DE102011079214B4

DE102011079214B4 - Umrichterschaltung mit zwei Umrichtern, die in Abhängigkeit von einem Zustand der Umrichterschaltung zwischen einer Parallelschaltung und einer Seriellschaltung umschaltbar sind

Info

Publication number: DE102011079214B4
Application number: DE102011079214.7A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Ing. Burger Bruno; Stefan Reichert; Jörg Huber; Michael Hofmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Daimler AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2031-07-15
Also published as: DE102011079214A1

Abstract

Umrichterschaltung (100) mit folgenden Merkmalen:einem ersten Umrichter (102) mit einem Gleichspannungsanschluss (104) und einem Wechselspannungsanschluss (106);einem zweiten Umrichter (108) mit einem Gleichspannungsanschluss (110) und einem Wechselspannungsanschluss (112);wobei die Umrichterschaltung (100) zwischen einem Antriebszustand und einem Lade-/Entladezustand umschaltbar ist;wobei die Umrichterschaltung (100) so ausgelegt ist, dass in dem Antriebszustand der Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters (102) mit dem Gleichspannungsanschluss (110) des zweiten Umrichters (108) gekoppelt ist, und dass an dem Wechselspannungsanschluss (106) des ersten Umrichters (102) und an dem Wechselspannungsanschluss (112) des zweiten Umrichters (108) basierend auf einer an dem Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters (102) und an dem Gleichspannungsanschluss (110) des zweiten Umrichters (108) anliegenden Gleichspannung jeweils ein umgerichteter Wechselstrom bereitgestellt wird,wobei die Umrichterschaltung (100) so ausgelegt ist, dass in dem Lade-/Entladezustand der erste Umrichter (102) und der zweite Umrichter (108) seriell geschaltet sind, so dass der Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters mit dem Gleichspannungsanschluss (110) des zweiten Umrichters (108) gekoppelt ist; undwobei die Umrichterschaltung (100) so ausgelegt ist, dass in dem Antriebszustand der erste Umrichter (102) und der zweite Umrichter (108) parallel geschaltet sind, so dass der Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters (102) mit dem Gleichspannungsanschluss (110) des zweiten Umrichters (108) gekoppelt ist und der Wechselspannungsanschluss (106) des ersten Umrichters (102) mit dem Wechselspannungsanschluss (112) des zweiten Umrichters (108) gekoppelt ist.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Umrichterschaltung, ein Antriebssystem und ein Verfahren zum Betrieb einer Umrichterschaltung. Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Umrichterschaltung mit zwei Umrichtern, z. B. für den Einsatz in Antriebssystemen von Elektrofahrzeugen.
Hintergrund der Erfindung
Üblicherweise kommen in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug bzw. Elektrofahrzeug mindestens zwei Umrichter zum Einsatz. Ein erster der zwei Umrichter wird als Lade-/Entladeumrichter zum Laden/Entladen der Batterie aus dem bzw. in das Stromnetz bzw. Versorgungsnetz verwendet, während ein zweiter der zwei Umrichter als Antriebsumrichter für die Traktion des Elektrofahrzeugs verwendet wird.
In der Automobilindustrie gilt es, nach Möglichkeit, das Gewicht aller Komponenten und somit auch das Gewicht des Fahrzeugs zu minimieren, um ein Fahrzeug mit einer hohen Effizienz und einem geringem Energieverbrauch anbieten zu können. Darüber hinaus kann insbesondere bei Elektrofahrzeugen durch ein geringes Gewicht eine für die Kunden akzeptable Reichweite erzielt werden. Ferner ist der Bauraum in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen stark begrenzt. Darüber hinaus ist es für die Automobilhersteller erstrebenswert, die Herstellungskosten des Elektrofahrzeugs zu reduzieren um konkurrenzfähig zu sein. Dabei ist eine Verringerung der Kosten der einzelnen Komponenten und/oder der Anzahl der teeren Komponenten von Vorteil.
In dem Artikel [SUL, S., LEE, S.: An Integral Battery Charger for Four-Wheel Drive Electric Vehicle. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, Vol. 31, 1995, No.5, S. 1096 - 1099. IEEE Xplore [online]. DOI: 10.1109/28.464524, in: IEEE] wird eine Leistungsschaltung für ein elektrisches Fahrzeug mit Allradantrieb beschrieben, wobei die Leistungsschaltung vier Umrichter und vier elektrische Maschinen umfasst.
In der DE 10 2009 000 096 A1 wird ein Verfahren für die Steuerung einer Stromversorgungseinrichtung für mindestens eine elektrische Maschine, mit mindestens einer Speichereinrichtung für elektrische Energie und mit einem mindestens eine Drossel umfassenden Wechselrichter, wobei der Wechselrichter in Doppelfunktion für die Ladung der Speichereinrichtung aus einem insbesondere ortsfesten Stromnetz und für die Versorgung der elektrischen Maschine im Fahrbetrieb mit Wechselstrom vorgesehen ist, beschrieben.
In der US 2006 / 0 043 922 A1 wird eine Motorsteuerung zum Antreiben von mehrphasigen dynamoelektrischen Wechselstrommaschinen von einer Gleichstromquelle, die zwei Wechselrichterbrücken verwendet, die mit einer symmetrischen Zustandssequenz der Zustandsvektormodulation gesteuert werden, beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Umrichterkonzept zu schaffen, dass einen verbesserten Kompromiss bezüglich Kosten, Effizienz und Bauraum aufweist und die Anforderungen an die Lade- und Antriebsfunktionen erfüllt.
