DE102010064325A1

DE102010064325A1 - System mit einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102010064325A1
Application number: DE102010064325A
Authority: DE
Inventors: Ralph Schmidt; Peter Feuerstack; Erik Weissenborn; Martin Kessler
Original assignee: Robert Bosch GmbH; SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2012-07-05
Also published as: WO2012089361A3; WO2012089361A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System mit einer n-phasigen elektrischen Maschine (1), welche mit Hilfe eines steuerbaren ersten Energiespeichers (2) gesteuert und mit elektrischer Energie versorgt wird. Dabei weist der steuerbare Energiespeicher (2) n parallele Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) auf, welche einerseits mit einer Bezugsschiene (T-) und andererseits mit jeweils einer Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) verbindbar sind. Ein Zwischenkreis (10) ist einerseits mit einem Sternpunkt (S) der elektrischen Maschine (1) und andererseits mit der Bezugsschiene (T-) koppelbar. Ein zugehöriges Betriebsverfahren sieht vor, dass zur Energieversorgung von mittelbar oder unmittelbar an den Zwischenkreis (10) angeschlossenen elektrischen Verbrauchern (12; 13) die Spannungen an den Energieversorgungszweigen (3-1, 3-2, 3-3) jeweils auf einen Wert erhöht oder erniedrigt werden, welcher überhalb bzw. unterhalb eines aktuell zur Energieversorgung der elektrischen Maschine (1) benötigten Spannungswerts liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein System mit einer elektrischen Maschine, welche mit Hilfe eines steuerbaren ersten Energiespeichers gesteuert und mit elektrischer Energie versorgt wird, sowie ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Systems.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z. B. Windkraftanlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. In herkömmlichen Anwendungen wird eine elektrische Maschine, welche z. B. als Drehfeldmaschine ausgeführt ist, über einen Umrichter in Form eines Wechselrichters gesteuert. Kennzeichnend für derartige Systeme ist ein sogenannter Gleichspannungszwischenkreis, über welchen ein Energiespeicher, in der Regel eine Batterie, an die Gleichspannungsseite des Wechselrichters angeschlossen ist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden mehrere Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einem derartigen Energiespeicher bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen fließen muss und eine Batteriezelle nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen.
Die Serienschaltung mehrerer Batteriezellen bringt neben einer hohen Gesamtspannung das Problem mit sich, dass der gesamte Energiespeicher ausfällt, wenn eine einzige Batteriezelle ausfällt, weil dann kein Batteriestrom mehr fließen kann. Ein solcher Ausfall des Energiespeichers kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Bei einem Fahrzeug kann ein Ausfall der Antriebsbatterie zum ”Liegenbleiben” des Fahrzeugs führen. Bei anderen Anwendungen, wie z. B. der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen, kann es bei ungünstigen Rahmenbedingungen, wie z. B. starkem Wind, sogar zu sicherheitsgefährdenden Situationen kommen. Daher ist stets eine hohe Zuverlässigkeit des Energiespeichers anzustreben, wobei mit ”Zuverlässigkeit” die Fähigkeit eines Systems bezeichnet wird, für eine vorgegebene Zeit fehlerfrei zu arbeiten.
In den älteren Anmeldungen DE 10 2010 027 857 und DE 10 2010 027 861 sind Batterien mit mehreren Batteriemodulsträngen beschrieben, welche direkt an eine elektrische Maschine anschließbar sind. Die Batteriemodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen auf, wobei jedes Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Batteriemodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Batteriemodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z. B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der elektrischen Maschine erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in die Batterie integriert. Zum Zwecke der Offenbarung werden diese beiden älteren Anmeldungen vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung einbezogen.
Im Gegensatz zu konventionellen Systemen, bei welchen eine elektrische Maschine über einen Wechselrichter gesteuert wird und durch einen davon getrennten elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird, steht bei den in den älteren Anmeldungen DE 10 2010 027 857 und DE 10 2010 027 861 beschriebenen Batterien keine konstante Gleichspannung zur Verfügung, so dass derartige Batterien nicht ohne weiteres in herkömmliche Energieversorgungsnetze, wie z. B. Bordnetze eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges, integrierbar sind.
