high load case, such. As a cold start of a diesel engine, a short-term electrical power can be made available, the maximum of the electrical system battery 4 exceeds available power. In such a case, the strategy unit would 10 a nominal intermediate circuit voltage U ZK, should specify near a maximum permissible value (eg 4 × U batt , in this case approx. In addition, the strategy unit could 10 the setpoint current i L, should be limited to a minimum permissible (negative) value.

Während eines vorhergehend erläuterten Anlassvorgangs kann eine Vorrichtung, die zusätzlich einen Dünnschicht-Kondensator umfasst, derart gesteuert werden, dass die Strategieeinheit 10 ein maximal zulässiges Sollmoment Msoll und einen minimal zulässigen Sollstrom iL,soll anfordert. Die elektrische Leistung, die über die von der Bordnetzbatterie 4 abgegebene Leistung hinaus benötigt wird, kann der Dünnschicht-Kondensator abgeben, wobei die Zwischenkreisspannung UZK sinkt. In einem Rekuperationsfall, analog zu dem vorhergehend erläuterten Rekuperationsbetrieb, kann die Strategieeinheit am Beginn des Rekuperationsbetriebs eine relativ niedrige Soll-Zwischenkreisspannung UZK,soll anfordern (z. B. 2 × Ubatt). Bei einer ausreichend starken Bremsung würde die Strategieeinheit dann einen maximalen Sollstrom iL,soll und ein minimales, d. h. betragsmäßig maximales generatorisches, Sollmoment Msoll anfordern. Die elektrische Leistung, die die Bordnetzbatterie 4 nicht aufnehmen kann, wird im Dünnschicht-Kondensator gespeichert. Um bei Erreichen des Maximalwertes der Zwischenkreisspannung UZK das Bremsmoment nicht schlagartig reduzieren zu müssen, kann es sinnvoll sein, dass die Strategieeinheit ab einer vorbestimmten Schwelle der Zwischenkreisspannung UZK, z. B. bei 90% einer maximalen Zwischenkreisspannung UZK, beginnt, das Sollmoment Msoll betragsmäßig zu reduzieren. Nach Ende der Bremsung kann die Strategieeinheit 11 den Sollstrom iL,soll weiterhin auf einen hohen Sollwert belassen, um die Zwischenkreisspannung uZK für eine gegebenenfalls weitere Rekuperation vorzubereiten.During a starting operation explained above, a device additionally comprising a thin-film capacitor may be controlled such that the strategy unit 10 a maximum permissible nominal torque M soll and a minimum permissible nominal current i L, should be requested. The electrical power that exceeds that of the System battery 4 output power is required, the thin-film capacitor can deliver, the intermediate circuit voltage U ZK decreases. In a case of recuperation, analogous to the recuperation operation explained above, the strategy unit can request a relatively low nominal intermediate circuit voltage U ZK, soll (eg 2 × U batt ) at the beginning of the recuperation operation . If the braking is sufficiently strong, the strategy unit would then request a maximum setpoint current i L, should and a minimum, ie absolute maximum regenerative, setpoint moment M soll . The electrical power that the onboard power supply battery 4 can not absorb, is stored in the thin-film capacitor. To when it reaches the maximum value of the intermediate circuit voltage U ZK not to abruptly reduce the braking torque, it may make sense that the strategy unit from a predetermined threshold of the intermediate circuit voltage U ZK, z. B. 90% of a maximum intermediate circuit voltage U ZK, starts the setpoint torque M soll magnitude to reduce. After the end of braking, the strategy unit 11 the setpoint current i L, should continue to be left at a high setpoint to prepare the intermediate circuit voltage u ZK for an optional further recuperation.