Diese Aufgabe wird durch eine Umrichterschaltung gemäß Anspruch 1, ein Antriebssystem gemäß Anspruch 14 und ein Verfahren zum Betrieb einer Umrichterschaltung gemäß Anspruch 15 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Umrichterschaltung mit einem ersten Umrichter mit einem Gleichspannungsanschluss und einem Wechselspannungsanschluss, und einem zweiten Umrichter mit einem Gleichspannungsanschluss und einem Wechselspannungsanschluss, wobei die Umrichterschaltung zwischen einem Antriebszustand und einem Lade-/Entladezustand umschaltbar ist. Die Umrichterschaltung ist so ausgelegt, dass in dem Antriebszustand der Gleichspannungsanschluss des ersten Umrichters mit dem Gleichspannungsanschluss des zweiten Umrichters gekoppelt ist, und dass an dem Wechselspannungsanschluss des ersten Umrichters und an dem Wechselspannungsanschluss des zweiten Umrichters basierend auf einer an dem Gleichspannungsanschluss des ersten Umrichters und an dem Gleichspannungsanschluss des zweiten Umrichters anliegenden Gleichspannung jeweils ein umgerichteter Wechselstrom bereitgestellt wird. Ferner ist die Umrichterschaltung so ausgelegt, dass in dem Lade-/Entladezustand der erste Umrichter und der zweite Umrichter seriell geschaltet sind, so dass der Gleichspannungsanschluss des ersten Umrichters mit dem Gleichspannungsanschluss des zweiten Umrichters gekoppelt ist.
Es ist ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, dass die Umschaltung zwischen dem Antriebszustand und dem Lade-/Entladezustand es ermöglicht, die Umrichterschaltung sowohl für den Antrieb eines Elektrofahrzeugs als auch für das Laden/Entladen eines elektrischen Energiespeichers des Elektrofahrzeugs zu verwenden, obwohl sich die Anforderungen an die Umrichterschaltung in dem Antriebszustand und in dem Lade-/Entladezustand deutlich unterscheiden.
In dem Antriebszustand ist es z. B. erforderlich, eine hohe Antriebsleistung über die Umrichterschaltung zu übertragen, während es in dem Lade-/Entladezustand z. B. erforderlich ist, eine hohe Spannung eines Versorgungsnetzes an eine niedrigere Spannung des elektrischen Energiespeichers anzupassen.
Bei Ausführungsbeispielen ist die Umrichterschaltung, wie bereits erwähnt, zwischen dem Antriebszustand und dem Lade-/Entladezustand umschaltbar. In dem Antriebszustand der Umrichterschaltung ist der Gleichspannungsanschluss des ersten Umrichters mit dem Gleichspannungsanschluss des zweiten Umrichters gekoppelt. Ferner wird in dem Antriebszustand an dem Wechselspannungsanschluss des ersten Umrichters und an dem Wechselspannungsanschluss des zweiten Umrichters jeweils ein umgerichteter Wechselstrom, z. B. für eine elektrische Maschine, bereitgestellt, der auf einer an dem Gleichspannungsanschluss des ersten Umrichters und an dem Gleichspannungsanschluss des zweiten Umrichters anliegenden Gleichspannung, z. B eines elektrischen Energiespeichers, basiert. In dem Antriebszustand der Umrichterschaltung sind der erste Umrichter und der zweite Umrichter parallel geschaltet, so dass eine Gleichspannung, z. B. eines elektrischen Energiespeichers, die an dem Gleichspannungsanschluss des ersten Umrichters und an dem Gleichspannungsanschluss des zweiten Umrichters anliegt, in eine Wechselspannung, z. B. für eine elektrische Maschine, an dem Wechselspannungsanschluss des ersten Umrichters und dem Wechselspannungsanschluss des zweiten Umrichters gewandelt wird. Die übertragene Antriebsleistung teilt sich in dem Antriebszustand somit auf den ersten Umrichter und auf den zweiten Umrichter auf, wodurch in dem Antriebszustand eine hohe Antriebsleistung über die Umrichterschaltung übertragbar ist.
In dem Lade-/Entladezustand der Umrichterschaltung sind der erste Umrichter und der zweite Umrichter in Serie geschaltet, so dass der Gleichspannungsanschluss des ersten Umrichters mit dem Gleichspannungsanschluss des zweiten Umrichters gekoppelt ist. Eine an dem Wechselspannungsanschluss des zweiten Umrichters anliegende Wechselspannung, z. B. eines Netzanschlusses eines Versorgungsnetzes, wird von dem zweiten Umrichter in eine Gleichspannung gewandelt. In dem Lade-/Entladezustand kann die Gleichspannung an dem Gleichspannungsanschluss des zweiten Umrichters als Zwischenkreisspannung für den nachgeschalteten ersten Umrichter dienen, wobei die Funktionsweise des ersten Umrichters der Funktionsweise eines DC/DC-Wandlers entsprechen kann. Dabei ist der Gleichspannungsanschluss des ersten Umrichters in dem Lade-/Entladezustand mit dem Gleichspannungsanschluss des zweiten Umrichters gekoppelt, so dass von dem ersten Umrichter basierend auf einer an dem Gleichspannungsanschluss des zweiten Umrichters anliegenden Gleichspannung in getakteter Weise in einen Ladestrom an dem Wechselspannungsanschluss des ersten Umrichters, z. B. für einen elektrischen Energiespeicher, bereitgestellt wird. In anderen Worten, in dem Lade-/Entladezustand ist es möglich, eine hohe Differenz zwischen der Spannung des Versorgungsnetzes und der Spannung des elektrischen Energiespeichers zu überwinden, indem z. B. einer der Umrichter als geschalteter Gleichrichter wirkt und der andere Umrichter als DC/DC-Wandler wirkt.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Umrichterschaltung mit zwei Umrichtern führt im Vergleich zu der herkömmlichen Verwendung von zwei unabhängigen Umrichtern zu geringeren Kosten für die Umrichterschaltung. Durch die doppelte Nutzung der zwei Umrichter kann es vermieden werden, den einen Umrichter ausschließlich als Lade-/Entladeumrichter zum Laden/Entladen des elektrischen Energiespeichers auszulegen, und den anderen Umrichter ausschließlich als Antriebsumrichter für die Traktion des Elektrofahrzeugs auszulegen. Darüber hinaus führt der Einsatz der erfindungsgemäßen Umrichterschaltung zu einem geringeren Gewicht (z.B. der zwei Umrichter bzw. der gesamten Umrichterschaltung), was wiederum zu einer erhöhten Reichweite und somit zu einer Effizienzsteigerung des Elektrofahrzeugs führt. Des Weiteren führt die Verwendung der erfindungsgemäßen Umrichterschaltung zu geringeren Anforderungen an den Bauraum bzw. zu geringeren Platzbedürfnissen.