Sollen derartige Batterien z. B. in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, ist außerdem zu beachten, dass heute verfügbare Batterietechnologien die Reichweite der Elektrofahrzeuge erheblich limitieren.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein System mit einer n-phasigen elektrischen Maschine, mit n ≥ 1, welche mit Hilfe eines steuerbaren ersten Energiespeichers gesteuert und mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei der steuerbare erste Energiespeicher n parallele Energieversorgungszweige aufweist. Die Energieversorgungszweige sind einerseits mit einer Bezugsschiene und andererseits mit jeweils einer Phase der elektrischen Maschine verbindbar. Ein Zwischenkreis ist einerseits mit einem Sternpunkt der elektrischen Maschine und andererseits mit der Bezugsschiene koppelbar.
Die vorliegende Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Systems, wobei zur Energieversorgung von mittelbar oder unmittelbar an den Zwischenkreis angeschlossenen elektrischen Verbrauchern (10; 10') die Spannungen an den Energieversorgungszweigen jeweils auf einen Wert erhöht werden, welcher überhalb eines aktuell zur Energieversorgung der elektrischen Maschine benötigten Spannungswerts liegt.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung basiert auf der Grundidee, an den Sternpunkt der elektrischen Maschine einen Zwischenkreis anzukoppeln, über welchen einerseits elektrische Verbraucher, z. B. Verbraucher in einem Fahrzeugbordnetz, entweder unmittelbar oder mittelbar, z. B. über einen Gleichspannungswandler, mit einer Gleichspannung versorgt werden können, welcher andererseits aber auch genutzt werden kann, um zusätzliche Energiequellen mit dem System zu verbinden, welche den steuerbaren ersten Energiespeicher bei der Energieversorgung der elektrischen Energie unterstützen können und/oder Energiespeicherzellen des steuerbaren ersten Energiespeichers laden können. Das erfindungsgemäße System zeichnet sich dabei insbesondere durch eine einfach realisierbare und damit kostengünstige Schaltungstopologie aus.
Bei konventioneller Ansteuerung des steuerbaren ersten Energiespeichers liegt an dem Sternpunkt der elektrischen Maschine ein mittleres Potential in Höhe des Potentials der Bezugsschiene an. Es ist jedoch möglich, dieses Potential zu verschieben, indem die Spannungen an den Energieversorgungszweigen des steuerbaren ersten Energiespeichers jeweils auf einen Wert erhöht oder erniedrigt werden, welcher überhalb bzw. unterhalb eines aktuell zur Energieversorgung der elektrischen Maschine benötigten Spannungswerts liegt.
Aufgrund der Ansteuerung des steuerbaren ersten Energiespeichers mit Pulsweitenmodulation ergeben sich am Sternpunkt positive und negative, rechteckige Spannungsblöcke mit der Ansteuerfrequenz, von z. B. 3–6 kHz. Diese können jedoch einfach mit Hilfe eines Filters, welcher zwischen die elektrische Maschine und die Bezugsschiene einerseits und den Zwischenkreis andererseits geschaltet ist geglättet werden, so dass sich eine zumindest annähernd konstante Zwischenkreisspannung ergibt. Der Filter ist dabei mit einer entsprechend niedrigen Eckfrequenz auszulegen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist dem Zwischenkreis ein erster Gleichspannungswandler nachgeschaltet, welcher ein erstes Spannungsniveau des Zwischenkreises an ein zweites Spannungsniveau eines zweiten Energiespeichers anpasst. Aus dem zweiten Energiespeicher sind dann elektrische Verbraucher mit einer Gleichspannung auf dem zweiten Spannungsniveau versorgbar. Auf diese Weise lässt sich ein Zweispannungs-Energieversorgungsnetz realisieren.
Ist der zweite Energiespeicher als Niederspannungs-Energiespeicher ausgeführt, muss dieser typischerweise aus Sicherheitsgründen galvanisch von der Hoch- oder Mittelspannung am Zwischenkreis getrennt sein. In diesem Fall kann der erste Gleichspannungswandler als Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung ausgeführt sein.
Zwischen die elektrische Maschine und die Bezugsschiene einerseits und den Zwischenkreis andererseits kann auch ein zweiter Gleichspannungswandler geschaltet sein, welcher ein drittes Spannungsniveau am Sternpunkt der elektrischen Maschine und das erste Spannungsniveau des Zwischenkreises aneinander anpasst. So kann der Gleichspannungswandler z. B. als Hochsetzsteller ausgestaltet sein, welcher das Spannungsniveau des Zwischenkreises erhöht, wodurch auch Verbraucher mit höherem Spannungsniveau aus dem Zwischenkreis versorgt werden können.