Es sind elektrische Verschaltungen von Elektromaschinen denkbar, bei denen die vorhergehend erläuterten Motorspannungen US1, US2, US3 nicht explizit wie in der in 2 dargestellten Vorrichtung 1 zur Verfügung stehen. Bei derartig verschalteten Elektromaschinen wird eine gewünschte Betriebsweise (Drehzahl, Drehmoment) der Elektromaschine und hierfür einzustellende Phasenspannungen UP1, UP2, UP3 oder Schaltzeitpunkte der Leistungsschalter S1, ..., S6 direkt ermittelt. Auch kann neben dem Sollmoment Msoll und gegebenenfalls weiteren gemessenen Größen üblicherweise auch die Zwischenkreisspannung UZK vorgegeben sein. Stehen nicht die Phasenspannungen UP1, UP2, UP3, sondern ausschließlich Tastverhältnisse zur Verfügung, können diese gemäß Formel 6 in Phasenspannungen UP1, UP2, UP3 umgerechnet werden. Im Folgenden werden Berechnungsverfahren angegeben, mit denen berechnete Phasenspannungen UP1, UP2, UP3 einer beliebigen Elektromaschine in die erfindungsgemäßen Motorspannungen US1, US2, US3 umgerechnet werden können.There are electrical interconnections of electrical machines conceivable in which the previously described motor voltages U S1 , U S2 , U S3 not explicitly as in the in 2 illustrated device 1 be available. In such interconnected electric machines, a desired mode of operation (speed, torque) of the electric machine and the phase voltages U P1 , U P2 , U P3 or switching times of the power switches S1,..., S6 to be set are determined directly. Also, in addition to the desired torque M soll and possibly other measured variables usually also the intermediate circuit voltage U ZK be specified. Are not the phase voltages U P1 , U P2 , U P3 , but only duty cycles available, these can be converted according to formula 6 in phase voltages U P1 , U P2 , U P3 . In the following, calculation methods are specified with which calculated phase voltages U P1 , U P2 , U P3 of any electric machine can be converted into the motor voltages U S1 , U S2 , U S3 according to the invention.

In einem ersten Fall subtrahiert man von den vorgegebenen Phasenspannungen UP1, UP2, UP3 jeweils die Hälfte der Zwischenkreisspannung UZK, um die Motorspannungen US1 bis US3 zu erhalten. Wenn die zeitlichen Mittelwerte von den so berechneten Motorspannungen US1, US2, US3 bei einem in einem konstanten Betriebspunkt betriebener Elektromaschine 6 gleich oder nahe Null sind, ist ein korrekter Betrieb der Elektromaschine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.In a first case, one subtracts from the predetermined phase voltages U P1 , U P2 , U P3 in each case half of the intermediate circuit voltage U ZK in order to obtain the motor voltages U S1 to U S3 . If the time averages of the thus calculated motor voltages U S1 , U S2 , U S3 at an operating at a constant operating point electric machine 6 are equal to or near zero, a correct operation of the electric machine by means of the method according to the invention is possible.

In einer zweiten Alternative kann ein Mittelwert aus den Phasenspannungen UP1 bis UP3 bestimmt und von den jeweiligen Phasenspannungen UP1, UP2, UP3 subtrahiert werden, um die Motorspannungen US1, US2, US3 zu erhalten.In a second alternative, an average of the phase voltages U P1 to U P3 can be determined and subtracted from the respective phase voltages U P1 , U P2 , U P3 to obtain the motor voltages U S1 , U S2 , U S3 .

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Vorrichtung zur EnergieübertragungDevice for energy transmission
22
NiedrigspannungsbereichLow voltage range
33
HochspannungsbereichHigh voltage range
44
BordnetzbatterieSystem battery
55
elektrische Verbraucherelectrical consumer
66
Elektromaschineelectric machine
77
Umrichterinverter
88th
Element zur SpannungswandlungElement for voltage conversion
1010
Einheit zur Bestimmung einer mittleren PhasenspannungUnit for determining a mean phase voltage
1111
Strategieeinheitstrategy unit
1212
Einheit zur Bestimmung mindestens einer MotorspannungUnit for determining at least one motor voltage
1313
Einheit zur Bestimmung einer Soll-PhasenspannungUnit for determining a desired phase voltage
1414
Einheit zur Bestimmung von SchaltzeitpunktenUnit for determining switching times
Ubatt U batt
Batteriespannungbattery voltage
UZK U ZK
ZwischenkreisspannungIntermediate circuit voltage
UP1 U P1
erste Phasenspannungfirst phase voltage
UP2 U P2
zweite Phasenspannungsecond phase voltage
UP3 U P3
dritte Phasenspannungthird phase voltage
US1 U S1
erste Motorspannungfirst motor voltage
US2 U S2
zweite Motorspannungsecond motor voltage
US3 U S3
dritte Motorspannungthird motor voltage
LL
Induktivitätinductance
UL U L
Spannung über der InduktivitätVoltage across the inductance
UP1M U P1M
erste mittlere Phasenspannungfirst mean phase voltage
UP1,soll U P1, shall