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Umrichterschaltung einen Anschluss für eine elektrische Maschine aufweisen, wobei die Umrichterschaltung so ausgelegt ist, dass in dem Antriebszustand der Wechselspannungsanschluss des ersten Umrichters und der Wechselspannungsanschluss des zweiten Umrichters mit dem Anschluss für die elektrische Maschine gekoppelt sind. Alternativ kann die Umrichterschaltung einen Anschluss für eine erste elektrische Maschine und einen Anschluss für eine zweite elektrische Maschine aufweisen, wobei die Umrichterschaltung so ausgelegt ist, dass in dem Antriebszustand der Wechselspannungsanschluss des ersten Umrichters mit dem Anschluss für die erste elektrische Maschine und der Wechselspannungsanschluss des zweiten Umrichters mit dem Anschluss für die zweite elektrische Maschine gekoppelt ist. Ferner kann die Umrichterschaltung einen Anschluss für einen Energiespeicher aufweisen, wobei die Umrichterschaltung so ausgelegt ist, dass in dem Antriebszustand der Gleichspannungsanschluss des ersten Umrichters und der Gleichspannungsanschluss des zweiten Umrichters mit dem Anschluss für den Energiespeicher gekoppelt sind. In dem Antriebszustand ist die Parallelschaltung des ersten Umrichters und des zweiten Umrichters somit insbesondere für die Übertragung einer hohen Antriebsleistung geeignet.
Darüber hinaus kann die Umrichterschaltung eine Filterdrossel aufweisen, wobei die Umrichterschaltung so ausgelegt ist, dass in dem Lade-/Entladezustand die Filterdrossel in Serie zwischen dem Wechselspannungsanschluss des ersten Umrichters und dem Anschluss für den Energiespeicher geschaltet ist. Dabei kann die Umrichterschaltung ausgelegt sein, um in dem Lade-/Entladezustand basierend auf einer an dem Gleichspannungsanschluss des ersten Umrichters anliegenden Gleichspannung in getakteter Weise einen Ladestrom an den Anschluss für den Energiespeicher bereitzustellen, wobei eine Gleichspannung an dem Gleichspannungsanschluss des ersten Umrichters größer ist als eine Gleichspannung an dem Anschluss für den Energiespeicher. Somit kann der erste Umrichter z. B. als getakteter DC/DC-Wandler wirken. Des Weiteren kann die Umrichterschaltung einen Netzfilter und einen Netzanschluss aufweisen, wobei die Umrichterschaltung so ausgelegt ist, dass in dem Lade-/Entladezustand der Netzfilter in Serie zwischen dem Wechselspannungsanschluss des zweiten Umrichters und dem Netzanschluss geschaltet ist.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1a ein Blockschaltbild einer Umrichterschaltung mit zwei Umrichtern, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
1b ein Ersatzschaltbild der Umrichterschaltung gemäß 1a in dem Antriebszustand;
1c ein Ersatzschaltbild der Umrichterschaltung gemäß 1a in dem Lade-/Entladezustand;
2a ein Blockdiagramm einer Umrichterschaltung mit zwei Umrichtern, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2b ein Ersatzschaltbild der Umrichterschaltung gemäß 2a in dem Antriebszustand;
2c ein Ersatzschaltbild der Umrichterschaltung gemäß 2c in dem Lade-/Entladezustand; und
3 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Umrichterschaltung mit zwei Umrichtern aus 2a.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Gleiche oder gleichwirkende Elemente werden in der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
1. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a
1a zeigt ein Blockschaltbild einer Umrichterschaltung 100. Die Umrichterschaltung 100 weist einen ersten Umrichter (Wechselrichter) 102 mit einem Gleichspannungsanschluss 104 und einem Wechselspannungsanschluss 106 und einen zweiten Umrichter (Wechselrichter) 108 mit einem Gleichspannungsanschluss 110 und einem Wechselspannungsanschluss 112 auf, wobei die Umrichterschaltung 100 zwischen einem Antriebszustand und einem Lade-/Entladezustand umschaltbar ist. Dabei ist die Umrichterschaltung 100 so ausgelegt, dass in dem Antriebszustand der Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 mit dem Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 gekoppelt ist, und dass an dem Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 und an dem Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 basierend auf einer an dem Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 und an dem Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 anliegenden Gleichspannung jeweils ein umgerichteter Wechselstrom bereitgestellt wird. Ferner ist die Umrichterschaltung 100 so ausgelegt, dass in dem Lade-/Entladezustand der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 seriell geschaltet sind, so dass der Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters mit dem Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 gekoppelt ist.
Bei Ausführungsbeispielen kann in dem Antriebszustand der Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters und der Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters mit einem elektrischen Energiespeicher gekoppelt sein, während der Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 und der Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 mit einer elektrischen Maschine gekoppelt sein kann. Alternativ kann der Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 mit einer ersten elektrischen Maschine und der Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 mit einer zweiten elektrischen Maschine gekoppelt sein.