Ist der zweite Gleichspannungswandler bidirektional ausgeführt, so kann dieser in umgekehrter Richtung als Tiefsetzer zum Laden des steuerbaren ersten Energiespeichers mitgenutzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Zwischenkreis unmittelbar oder mittelbar mit mindestens einer zusätzlichen Gleichstromquelle verbindbar. Durch die Ankopplung einer zusätzlichen Energiequelle ist es möglich, zusätzliche elektrische Energie zur Verfügung zu stellen und auf diese Weise zum Beispiel die Reichweite eines Elektrofahrzeugs erheblich zu verlängern. Die zur Verfügung gestellte Energie kann dabei je nach aktuellem Betriebszustand des steuerbaren Energiespeichers und der elektrischen Maschine entweder zum Laden von Energiespeicherzellen der steuerbaren Energiequelle oder zur Unterstützung der steuerbaren Energiequelle bei der Energieversorgung der elektrischen Maschine genutzt werden.
Der Zwischenkreis kann in diesem Fall zum Beispiel über einen vom Zwischenkreis zur elektrischen Maschine gerichteten Hochsetzsteller an den Sternpunkt der elektrischen Maschine angekoppelt werden. Der eingespeiste Strom kann dann über das Tastverhältnis des Hochsetzstellers eingestellt werden. Die Regelung des steuerbaren ersten Energiespeichers stellt zu jedem Zeitpunkt die korrekten Spannungen an den Phasen der elektrischen Maschine sicher. In Abhängigkeit vom aktuellen Momentanwert des Phasenstroms der elektrischen Maschine fließt damit Strom aus dem Hochsetzsteller zur Unterstützung des steuerbaren ersten Energiespeichers in die elektrische Maschine bzw. zum Laden in den steuerbaren ersten Energiespeicher. Die Topologie des Hochsetzstellers ist weiter vorteilhaft, da hier die Zwischenkreisspannung unterhalb der maximalen Phasenspannung liegen kann. Eine Diode des Hochsetzstellers verhindert einen Rückwärtsstrom in den Zwischenkreis. Bei dieser Anordnung erfolgt die Speisung aller Energieversorgungszweige des steuerbaren ersten Energiespeichers gleichzeitig.
Eine besonders effiziente Energieeinspeisung bei hoher Verfügbarkeit lässt sich erreichen, wenn die Gleichstromquelle einen Reichweitenverlängerer („Range Extender”) mit einem durch einen Verbrennungsmotor angetrieben Generator umfasst. Der Generator kann dabei als Gleichstromgenerator oder als Wechselstromgenerator mit nachgeschaltetem Gleichrichterausgeführt sein.
Alternativ oder zusätzlich können aber auch beliebige andere Gleichstromquellen, wie z. B. Brennstoffzellen, Photovoltaikmodule oder auch Windkraftanlagen, eingesetzt werden. Grundsätzlich können beliebig viele Gleichstromquellen in beliebigen Ausführungsformen vorgesehen sein.
Zum Laden des steuerbaren ersten Energiespeichers kann mit dem Zwischenkreis aber auch ein Ladegerät verbunden werden, welches den Zwischenkreis mit einem externen Energieversorgungsnetz, insbesondere einem öffentlichen Stromnetz, verbindet.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Energieversorgungszweige des steuerbaren Energiespeichers jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit umfassen, welche in Abhängigkeit von Steuersignalen die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen überbrückt oder die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen in den jeweiligen Energieversorgungszweig schaltet. Durch eine derartige Ausgestaltung lässt sich die Doppelfunktion des steuerbaren Energiespeichers, nämlich Steuerung und Energieversorgung der elektrischen Maschine auf besonders einfache und effiziente Art realisieren.