erste Soll-Phasenspannungfirst desired phase voltage
UP2,soll U P2, shall
zweite Soll-Phasenspannungsecond desired phase voltage
UP3,soll U P3, shall
dritte Soll-Phasenspannungthird desired phase voltage
iNV i NV
Niedrigspannungsbereich-StromLow voltage range power
ibatt i batt
Batteriestrombattery power
iL i L
Strom durch die InduktivitätCurrent through the inductance
iHV HV
Hochspannungsbereich-StromHigh voltage range power
iZK i ZK
ZwischenkreisstromDC link current
iP1 i P1
erster Phasenstromfirst phase current
iP2 i P2
zweiter Phasenstromsecond phase current
iP3 i P3
dritter Phasenstromthird phase current
iL,soll i L, shall
Sollstrom durch die InduktivitätTarget current through the inductance
S1S1
erster Leistungsschalter der ersten Halbbrückefirst circuit breaker of the first half-bridge
S2S2
zweiter Leistungsschalter der ersten Halbbrückesecond circuit breaker of the first half-bridge
S3S3
erster Leistungsschalter der zweiten Halbbrückefirst circuit breaker of the second half-bridge
S4S4
zweiter Leistungsschalter der zweiten Halbbrückesecond circuit breaker of the second half-bridge
S5S5
erster Leistungsschalter der dritten Halbbrückefirst circuit breaker of the third half-bridge
S6S6
zweiter Leistungsschalter der dritten Halbbrückesecond circuit breaker of the third half-bridge
D1 D1
Diodediode
D2D2
Diodediode
D3D3
Diodediode
D4D4
Diodediode
D5D5
Diodediode
D6D6
Diodediode
S7S7
erster Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlungfirst circuit breaker of the voltage conversion element
S8S8
zweiter Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlungsecond circuit breaker of the voltage conversion element
D7D7
Diodediode
D8D8
Diodediode
K1K1
erste Klemme der Elektromaschinefirst terminal of the electric machine
K2K2
zweite Klemme der Elektromaschinesecond terminal of the electric machine
K3K3
dritte Klemme der Elektromaschinethird terminal of the electric machine
SS
Sternpunktstar point
ML1ML1
erste Motorinduktivität der Elektromaschinefirst motor inductance of the electric machine
ML2ML2
zweite Motorinduktivität der Elektromaschinesecond motor inductance of the electric machine
ML3ML3
dritte Motorinduktivität der Elektromaschinethird motor inductance of the electric machine
FPFP
Fahrpedalsensor-SignalAccelerator sensor signal
BPBP
Bremspedalsensor-SignalBrake pedal sensor signal
Msoll M shall
Sollmomenttarget torque
αα
Rotorlagerotor position
ΩΩ
Drehzahlrotation speed
TS1 T S1
Schaltzeit des ersten Leistungsschalters der ersten HalbbrückeSwitching time of the first circuit breaker of the first half-bridge
TS2 T S2
Schaltzeit des zweiten Leistungsschalters der ersten HalbbrückeSwitching time of the second circuit breaker of the first half-bridge

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Claims (10)

Vorrichtung zur Energieübertragung in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Bordnetz aufweist, wobei das Bordnetz mindestens einen Niedrigspannungsbereich (2) mit einem ersten Spannungsniveau aufweist, wobei die Vorrichtung (1) mindestens eine Elektromaschine (6), einen der Elektromaschine (6) zugeordneten Umrichter (7), mindestens einen Zwischenkreis-Kondensator (CZK), mindestens einen dem Niedrigspannungsbereich zugeordneten Energiespeicher, mindestens ein Element zur Spannungswandlung und mindestens eine Steuereinheit umfasst, wobei die Elektromaschine (6) in einem motorischen Betrieb oder generatorischen Betrieb betreibbar ist, wobei der Umrichter (7) mindestens eine Halbbrücke mit zwei Leistungsschaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6) aufweist, wobei ein Abschnitt zwischen den Leistungsschaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6) über einen ersten Versorgungspfad mit einer Klemme (K1, K2, K3) der Elektromaschine (6) elektrisch verbunden ist, wobei das Element zur Spannungswandlung mindestens zwei Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8) und mindestens eine Induktivität (L) umfasst, wobei die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung die Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) der mindestens einen Halbbrücke des Umrichters (7) sind, wobei die mindestens eine Induktivität (L) des Elements zur Spannungswandlung in einem zweiten Versorgungspfad, der den Niedrigspannungsbereich (2) und den zwischen den Leistungsschaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6) der Halbbrücke liegenden Abschnitt der Halbbrücke elektrisch verbindet, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Versorgungspfad von dem ersten Versorgungspfad verschieden ist.Device for transmitting energy in a motor vehicle, wherein the motor vehicle has a vehicle electrical system, wherein the vehicle electrical system at least one low-voltage range ( 2 ) having a first voltage level, the device ( 1 ) at least one electric machine ( 6 ), one of the electric