1b zeigt ein Ersatzschaltbild der Umrichterschaltung 100 mit den zwei Umrichtern 102 und 108 in dem Antriebszustand. Die Umrichterschaltung 100 kann so ausgelegt sein, dass in dem Antriebszustand der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 parallel geschaltet sind, so dass der Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 mit dem Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 gekoppelt ist und der Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 mit dem Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 gekoppelt ist. Dabei kann der Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 mit dem Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 direkt, z. B. über eine Zuleitung, gekoppelt sein. Alternativ kann die Kopplung auch über ein aktives oder passives elektrisches Bauelement erfolgen. Die Kopplung des Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 mit dem Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 kann ebenfalls direkt, z. B. über eine Zuleitung, oder über ein passives oder ein aktives elektrisches Bauelement erfolgen. Ganz allgemein kann bei allen Ausführungsbeispielen eine Kopplung direkt, z. B. über eine Zuleitung oder ein Kabel, über ein aktives elektrisches Bauelement, z. B. über ein Relais, ein Schütze, einen Schalter, einen Transistor oder einen MOSFET (MOSFET = metal oxide semiconductor field-effect transistor, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), oder über ein passives elektrisches Bauelement, z. B. über einen Widerstand oder eine Diode, erfolgen.
In dem Antriebszustand wird durch die Parallelschaltung des ersten Umrichters 102 und des zweiten Umrichters 108 eine Gleichspannung, die an dem Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters und an dem Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters anliegt, in eine Wechselspannung gewandelt, wobei die Wechselspannung an dem Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 und an dem Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 anliegt. Ferner können in dem Antriebszustand der Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters und der Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters mit einem elektrischen Energiespeicher gekoppelt sein, während der Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 und der Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 mit einer elektrischen Maschine gekoppelt sein können. Die über die zwei Umrichter 102 und 108 übertragene Antriebsleistung teilt sich in dem Antriebszustand somit auf den ersten Umrichter 102 und auf den zweiten Umrichter 108 auf. In anderen Worten, der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 führen jeweils nur einen Teil (z. B. eine Hälfte) des Antriebsstroms. Der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 sind aufgrund dessen z. B. nur noch auf die halbe Antriebsleistung bzw. auf den halben Antriebsstrom auszulegen.
1c zeigt ein Ersatzschaltbild der Umrichterschaltung 100 mit den zwei Umrichtern 102 und 108 im Lade-/Entladezustand. Die Umrichterschaltung 100 ist so ausgelegt, dass in dem Lade-/Entladezustand der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 seriell geschaltet sind, so dass der Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 mit dem Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 gekoppelt ist. Im Lade-/Entladezustand kann der Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 z. B. über eine Filterdrossel mit einem elektrischen Energiespeicher, wie z. B. einer Batterie oder einem Akkumulator, gekoppelt sein, wobei der Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 z. B. mit einem Netz bzw. Versorgungsnetz gekoppelt sein kann. Bevorzugt ist der Wechselspannungsanschluss des ersten Umrichters in dem Lade-/Entladezustand mit dem selben Energiespeicher gekoppelt, der in dem Antriebszustand mit den Gleichspannungsanschlüssen 104, 110 der Umrichter 102,108 gekoppelt ist.
In dem Lade-/Entladezustand wird eine Wechselspannung an dem Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 in eine Gleichspannung an den Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 gewandelt (bzw. es wird durch den zweiten Umrichter basierend auf der an dem Wechselspannungsanschluss 112 anliegenden Wechselspannung eine Gleichspannung an den Gleichspannungsanschlüssen 104, 110 der Umrichter 102, 108 bereitgestellt) . Der Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 kann direkt, z. B. über eine Zuleitung, oder über ein aktives oder passives elektrisches Bauelement mit dem Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 gekoppelt sein. Dabei kann der erste Umrichter 102 ausgebildet sein, um basierend auf einer an dem Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 anliegenden Gleichspannung in getakteter Weise einen Ladestrom an dem Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102, z. B. für den elektrischen Energiespeicher, bereitzustellen. Dabei kann eine Gleichspannung an dem Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 größer sein als eine durch eine Filterdrossel geglättete Gleichspannung an dem elektrischen Energiespeicher.
Die Umrichterschaltung 100 kann ferner elektrische Schalter, wie z. B. Relais oder Schütze, aufweisen, um in dem Antriebszustand den ersten Umrichter 102 und den zweiten Umrichter 108, wie in 1b gezeigt, parallel zu schalten, und um den ersten Umrichter 102 und den zweiten Umrichter 108, wie in 1c gezeigt, in dem Lade-/Entladezustand seriell zu schalten.
Ein erster elektrischer Schalter kann dabei mit dem Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 gekoppelt sein, wobei der erste elektrische Schalter ausgebildet sein kann, um den Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 in dem Antriebszustand z. B. mit einer elektrischen Maschine zu koppeln, und um den Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 in dem Lade-/Entladezustand z. B. über eine Filterdrossel mit einem elektrischen Energiespeicher zu koppeln.
Ein zweiter elektrischer Schalter kann mit dem Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 gekoppelt sein, wobei der zweite elektrische Schalter ausgebildet sein kann, um den Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 in dem Antriebszustand z. B. mit einer elektrischen Maschine zu koppeln, und um den Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 in dem Lade-/Entladezustand z. B. über einen Netzanschluss mit einem Versorgungsnetz zu koppeln.
Ein dritter elektrischer Schalter kann mit dem Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 und mit dem Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 gekoppelt sein, wobei der dritte elektrische Schalter ausgebildet sein kann, um den Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 und den Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 nur in dem Lade-/Entladezustand mit einem elektrischen Energiespeicher zu koppeln.
2. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a
Im Folgenden wird anhand der 2a, 2b und 2c ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung beschrieben.
2a zeigt ein Blockschaltbild einer Umrichterschaltung 100 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Zur Erleichterung des Verständnisses wird zunächst anhand von 2b der Antriebszustand und anhand von 2c der Lade-/Entladezustand des in 2a gezeigten Ausführungsbeispiels der Umrichterschaltung 100 näher erläutert.
2b zeigt ein Ersatzschaltbild der Umrichterschaltung 100 gemäß 2a in dem Antriebszustand. In dem Antriebszustand sind der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 parallel geschaltet, so dass der Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 mit dem Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 gekoppelt ist und der Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 mit dem Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 gekoppelt ist.