Die zur Verschiebung des Spannungspotentials am Sternpunkt vorgesehene Anhebung oder Absenkung der Spannungen an den Energieversorgungszweigen kann bei einer derartigen Ausgestaltung des steuerbaren ersten Energiespeichers dadurch erreicht werden, dass die Energiespeicherzellen jeweils eines oder mehrerer Energiespeichermodule eines jeden Energieversorgungszweiges durch entsprechende Ansteuerung der zugeordneten Koppeleinheiten dauerhaft oder getaktet mit positiver bzw. negativer Polung in den jeweiligen Energieversorgungszweig geschaltet werden. Die eigentliche Energieversorgungs- und Steuerungsfunktion für die elektrische Maschine kann durch die übrigen Energiespeichermodule gewährleistet werden. Dadurch reduziert sich jedoch der für den motorischen Betrieb der elektrischen Maschine nutzbare Spannungshub. Dies kann umgangen werden, indem pro Energieversorgungszweig ein oder mehrere zusätzliche Module für den Zweck der Energieeinspeisung in den Zwischenkreis vorgehalten werden.
Die zugeschalteten Energiespeichermodule eines Energieversorgungszweiges können auch während des Betriebs gewechselt werden, um eine gleichmäßige Belastung sicherzustellen. Sobald ein Laststrom aus dem Sternpunkt gezogen wird, verschieben sich die sinusförmigen Ströme in den Energieversorgungszweigen um jeweils ein Drittel des Betrags dieses Laststroms nach oben.
Es ist darüber hinaus möglich, die Spannung am Sternpunkt der elektrischen Maschine auch direkt zu nutzen, ohne extra zusätzliche Energiespeichermodule in den Energieversorgungszweigen hinzuzuschalten. Sind die Koppeleinheit des steuerbaren ersten Energiespeichers als Vollbrücken ausgestaltet, so treten am Sternpunkt positive und negative, rechteckige Spannungsblöcke mit der Ansteuerfrequenz auf. In Betriebsbereichen mit lediglich einem getakteten Energiespeichermodul haben diese eine Amplitude von einem Drittel der Modulspannung. Bei Nutzung mehrerer Energiespeichermodule kann die Spannung auch höher liegen, was insbesondere vom verwendeten Ansteuerverfahren abhängt. Wenn nun zwischen die elektrische Maschine und die Bezugsschiene einerseits und den Zwischenkreis andererseits eine Gleichrichtereinheit, insbesondere eine Ein- oder Zweiweggleichrichtung, geschaltet ist, so kann das resultierende positive Potential unmittelbar genutzt werden. Die Möglichkeit der Nachschaltung eines Gleichspannungswandlers, z. B. in Form eines Kochsetzstellers, bleibt unbeeinflusst. Sind die Koppeleinheiten als Halbbrücken ausgestaltet, so treten am Sternpunkt nur positive Potentiale auf, so dass die Gleichrichtung entfallen kann.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems,
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems,
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems,
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems und
5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems.
Die 1 bis 5 zeigen schematische Darstellungen von Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Systems. An eine dreiphasige elektrische Maschine 1 ist ein steuerbarer erster Energiespeicher 2 angeschlossen. Der steuerbare erste Energiespeicher 2 umfasst drei Energieversorgungszweige 3-1, 3-2 und 3-3, welche einerseits mit einem Bezugspotential T-(Bezugsschiene), welches in den dargestellten Ausführungsformen in Bezug auf Phasen U, V, W der elektrischen Maschine ein mittleres Potential führt, und andererseits jeweils mit den einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 verbunden sind. Jeder der Energieversorgungszweige 3-1, 3-2 und 3-3 weist m in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 4-11 bis 4-1m bzw. 4-21 bis 4-2m bzw. 4-31 bis 4-3m auf, wobei m ≥ 2. Die Energiespeichermodule 4 wiederum umfassen jeweils mehrere in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherzellen, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich in dem mit der Phase W der elektrischen Maschine 1 verbundenen Energieversorgungszweig 3-3 mit Bezugszeichen 5-31 bis 5-3m versehen sind. Die Energiespeichermodule 4 umfassen des Weiteren jeweils eine Koppeleinheit, welche den Energiespeicherzellen 5 des jeweiligen Energiespeichermoduls 4 zugeordnet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind auch die Koppeleinheiten lediglich in dem Energieversorgungszweig 3-3 mit Bezugszeichen 6-31 bis 6-3m versehen. In den dargestellten Ausführungsvarianten werden die Koppeleinheiten 6 jeweils durch vier steuerbare Schaltelemente 7-311, 7-312, 7-313 und 7-314 bis 7-3m1, 7-3m2, 7-3m3 und 7-3m4 gebildet, welche in Form einer Vollbrücke verschaltet sind. Die Schaltelemente können dabei als Leistungshalbleiterschalter, z. B. in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein.