machines ( 6 ) assigned inverter ( 7 ), at least one intermediate circuit capacitor (C ZK ), at least one low-voltage region associated energy storage, at least one element for voltage conversion and at least one control unit, wherein the electric machine ( 6 ) is operable in a motorized or regenerative mode, wherein the inverter ( 7 ) has at least one half-bridge with two power switches (S1, S2, S3, S4, S5, S6), wherein a section between the power switches (S1, S2, S3, S4, S5, S6) via a first supply path with a terminal (K1 , K2, K3) of the electric machine ( 6 ), wherein the voltage conversion element comprises at least two power switches (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8) and at least one inductance (L), the power switches of the voltage conversion element comprising the power switches (S1 , S2, S3, S4, S5, S6) of the at least one half-bridge of the converter ( 7 ), wherein the at least one inductance (L) of the voltage conversion element in a second supply path, which is the low-voltage region ( 2 ) and that electrically connects the section of the half-bridge lying between the circuit breakers (S1, S2, S3, S4, S5, S6) of the half-bridge, characterized in that the second supply path is different from the first supply path . Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem motorischen Betrieb der Elektromaschine (6) eine Energieversorgung der Elektromaschine (6) ausschließlich aus dem Energiespeicher gewährleistbar ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that in the motor operation of the electric machine ( 6 ) a power supply of the electric machine ( 6 ) can be ensured only from the energy storage. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (7) als dreiphasiger Umrichter (7) ausgebildet ist, wobei jeder Phase des Umrichters (7) eine Halbbrücke mit jeweils zwei Leistungsschaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6) zugeordnet ist, wobei ein Abschnitt zwischen den Leistungsschaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6) jeder Halbbrücke über erste Versorgungspfade mit jeweils einer Klemme (K1, K2, K3) einer dreiphasigen Elektromaschine (6) elektrisch verbunden ist, wobei das Element zur Spannungswandlung 6 Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) und 3 Induktivitäten (L1, L2, L3) umfasst, wobei die 6 Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) die jeweils 2 Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) der Halbbrücken des Umrichters (7) sind, wobei jeweils eine Induktivitäten (L1, L2, L3) des Elements zur Spannungswandlung in jeweils zweiten Versorgungspfaden angeordnet sind, wobei die zweiten Versorgungspfade den Niedrigspannungsbereich (2) und den zwischen den Leistungsschaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6) der jeweiligen Halbbrücke liegenden Abschnitt der jeweiligen Halbbrücke elektrisch verbinden und von den ersten Versorgungspfaden verschieden sind.Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the converter ( 7 ) as a three-phase converter ( 7 ), each phase of the converter ( 7 ) is assigned a half-bridge with two circuit breakers (S1, S2, S3, S4, S5, S6), wherein a portion between the circuit breakers (S1, S2, S3, S4, S5, S6) of each half-bridge over first supply paths each having a Terminal (K1, K2, K3) of a three-phase electric machine ( 6 ), wherein the element for voltage conversion 6 Circuit breaker (S1, S2, S3, S4, S5, S6) and 3 inductors (L1, L2, L3), wherein the 6 circuit breakers (S1, S2, S3, S4, S5, S6), each of the two circuit breakers (S1, S2, S3, S4, S5, S6) of the half-bridges of the converter ( 7 ), wherein in each case one inductances (L1, L2, L3) of the element for voltage conversion are respectively arranged in second supply paths, wherein the second supply paths are the low-voltage region ( 2 ) and electrically connect the portion of the respective half-bridge between the power switches (S1, S2, S3, S4, S5, S6) of the respective half-bridge and are different from the first supply paths. Vorrichtung nach einer der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit ein Schalten der Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) des Umrichters (7) in Abhängigkeit mindestens einer gewünschten elektrischen Leistung (PEM) der Elektromaschine und einer gewünschten, in den Niedrigspannungsbereich (2) hinein oder aus dem Niedrigspannungsbereich (2) heraus zu übertragenden, Leistung (PNV) steuerbar ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that by means of the control unit, a switching of the power switches (S1, S2, S3, S4, S5, S6) of the inverter ( 7 ) in dependence on at least one desired electrical power (P EM ) of the electric machine and a desired, in the low voltage range ( 2 ) into or out of the low-voltage region ( 2 ) Power to be transmitted (P NV ) is controllable. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz zusätzlich mindestens einen Hochspannungsbereich (3) aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the vehicle electrical system additionally comprises at least one high-voltage region ( 3 ) having. Verfahren zur Energieübertragung in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Bordnetz aufweist, wobei das Bordnetz mindestens einen Niedrigspannungsbereich (2) mit einem ersten Spannungsniveau aufweist, wobei das Kraftfahrzeug mindestens eine Elektromaschine (6), einen der Elektromaschine (6) zugeordneten Umrichter (7), mindestens einen Zwischenkreis-Kondensator (CZK), mindestens einen dem Niedrigspannungsbereich zugeordneten Energiespeicher, mindestens ein Element zur Spannungswandlung und mindestens eine Steuereinheit umfasst, wobei die Elektromaschine (6) in einem motorischen Betrieb oder generatorischen Betrieb betrieben wird, wobei der Umrichter (7) mindestens eine Halbbrücke mit zwei Leistungsschaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6) aufweist, wobei ein Abschnitt zwischen den Leistungsschaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6) über einen ersten Versorgungspfad mit einer Klemme (K1, K2, K3) der Elektromaschine (6) elektrisch verbunden ist, wobei das Element zur Spannungswandlung mindestens zwei Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8) und mindestens eine Induktivität (L) umfasst, wobei die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung die Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) der mindestens einen Halbbrücke des Umrichters (7) sind, wobei die mindestens eine Induktivität (L) des Elements zur Spannungswandlung in einem zweiten Versorgungspfad, der den Niedrigspannungsbereich (2) und den zwischen den Leistungsschaltern der Halbbrücke liegenden Abschnitt der Halbbrücke elektrisch verbindet, angeordnet ist, wobei der zweite Versorgungspfad von dem ersten Versorgungspfad verschieden ist, wobei im generatorischen Betrieb die Steuereinheit die Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) des Elements zur Spannungswandlung derart steuert, dass von der Elektromaschine (6) erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise in den Niedrigspannungsbereich hinein übertragen wird, wobei im motorischen Betrieb die Steuereinheit Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) des Elements zur Spannungswandlung derart steuert, dass eine in dem Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie zumindest teilweise an die Elektromaschine übertragen wird.Method for transmitting energy in a motor vehicle, wherein the motor vehicle has a vehicle electrical system, wherein the vehicle electrical system has at least one low-voltage range ( 2 ) having a first voltage level, the motor vehicle having at least one electric machine ( 6 ), one of the electric machines ( 6 ) assigned inverter ( 7 ), at least one intermediate circuit capacitor (C ZK ), at least one low-voltage region associated energy storage, at least one element for voltage conversion and at least one control unit, wherein the electric machine ( 6 ) is operated in a motorized or regenerative mode, wherein the converter ( 7 ) has at least one half-bridge with two power switches (S1, S2, S3, S4, S5, S6), wherein a section between the power switches (S1, S2, S3, S4, S5, S6) via a first supply path with a terminal (K1 , K2, K3) of the electric machine ( 6 ), wherein the voltage conversion element comprises at least two power switches (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8) and at least one inductance (L), the power switches of the voltage conversion element comprising the power switches (S1 , S2, S3, S4, S5, S6) of the at least one half-bridge of the converter ( 7 ), wherein the at least one inductance (L) of the voltage conversion element in a second supply path, which is the low-voltage region ( 2 ) is electrically connected, the second supply path is different from the first supply path, wherein in regenerative operation, the control unit, the power switch (S1, S2, S3, S4, S5, S6) of the voltage conversion element controls such that of the electric machine ( 6 ) generated electrical energy is at least partially transmitted into the low voltage range, wherein in motor operation, the control unit circuit breaker (S1, S2, S3, S4, S5, S6) of the element for voltage conversion controls such that stored in the energy storage electrical energy at least partially to the Electric machine is transmitted. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit (10) zur Bestimmung mindestens einer mittleren Phasenspannung (UP1M) eine mittlere Phasenspannung (UP1M) des Umrichters (7) mindestens in Abhängigkeit einer gewünschten, in den Niedrigspannungsbereich (2) hinein oder aus dem Niedrigspannungsbereich (2) heraus zu übertragenden, Leistung (PNV) bestimmt, wobei mindestens eine Einheit (12) zur Bestimmung von mindestens einer Motorspannung (US1, US2, US3) der Elektromaschine (6) eine Motorspannung (US1, US2, US3) der Elektromaschine (6) mindestens in Abhängigkeit einer gewünschten elektrischen Leistung (PEM) der Elektromaschine (6) bestimmt, wobei mindestens eine Einheit (13) zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung (UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll) eine Soll-Phasenspannung (UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll) des Umrichters (7) mindestens in Abhängigkeit der mittleren Phasenspannung (UP1M) und der Motorspannung (US1, US2, US3) bestimmt, wobei die Steuereinheit ein Schalten der Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) des Umrichters (7) in Abhängigkeit der Soll-Phasenspannung (UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll) steuert.Method according to claim 6, characterized in that a unit ( 10 ) for determining at least one mean phase voltage (U P1M ) an average phase voltage (U P1M ) of the converter ( 7 ) at least depending on a desired, in the low voltage range ( 2 ) into or out of the low-voltage region ( 2 ) power (P NV ) to be transmitted, with at least one unit ( 12 ) for determining at least one motor voltage (U S1 , U S2 , U S3 ) of the electric machine ( 6 ) a motor voltage (U S1 , U S2 , U S3 ) of the electric machine ( 6 ) at least as a function of a desired electrical power (P EM ) of the electric machine ( 6 ), whereby at least one unit ( 13 ) for determining at least one desired phase voltage (U P1, soll , U P2, soll , U P3, soll ) a desired phase voltage (U P1, soll , U P2, soll , U P3, soll ) of the inverter ( 7 ) determined at least as a function of the average phase voltage (U P1M ) and the motor voltage (U S1 , U S2 , U S3 ), wherein the control unit switching the power switches (S1, S2, S3, S4, S5, S6) of the inverter ( 7 ) in dependence of the desired phase voltage (U P1, soll , U P2, soll , U P3, soll ) controls. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine gewünschte, in den Niedrigspannungsbereich (2) hinein oder aus dem Niedrigspannungsbereich (2) heraus zu übertragende, Leistung (PNV) und eine gewünschte elektrische Leistung (PEM) der Elektromaschine von einer Strategieeinheit (10) mindestens in Abhängigkeit einer Zwischenkreisspannung (UZK) und/oder mindestens eines fahrdynamischen Sensorsignals und/oder mindestens eines fahrbetriebsspezifischen Sensorsignals (FP, BP) bestimmt wird.A method according to claim 7, characterized in that a desired, in the low-voltage range ( 2 ) into or out of the low-voltage region ( 2 ) power to be transmitted (P NV ) and a desired electrical power (P EM ) of the electric machine from a strategy unit ( 10 ) is determined at least as a function of an intermediate circuit voltage (U ZK ) and / or at least one driving-dynamic sensor signal and / or at least one driving-operation-specific sensor signal (FP, BP). Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (13) zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung (UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll) die mindestens eine Soll-Phasenspannung (UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll) in Abhängigkeit einer Drehzahl (Ω) der Elektromaschine (6) bestimmt.Method according to one of claims 7 or 8, characterized in that the unit ( 13 ) for determining at least one desired phase voltage (U P1, soll , U P2, soll , U P3, soll ) the at least one desired phase voltage (U P1, soll , U P2, soll , U P3, soll ) in dependence on a speed (Ω) of the electric machine ( 6 ) certainly. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (13) zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung (UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll) die mindestens eine Soll-Phasenspannung (UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll) gemäß eines ersten und eines zweiten Betriebsmodus bestimmt, wobei in Abhängigkeit der Drehzahl (Ω) zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus umgeschaltet wird, wobei ein Umschalten ein hartes Umschalten oder ein hysteresebasiertes Umschalten oder ein überblendbasiertes Umschalten ist.Method according to claim 9, characterized in that the unit ( 13 ) for determining at least one desired phase voltage (U P1, soll , U P2, soll , U P3, soll ) the at least one desired phase voltage (U P1, soll , U P2, soll , U P3, soll ) according to a first and a second mode of operation, wherein in response to the rotational speed (Ω) is switched between the first and the second operating mode, wherein a switching is a hard switching or a hysteresis-based switching or a fade-based switching.
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