Die Umrichterschaltung 100 kann ferner einen Anschluss 114 für eine elektrische Maschine 116 aufweisen, wobei die Umrichterschaltung 100 so ausgelegt ist, dass in dem Antriebszustand der Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 und der Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 mit dem Anschluss 114 für die elektrische Maschine 116 gekoppelt sind. Darüber hinaus können der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 beispielsweise dreiphasige Umrichter sein, und dementsprechend jeweils drei Wechselspannungsanschlüsse aufweisen, die z. B. mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine, wie z. B. einer Asynchronmaschine (ASM), gekoppelt sein können.
Des Weiteren kann die Umrichterschaltung 100 einen Anschluss 118 für einen elektrischen Energiespeicher 120 aufweisen, wobei die Umrichterschaltung 100 so ausgelegt ist, dass in dem Antriebszustand der Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 und der Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 mit dem Anschluss 118 für den Energiespeicher 120 gekoppelt sind. Die Umrichterschaltung kann ferner einen zweiten bzw. negativen Anschluss für den elektrischen Energiespeicher 120 aufweisen. Der zweite Anschluss für den elektrischen Energiespeicher kann als Bezugspotential (z. B. Masse) dienen und darüber hinaus mit einem Bezugspotentialanschluss bzw. zweiten Gleichspannungsanschluss des ersten Umrichters 102 und mit einem Bezugspotentialanschluss bzw. zweiten Gleichspannungsanschluss des zweiten Umrichters 108 gekoppelt sein.
Der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 können somit aus (bzw. basierend auf) einer Gleichspannung, die an dem Anschluss 118 für den elektrischen Energiespeicher 120 anliegt, eine Wechselspannung an dem Anschluss 114 für die elektrische Maschine 116 erzeugen.
Im Folgenden wird kurz dargelegt, wie der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 eine Gleichspannung in eine Wechselspannung wandeln. Bei Ausführungsbeispielen können der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 eine Brückenschaltung aus elektrischen Ventilen aufweisen. Die elektrischen Ventile können dabei steuerbar bzw. schaltbar oder nicht steuerbar bzw. nicht schaltbar sein. Steuerbare elektrische Ventile sind z. B. Transistoren, MOSFETs und IGBTs (IGBT = insulated gate bipolar transistor, Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), während z. B. eine Freilaufdiode ein nicht steuerbares elektrisches Ventil ist.
Im einfachsten Fall weisen der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 jeweils eine Brückenschaltung aus zwei elektrisch steuerbaren Ventilen auf. Bei einer Brückenschaltung aus zwei elektrisch steuerbaren Ventilen können die Ventile jeweils in Serie zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 104, 110 der Umrichter 102, 108 und den Bezugspotentialanschlüssen bzw. zweiten Gleichspannungsanschlüssen der Umrichter 102, 108 geschaltet sein. Durch (abwechselndes) Schalten der elektrisch steuerbaren Ventile der Brückenschaltung kann jeweils an einem Anschluss zwischen den beiden Ventilen eine Wechselspannung erzeugt bzw. abgegriffen werden, wobei die Wechselspannung abwechselnd den Wert der Gleichspannung an den Gleichspannungsanschlüssen 104, 110 der Umrichter 102, 108 und den Wert des Bezugspotentials bzw. der Gleichspannung am zweiten Gleichspannungsanschluss bzw. an zweiten Gleichspannungsanschlüssen annehmen kann. Die Wechselspannungsanschlüsse 102, 108 der Umrichter 102, 108 können daher jeweils mit dem Anschluss zwischen den beiden Ventilen der jeweiligen Brückenschaltung gekoppelt sein.
Bei einer ohmsch-induktiven Last, wie z. B. bei einer elektrischen Maschine, sind darüber hinaus im einfachsten Fall zwei Freilaufdioden vorhanden (bzw. sogar erforderlich), die z. B. jeweils antiparallel zu den elektrisch steuerbaren Ventilen geschaltet sind. In anderen Worten, die Umrichter 102, 108 ermöglichen es, durch geeignetes Takten der elektrischen Ventile eine Gleichspannung an den Gleichspannungsanschlüssen 104, 110 der Umrichter 102, 108 in eine Wechselspannung an den Wechselspannungsanschlüssen der Umrichter 102, 108 zu wandeln.
Die Umrichterschaltung 100 kann optional so ausgelegt sein, dass in dem Antriebszustand elektrische Ventile des ersten Umrichters 102 und elektrische Ventile des zweiten Umrichters 108 synchron angesteuert bzw. getaktet werden, so dass sich eine übertragene Antriebsleistung (z.B. gleichmäßig) auf den erstem Umrichter 102 und auf den zweiten Umrichter 108 aufteilt. Des Weiteren kann die Umrichterschaltung 100 so ausgelegt sein, dass in dem Antriebszustand die elektrischen Ventile des ersten Umrichters 102 und die elektrischen Ventile des zweiten Umrichters 108 basierend auf einer Pulsweitenmodulation angesteuert werden. Für die Pulsweitmodulation kann z. B. eine Sinus-Dreieck-Modulation, eine Raumzeiger-Modulation oder ein beliebiges Unterschwingungsverfahren verwendet werden. So kann der Umrichterschaltung 100 z. B. eine Sollwertspannung für die Wechselspannung (bzw. für einen Kurzzeit-Mittelwert der Wechselspannung) an den Wechselspannungsanschlüssen 106 und 112 des ersten Umrichters 102 und des zweiten Umrichters 108 vorgegeben werden, wobei basierend auf der Pulsweitenmodulation die vorgegebene Sollwertspannung durch geeignetes Schalten bzw. Takten der Ventile des ersten Umrichters 102 und des zweiten Umrichters 108 an den Wechselspannungsanschlüssen 106 und 112 nachgebildet wird.
Grundsätzlich können der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 als B6-Brücke oder auch als Multilevel-Umrichter, z. B. NPC, ausgeführt werden.
2c zeigt ein Ersatzschaltbild der Umrichterschaltung 100 mit zwei Umrichtern 102 und 108 in einem Lade-/Entladezustand. In dem Lade-/Entladezustand sind der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 seriell geschaltet, so dass der Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters mit dem Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 gekoppelt ist.