Die Koppeleinheiten 6 ermöglichen es, den jeweiligen Energieversorgungszweig 3, durch Öffnen aller Schaltelemente 7 einer Koppeleinheit 6 zu unterbrechen. Alternativ können die Energiespeicherzellen 5 durch Schließen von jeweils zwei der Schaltelemente 7 einer Koppeleinheit 6 entweder überbrückt werden, z. B. Schließen der Schalter 7-312 und 7-314 oder in den jeweiligen Energieversorgungszweig 3 geschaltet werden, z. B. Schließen der Schalter 7-312 und 7-313.
Die Gesamt-Ausgangsspannungen der Energieversorgungszweige 3-1 bis 3-3 werden bestimmt durch den jeweiligen Schaltzustand der steuerbaren Schaltelemente 7 der Koppeleinheiten 6 und können stufig eingestellt werden. Die Stufung ergibt sich dabei in Abhängigkeit von der Spannung der einzelnen Energiespeichermodule 4. Geht man von der bevorzugten Ausführungsform gleichartig ausgestalteter Energiespeichermodule 4 aus, so ergibt sich eine maximal mögliche Gesamt-Ausgangsspannung aus der Spannung eines einzelnen Energiespeichermoduls 4 mal der Anzahl m der pro Energieversorgungszweig 3 in Reihe geschalteten Energiespeichermodule 4.
Die Koppeleinheiten 6 erlauben es damit, die Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 entweder gegen ein hohes Bezugspotential oder ein niedriges Bezugspotential zu schalten und können insofern auch die Funktion eines bekannten Wechselrichters erfüllen. Damit können Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 1 bei geeigneter Ansteuerung der Koppeleinheiten 6 durch den steuerbaren ersten Energiespeicher 2 gesteuert werden. Der steuerbare erste Energiespeicher 2 erfüllt also insofern eine Doppelfunktion, da er einerseits der elektrischen Energieversorgung andererseits aber auch der Steuerung der elektrischen Maschine 1 dient.
Die elektrische Maschine 1 weist Statorwicklungen 8-U, 8-V und 8-W auf, die in bekannter Weise in Sternschaltung miteinander verschaltet sind.
Die elektrische Maschine 1 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen als dreiphasige Drehstrommaschine ausgeführt, kann aber auch weniger oder mehr als drei Phasen aufweisen. Nach der Phasenanzahl der elektrischen Maschine richtet sich natürlich auch die Anzahl der Energieversorgungszweige 3 in dem steuerbaren ersten Energiespeichern.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen weist jedes Energiespeichermodul 4 jeweils mehrere in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen 5 auf. Die Energiespeichermodule 4 können aber alternativ auch jeweils nur eine einzige Energiespeicherzelle oder auch parallel geschaltete Energiespeicherzellen aufweisen.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen werden die Koppeleinheiten 6 jeweils durch vier steuerbare Schaltelemente 7 in Form einer Vollbrücke gebildet, was auch die Möglichkeit einer Spannungsumkehr am Ausgang des Energiespeichermoduls bietet. Die Koppeleinheiten 6 können aber auch durch mehr oder weniger steuerbare Schaltelemente realisiert sein, solange die notwendigen Funktionen (Überbrücken der Energieversorgungszellen und Schalten der Energieversorgungszellen in den Energieversorgungszweig) realisierbar sind. Insbesondere können die Koppeleinheiten auch in Form von Hallbrücken ausgebildet sein. Derartige Ausführungsformen ergeben sich beispielhaft aus den älteren Anmeldungen DE 10 2010 027 857 und DE 10 2010 027 861 .
An einen Sternpunkt S der elektrischen Maschine 1 einerseits und die Bezugsschiene T-andererseits ist ein Zwischenkreis (Gleichspannungs-Zwischenkreis) 10 in Form eines Zwischenkreiskondensators 10', angeschlossen (1).
Bei konventioneller Ansteuerung des steuerbaren ersten Energiespeichers 2 liegt an dem Sternpunkt S ein mittleres Potential von T- an. Dieses Potential kann jedoch dadurch verschoben werden, dass jeweils die Energiespeicherzellen 5 eines oder mehrere Energiespeichermodule 4 eines jeden Energieversorgungszweiges 3 durch entsprechende Ansteuerung der zugehörigen Koppeleinheiten 6 dauerhaft oder getaktet mit positiver oder negativer Polung in den jeweiligen Energieversorgungszweig 3 geschaltet werden. Die Spannungen an den Energieversorgungszweigen 3 werden somit jeweils auf einen Wert erhöht bzw. erniedrigt, welcher überhalb bzw. unterhalb eines aktuell zur Energieversorgung der elektrischen Maschine 1 benötigten Spannungswerts liegt. Die eigentliche Funktion des steuerbaren ersten Energiespeichers 2 kann durch die übrigen Energiespeichermodule 4 gewährleistet werden. Um eine dadurch bewirkte Reduzierung des für den motorischen Betrieb der elektrischen Maschine nutzbaren Spannungshubes zu vermeiden, kann pro Energieversorgungszweig zumindest ein zusätzliches Energiespeichermodul 4 vorgesehen sein, welches speziell dem Zweck der Energieeinspeisung in den Zwischenkreis 10 dient. In 1 sind derartige ”Zusatzmodule” durch den Block 9 angedeutet.
Die zur Energieeinspeisung in den Zwischenkreis 10 zugeschalteten Energiespeichermodule 4 eines Energieversorgungszweiges 3 können auch während des Betriebs gewechselt werden, um eine gleichmäßige Belastung der Energiespeicherzellen 4 sicherzustellen. Sobald ein Laststrom aus dem Sternpunkt S gezogen wird, verschieben sich die sinusförmigen Ströme in den Energieversorgungszweigen 3 um jeweils ein Drittel des Betrags dieses Laststroms nach oben. Aufgrund der Ansteuerung des steuerbaren ersten Energiespeichers 2 mit Pulsweitenmodulation ergeben sich am Sternpunkt S positive und negative, rechteckige Spannungsblöcke mit der Ansteuerfrequenz. Diese können einfach durch einen Filter 11 mit niedriger Eckfrequenz geglättet werden, welcher zwischen die elektrische Maschine 1 und die Bezugsschiene T- einerseits und den Zwischenkreis 10 andererseits geschaltet ist.
An den Zwischenkreis 10 können unmittelbar Mittelspannungsverbraucher 12 angekoppelt werden, welche dann aus dem Zwischenkreis 10 mit elektrischer Energie versorgt werden. Um auch die Energieversorgung von Niederspannungsverbrauchern 13 zu ermöglichen, ist dem Zwischenkreis 10 ein erster Gleichspannungswandler 14 nachgeschaltet, welcher ein erstes Mittelspannungsniveau des Zwischenkreises 10 an ein zweites Niederspannungsniveau eines zweiten Energiespeichers 15 anpasst. An den zweiten Energiespeicher 15 können dann unmittelbar Niederspannungsverbraucher 12 angekoppelt werden, welche aus diesem mit elektrischer Energie versorgt werden.
Ist, z. B. aus Sicherheitsgründen eine galvanische Trennung des Niederspannungsnetzes von dem Zwischenkreis 10 erforderlich, kann der erste Gleichspannungswandler auch mit galvanischer Trennung ausgeführt sein.
2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems. Dieses unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass das Filter 11 durch einen zweiten Gleichspannungswandler 20 ersetzt ist, welcher in der dargestellten Ausführungsform als Hochsetzsteller ausgebildet ist. Dies bietet die Möglichkeit, am Zwischenkreis 10 ein höheres Spannungsniveau vorzusehen als am Sternpunkt S, so dass aus dem Zwischenkreis 10 z. B. unmittelbar Hochvolt-Verbraucher 12' mit Energie versorgt werden können.