Die Umrichterschaltung 100 kann ferner eine Filterdrossel (in 2c nicht gezeigt) aufweisen, wobei die Umrichterschaltung 100 so ausgelegt sein kann, dass in dem Lade-/Entladezustand die Filterdrossel in Serie zwischen den Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 und den Anschluss 118 für den Energiespeicher 120 geschaltet ist, und wobei die Umrichterschaltung 100 ausgelegt sein kann, um in dem Lade-/Entladezustand basierend auf einer an dem Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 anliegenden Gleichspannung in getakteter Weise einen Ladestrom an dem Anschluss 118 für den Energiespeicher bereitzustellen, wobei eine Gleichspannung an dem Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 größer ist als eine Gleichspannung an dem Anschluss 118 für den Energiespeicher 120.
Ferner kann die Umrichterschaltung 100 einen Netzfilter 122 und einen Netzanschluss 124 zum Anschluss mit einem Netz 126 aufweisen, wobei die Umrichterschaltung 100 so ausgelegt ist, dass in dem Lade-/Entladezustand der Netzfilter 122 in Serie zwischen dem Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 und dem Netzanschluss 124 geschaltet ist. Der Netzfilter kann z. B. ein LCL-Filter (wie in 2c gezeigt), ein CLC-Filter oder ein anderer Netzfilter sein.
Des Weiteren kann die Umrichterschaltung 100 so ausgelegt sein, dass in dem Lade-/Entladezustand eine an dem Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 anliegende Wechselspannung in eine an dem Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 anliegende Gleichspannung gewandelt wird (bzw. dass basierend auf der an dem Wechselspannungsanschluss 112 anliegenden Wechselspannung eine an dem Gleichspannungsanschluss 110 anliegende Wechselspannung bereitgestellt wird), und eine an dem Gleichspannungsanschluss des ersten Umrichters 102 anliegende Gleichspannung in getakteter Weise in einen Ladestrom an dem Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 gewandelt wird (bzw. basierend auf der an dem Gleichspannungsanschluss 104 anliegenden Gleichspannung ein Ladestrom an dem Wechselspannungsanschluss 106 bereitgestellt wird). Dabei kann die von dem zweiten Umrichter 108 bereitgestellte Gleichspannung als Eingangsspannung für den ersten Umrichter 102 dienen. Ferner kann eine Gleichspannung an dem Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 größer sein als eine durch die Filterdrossel (in Verbindung mit dem Energiespeicher) geglättete Gleichspannung an dem Anschluss 118 für den elektrischen Energiespeicher 120. Die Funktionsweise des ersten Umrichters 102 und der Filterdrossel kann durch eine entsprechende Ansteuerung der elektrischen Ventile des ersten Umrichters 102 der Funktionsweise eines (bidirektionalen) DC/DC-Wandlers entsprechen, der als buck oder boost converter (je nach Leistungsflussrichtung) arbeitet.
Darüber hinaus können der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 bevorzugt jeweils dreiphasige Umrichter sein, wobei der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 jeweils drei Wechselspannungsanschlüsse aufweisen können. Durch den Einsatz von dreiphasigen Umrichtern ist es möglich, aus (bzw. basierend auf) der Gleichspannung, die am Anschluss 118 für den elektrischen Energiespeicher 120 anliegt, eine dreiphasige Versorgungsspannung für die elektrische Maschine 116 zu erzeugen. Die elektrische Maschine 116 kann daher z. B. eine Synchron-Maschine oder, wie in 2a und 2b gezeigt, eine Asynchron-Maschine (ASM) sein. Ferner können der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108, wie in 2a, 2b und 2c gezeigt, jeweils einen zweiten Gleichspannungsanschluss, z. B. für den Anschluss eines Bezugspotentials, aufweisen.
Des Weiteren können der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 jeweils eine B6-Brückenschaltung mit drei Brückenzweigen aufweisen. In dem Lade-/Entladezustand können die drei Brückenzweige des ersten Umrichters 102 jeweils als (bidirektionale) DC/DC-Wandler angesteuert werden, die als buck oder boost converter (je nach Leistungsflussrichtung) arbeiten. Natürlich ist es auch ausreichend, wenn der erste Umrichter als unidirektionaler DC/DC-Wandler angesteuert wird.
Bedingt durch die getaktete Ansteuerung der Umrichterschaltung 100 können in dem Lade-/Entladezustand Stromrippel entstehen. Zur Reduzierung der Stromrippel kann die Umrichterschaltung 100 so ausgelegt sein, dass in dem Lade-/Entladezustand die drei Brückenzweige des ersten Umrichters 102 phasenverschoben angesteuert werden, so dass Stromrippel der drei Brückenzweige durch eine phasenverschobene Überlagerung der Stromrippel in Summe reduziert werden.
Die Umrichterschaltung kann ferner einen oder zwei Zwischenkreiskondensatoren aufweisen, wobei die zwei Zwischenkreiskondensatoren in Serie als geteilter Zwischenkreis oder parallel als ein Zwischenkreis mit dem Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 und mit dem Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 gekoppelt sind.
2a zeigt ein Blockschaltbild der Umrichterschaltung 100 mit den zwei Umrichtern 102 und 108, wobei die Umrichterschaltung durch elektrische Schalter von dem in 2b gezeigten Antriebszustand in den in 2c gezeigten Lade-/Entladezustand umgeschaltet werden kann. Die elektrischen Schalter können z. B. Schütze oder, wie in 2a gezeigt, Relais sein.
Ein erster elektrischer Schalter 128 kann mit dem Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 gekoppelt sein, wobei der erste elektrische Schalter 128 ausgebildet sein kann, um den Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 in den Antriebszustand (Schalterstellung 1) mit dem Anschluss 114 für die elektrische Maschine 116 zu koppeln, und um den Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 in dem Lade-/Entladezustand (Schalterstellung 2), z. B. über die Filterdrossel (in 2a nicht gezeigt), mit dem Anschluss 118 für den elektrischen Energiespeicher 120 zu koppeln.