Wird eine Diode 21 des Hochsetzstellers 20 aus 2 durch ein steuerbares Schaltelement ersetzt, so wird ein bidirektionaler Wandler 30 realisiert, welcher in umgekehrter Richtung als Tiefsetzsteller zum Laden der Energiespeicherzellen 5 des steuerbaren ersten Energiespeichers 2 mitgenutzt werden kann (vgl. 3). Dabei kann zur Ladung z. B. ein Ladegerät 31 an den Zwischenkreis 10 angeschlossen werden, welches den Zwischenkreis 10 mit einem externen. Energieversorgungsnetz 32, insbesondere einem öffentlichen Stromnetz, verbindet. Das Ladegerät weist dabei z. B. einen Netzfilter 33, eine nachgeschaltete Leistungsfakturkorrektur 34 – häufig auch als Power Factor Correction oder Power Factor Compensation (PFC) bezeichnet – und optional auch einen weiteren Gleichspannungswandler 35 auf. Die Leistungsfakturkorrektur 34 regelt dabei den aufgenommenen Netzstrom mittels eines Leistungsschalters einem sinusförmigen Verlauf nach und minimiert dabei dessen Oberwellengehalt. Des Weiteren können auch Netzspannungsschwankungen ausgeglichen werden. Eine typische Realisierung einer PFC-Schaltung umfasst einen Brückengleichrichter sowie eine nachfolgende Hochsetzstellerstufe.
Alternativ zu einer Anhebung des sich am Sternpunkt S einstellenden Spannungspotentials durch aktives Zuschalten von Energiespeicherzellen 5 zusätzlicher Energiespeichermodule 4, kann das sich einstellende Spannungspotential auch unmittelbar, das heißt ohne Zuschaltung weiterer Energiespeicherzellen 5 genutzt werden. Sind die Koppeleinheiten 6 als Vollbrücken ausgestaltet, so treten am Sternpunkt S positive und negative, rechteckige Spannungsblöcke mit der Ansteuerfrequenz auf. In Betriebsbereichen mit lediglich einem getakteten Energiespeichermodul 4 haben diese eine Amplitude von einem Drittel der Modulspannung. Bei Nutzung mehrerer Energiespeichermodule können sich abhängig vom jeweiligen Ansteuerverfahren auch höhere Spannungen ergeben.
4 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform der Erfindung, welche die angesprochene unmittelbare Nutzung des Spannungspotentials am Sternpunkt S ermöglicht. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform lediglich dadurch, dass zwischen den Filter 11 und die elektrische Maschine 1 eine Gleichrichtereinheit 40 geschaltet ist. In der dargestellten Ausführungsvariante ist die Gleichrichtereinheit 40 als Zweiweggleichrichtung ausgestaltet. Auch eine Ausführung als Einweg-Gleichrichter ist aber denkbar. Die Möglichkeit der Nachschaltung eines weiteren Gleichspannungswandlers, z. B. in Form eines Hochsetzers, bleibt unbeeinflusst. Sind die Koppeleinheiten 6 als Halbbrücken ausgestaltet, treten am Sternpunkt S nur positive Potentiale auf, so dass auf die Gleichrichtereinheit verzichtet werden kann.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist einerseits zwischen den Sternpunkt S der elektrischen Maschine 1 und den Zwischenkreis 10 ein Hochsetzsteller 50 geschaltet. Andererseits ist der Zwischenkreis 10 mit einer Gleichstromquelle 51 verbunden. Die Gleichstromquelle 51 umfasst dabei einen an sich bekannten Reichweitenverlängerer 52 mit einem durch einen Verbrennungsmotor 53 angetrieben Wechselstromgenerator 54, welchem ein Gleichrichter 55 nachgeschaltet ist. Alternativ zu einem Wechselstromgenerator 54 mit nachgeschaltetem Gleichrichter 55 kann auch ein Gleichstromgenerator vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich zu dem Reichweitenverlängerer 52 können auch beliebige andere Gleichstromquellen, wie z. B. Brennstoffzellen und/oder Photovoltaikmodule, mit dem Zwischenkreis 10 verbunden werden.