Ein zweiter elektrischer Schalter 130 kann mit dem Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 gekoppelt sein, wobei der zweite elektrische Schalter ausgebildet sein kann, um den Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 in dem Antriebszustand (Schalterstellung 1) mit dem Anschluss 114 für die elektrische Maschine 116 zu koppeln, und um den Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 in dem Lade-/Entladezustand (Schalterstellung 2) mit dem Netzanschluss 124 für das Netz 126 zu koppeln (bzw. um den Wechselspannungsanschluss 112 in dem Lade-/Entladezustand mit einem ersten Anschluss eines LCL-Filters 122 zu koppeln, wobei ein zweiter Anschluss des LCL-Filters mit dem Netzanschluss 124 gekoppelt ist).
Ein dritter elektrischer Schalter 132 kann mit dem Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 und mit dem Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 gekoppelt sein, wobei der dritte elektrische Schalter 132 ausgebildet sein kann, um den Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 und den Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters nur in dem Antriebszustand (Schalterstellung 1) mit dem Anschluss 118 für den elektrischen Energiespeicher 120 zu koppeln, und um den Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 und den Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters in dem Lade-/Entladezustand (Schalterstellung 2) nicht mit dem Anschluss 118 für den elektrischen Energiespeicher 120 zu koppeln.
Im Folgenden werden einige wichtige Überlegungen im Hinblick auf die Umrichterschaltung 100 kurz zusammengefasst, um das Verständnis der Umrichterschaltung zu verbessern.
In herkömmlichen Elektrofahrzeugen sind die zwei Umrichter die zum Laden/Entladen bzw. zur Traktion verwendet werden, typischerweise von ihrer Topologie ähnlich (dreiphasig). Gemäß dem Konzept der vorliegenden Erfindung ist es aus Kosten-, Effizienz- und Platzgründen von Vorteil, die verwendete Umrichterleistung und deren Anzahl (also z.B. die Anzahl der Umrichterkomponenten) zu minimieren.
So wurde erkannt, dass ein Elektrofahrzeug üblicherweise nicht geladen wird, während es sich bewegt, und dass somit eine zeitliche Überschneidung der geforderten Antriebs- und Ladefunktion nicht besteht.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden die zwei Umrichter 102 und 108 in der Weise eingesetzt, dass (in umschaltbarer Weise, je nach Zustand der Umrichterschaltung) die Anforderungen an die Lade- und die Antriebsfunktion erfüllt werden.
Traktionsbatteriesysteme bzw. elektrische Antriebssysteme verfügen (zumindest in manchen Fällen) über eine geringe Systemspannung bzw. Batteriespannung (Spannung des elektrischen Energiespeichers 120), so dass es oft von Vorteil ist, einen zweistufigen Umrichter zwischen Netz 126 und Batterie 120 zur Ladung und (bevorzugt, aber nicht notwendigerweise) Entladung einzusetzen. Darüber hinaus wird oftmals im Gegensatz zur Ladeleistung eine größere Antriebsleistung benötigt. Daraus ergeben sich für die Lade- und die Antriebsumrichter beispielsweise folgende Anforderungen:

Antriebsumrichter: dreiphasig, einstufig, zweifache Leistung;

Lade/Entladeumrichter: dreiphasig, zweistufig, einfache Leistung.
Die zwei Umrichter 102 und 104 (2a) werden, um den zuvor genannten Anforderungen zu entsprechen, zum einen in parallel (Antriebszustand gemäß 2b bzw. Schalterstellung 1) und zum anderen in Serie (Lade-/Entladezustand gemäß 2c bzw. Schalterstellung 2) verschaltet. Dadurch wird (in umschaltbarer Weise) zum einen die Spannungsanpassung (Netz 126/Batterie 120) durch einen zweistufigen Umrichter (Serienschaltung des ersten Umrichters 102 und des zweiten Umrichters 108) und zum anderen die hohe Leistungsanforderung für die Antriebsumrichter durch zwei parallele Umrichter (Parallelschaltung des ersten Umrichters 102 und des zweiten Umrichters 108) erreicht.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung können die zwei verwendeten Umrichter 102 und 108 somit die Lade- und Antriebsfunktion so wahrnehmen, dass ein möglichst effizienter Einsatz der Leistungselektronik möglich ist. Die Umschaltung zwischen Serien- und Parallelverschaltung der Umrichter 102 und 108 kann durch Relais bzw. Schütze vorgenommen werden.
Eine Entladefunktionalität kann optional beispielsweise dadurch erreicht werden, dass über den ersten Umrichter 102 Energie von der Batterie 120 auf eine Zwischenkreiskapazität (die beispielsweise mit den Gleichspannungsanschlüssen der Umrichter 102, 108 gekoppelt ist) übertragen wird (wobei der erste Umrichter in Verbindung mit den Batterie-seitigen Filterdrosseln als Aufwärts-DC/DC-Wandler wirken kann), und dass Energie von der Zwischenkreiskapazität über den Ersten Umrichter zurück in das Netz gespeist wird. Die Implementierung einer Entladefunktion ist allerdings nicht zwingend erforderlich. Insofern ist unter einem Lade-/Entladezustand ein Ladezustand oder ein Entladezustand zu verstehen.
3. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3
Im folgenden werden Details einer beispielhaften Implementierung einer Umrichterschaltung beschrieben. Allerdings sei darauf hingewiesen, dass auch ganz andere Realisierungen des zugrundeliegenden Konzepts möglich sind.