Der in den Sternpunkt S eingespeiste Strom kann über das Tastverhältnis des Hochsetzstellers 50 eingestellt werden. Die Regelung des steuerbaren ersten Energiespeichers 2 stellt zu jedem Zeitpunkt die korrekten Spannungen an den Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 sicher. In Abhängigkeit vom aktuellen Momentanwert des Phasenstroms der elektrischen Maschine 1 fließt Strom aus dem Hochsetzsteller 50 zur Unterstützung des steuerbaren ersten Energiespeichers 2 in die elektrische Maschine 1 bzw. zum Laden in den steuerbaren ersten Energiespeicher 2. Der Hochsetzsteller 50 ermöglicht es auch, dass die Zwischenkreisspannung unterhalb einer maximalen Phasenspannung liegen kann. Eine Diode 56 des Hochsetzstellers 50 verhindert einen Rückwärtsstrom in den Zwischenkreis 10. Bei dieser Anordnung erfolgt die Speisung aller Energieversorgungszweige des steuerbaren ersten Energiespeichers gleichzeitig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010027857 [0004, 0005, 0039]
DE 102010027861 [0004, 0005, 0039]

Claims

System mit – einer n-phasigen elektrischen Maschine (1), mit n ≥ 1, welche mit Hilfe eines steuerbaren ersten Energiespeichers (2) gesteuert und mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei der steuerbare erste Energiespeicher (2) n parallele Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) aufweist, welche – einerseits mit einer Bezugsschiene (T-) verbindbar sind und – andererseits mit jeweils einer Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) verbindbar sind, und – einem Zwischenkreis (10), welcher einerseits mit einem Sternpunkt (S) der elektrischen Maschine (1) und andererseits mit der Bezugsschiene (T-) koppelbar ist.
System nach Anspruch 1, wobei zwischen die elektrische Maschine (1) und die Bezugsschiene (T-) einerseits und den Zwischenkreis (10) andererseits ein Filter (11) zur Glättung einer Zwischenkreisspannung geschaltet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei aus dem Zwischenkreis (10) elektrische Verbraucher (12; 13) unmittelbar oder mittelbar mit Gleichspannung versorgbar sind.
System nach Anspruch 3, wobei dem Zwischenkreis (10) ein erster Gleichspannungswandler (14) nachgeschaltet ist, welcher ein erstes Spannungsniveau des Zwischenkreises (10) an ein zweites Spannungsniveau eines zweiten Energiespeichers (15) anpasst.
System nach Anspruch 4, wobei der erste Gleichspannungswandler (14) als Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung ausgeführt ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen die elektrische Maschine (1) und die Bezugsschiene (T-) einerseits und den Zwischenkreis (10) andererseits ein zweiter Gleichspannungswandler (20; 30) geschaltet ist, welcher ein drittes Spannungsniveau am Sternpunkt (S) der elektrischen Maschine (1) und das erste Spannungsniveau des Zwischenkreises (10) aneinander anpasst.
System nach Anspruch 6, wobei der zweite Gleichspannungswandler (20; 30) als bidirektionaler Wandler (30) ausgestaltet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zwischenkreis (10) mit einer zusätzlichen Gleichstromquelle (31, 32; 51) verbindbar ist, welche der Energieversorgung der elektrischen Maschine (1) und/oder zum Laden des steuerbaren ersten Energiespeichers (2) dient.
System nach Anspruch 8, wobei mit dem Zwischenkreis (10) ein Ladegerät (31) verbindbar ist, welches den Zwischenkreis (10) mit einem externen Energieversorgungsnetz (32), insbesondere einem öffentlichen Stromnetz, verbindet.
System nach Anspruch 8, wobei die Gleichstromquelle (51) als Reichweitenverlängerer (52) mit einem durch einen Verbrennungsmotor (53) angetrieben Generator (54) ausgestaltet ist.
System nach Anspruch 8, wobei die Gleichstromquelle (51) mindestens eine Brennstoffzelle und/oder ein Photovoltaikmodul umfasst.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) des steuerbaren ersten Energiespeichers (2) jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule (4) aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle (5) mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit (6) umfassen, welche in Abhängigkeit von Steuersignalen die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) überbrückt oder die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) in den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1, 3-2; 3-3) schaltet.
System nach Anspruch 12, wobei die Koppeleinheiten (6) als Vollbrücken ausgestaltet sind und zwischen die elektrische Maschine (1) und die Bezugsschiene (T-) einerseits und den Zwischenkreis (10) andererseits eine Gleichrichtereinheit (40) geschaltet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Systems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei zur Energieversorgung von mittelbar oder unmittelbar an den Zwischenkreis (10) angeschlossenen elektrischen Verbrauchern (12; 13) die Spannungen an den Energieversorgungszweigen (3-1, 3-2, 3-3) jeweils auf einen Wert erhöht oder erniedrigt werden, welcher überhalb bzw. unterhalb eines aktuell zur Energieversorgung der elektrischen Maschine (1) benötigten Spannungswerts liegt.