3 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Umrichterschaltung mit zwei Umrichtern 102 und 108 gemäß dem Konzept der 2a. Der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 sind dreiphasig und weisen jeweils eine B6-Brückenschaltung auf, wobei die Ventile (bzw. Schalter) des ersten Umrichters 102 mit S₇ bis S₁₂ gekennzeichnet sind, und die Ventile (bzw. Schalter) des zweiten Umrichters 108 mit S₁ bis S₆ gekennzeichnet sind. Der erste Umrichter 102 weist einen ersten Wechselspannungsanschluss 106a, einen zweiten Wechselspannungsanschluss 106b und einen dritten Wechselspannungsanschluss 106c, sowie einen ersten Gleichspannungsanschluss 104a und einen zweiten Gleichspannungsanschluss 104b auf. Der zweite Umrichter 108 weist einen ersten Wechselspannungsanschluss 112a, einen zweiten Wechselspannungsanschluss 112b und einen dritten Wechselspannungsanschluss 112c, sowie einen ersten Gleichspannungsanschluss 110a und einen zweiten Gleichspannungsanschluss 110b auf. Die Wechselspannungsanschlüsse der Umrichter sind mit Mittelknoten der B6-Brückenschaltungen der jeweiligen Umrichter gekoppelt, wie dies aus der 3 ersichtlich ist. Die Zwischenkreisanschlüsse der B6-Brückenschaltungen sind mit Gleichspannungsanschlüssen der jeweiligen Umrichter gekoppelt, wie dies aus der 3 ersichtlich ist.
Des Weiteren ist der erste Gleichspannungsanschluss 104a des ersten Umrichters 102 mit dem ersten Gleichspannungsanschluss 110a des zweiten Umrichters 108 gekoppelt, wobei der zweite Gleichspannungsanschluss 104b des ersten Umrichters 102 mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss 110b des zweiten Umrichters 108 gekoppelt ist.
Ferner weist die Umrichterschaltung einen positiven Anschluss 118a und einen negativen Anschluss 118b für einen elektrischen Energiespeicher 120 auf. Dabei sind der zweite Gleichspannungsanschluss 104b (Bezugspotentialanschluss) des ersten Umrichters und der zweite Gleichspannungsanschluss 110b (Bezugspotentialanschluss) jeweils mit dem zweiten bzw. negativen Anschluss 118b (Bezugspotentialanschluss) für den elektrischen Energiespeicher 120 gekoppelt.
Des Weiteren weist die Umrichterschaltung 100 einen ersten Anschluss 114a, einen zweiten Anschluss 114b und einen dritten Anschluss 114c für eine elektrische Maschine 116 auf. Darüber hinaus weist die Umrichterschaltung einen ersten Netzanschluss 124a, einen zweiten Netzanschluss 124b und einen dritten Netzanschluss 124c für ein Netz 126 auf.
Die drei Wechselspannungsanschlüsse 106a bis 106c des ersten Umrichters 102 sind mit einem ersten elektrischen Schalter 128 gekoppelt, wobei der erste elektrische Schalter 128 ausgebildet sein kann, um die drei Wechselspannungsanschlüsse 106a bis 106c des ersten Umrichters 102 in dem Antriebszustand (Schalterstellung 1) mit den drei Anschlüssen 114a bis 114c für die elektrische Maschine 116 zu koppeln, und um die drei Wechselspannungsanschlüsse 106a bis 106c des ersten Umrichters 102 in dem Lade-/Entladezustand (Schalterstellung 2) über die drei Filterdrosseln 140a bis 140c mit einem positiven Anschluss 118a für den elektrischen Energiespeicher 120 zu koppeln.
Ferner sind die drei Wechselspannungsanschlüsse 112a bis 112c des zweiten Umrichters 108 mit einem zweiten elektrischen Schalter 130 gekoppelt, wobei der zweite elektrische Schalter 130 ausgebildet sein kann, um die drei Wechselspannungsanschlüsse 112a bis 112c des zweiten Umrichters 108 in dem Antriebszustand (Schalterstellung 1) mit den drei Anschlüssen 114a bis 114c für die elektrische Maschine 116 (bzw. mit den drei Anschlüssen 106a, 106b, 106 des ersten Umrichters 102) zu koppeln, und um die drei Wechselspannungsanschlüsse 112a bis 112c des zweiten Umrichters 108 in dem Lade-/Entladezustand (Schalterstellung 2) über den dreiphasigen Netzfilter 122 mit den Netzanschlüssen 124a bis 124c des Netzes 126 bzw. dreiphasigen Versorgungsnetzes zu koppeln.
Darüber hinaus sind der Gleichspannungsanschluss 104a des ersten Umrichters 102 und der Gleichspannungsanschluss 110a des zweiten Umrichters 108 mit einem dritten elektrischen Schalter 132 verbunden, wobei der dritte elektrische Schalter ausgebildet sein kann, um den Gleichspannungsanschluss 104a des ersten Umrichters 102 und den Gleichspannungsanschluss 110a des zweiten Umrichters 108 nur in dem Antriebszustand (Schalterstellung 1) mit dem positiven Anschluss 118a für den elektrischen Energiespeicher 120 zu koppeln.
Die drei Schalter werden bevorzugt gemeinsam angesteuert, so dass sich die Schalter 128, 130, 132 in dem gleichen Schaltzustand befinden.
Zudem sind zwei Zwischenkreiskapazitäten C_ZK1, C_ZK2 zwischen die Gleichspannungsanschlüsse 104a,104b bzw. 110a, 110b geschaltet.
Während der Schalterstellung 1 „Antriebszustand“ werden die zwei Umrichter 102 und 108 parallel betrieben. Eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der zwei B6-Brücken bzw. B6-Brückenschaltungen kann dabei synchron ausgeführt sein, d. h. (Ventil) S1 wird mit (Ventil) S7, (Ventil) S2 mit (Ventil) S8, usw. punktsynchron getaktet.
Während der Schalterstellung 2 „Lade-/Entladezustand“ wird der zweite Umrichter 108 über ein Netzfilter 122, z. B. über ein LCL-Filter, an das Netz 126 angeschlossen. Der erste Umrichter 102 dient als DC/DC-Wandler, um die hohe Gleichrichterspannung des Netzes 126 an die Spannung des elektrischen Energiespeichers 120, wie z. B. einer Traktionsbatterie, anzupassen. Hierbei können die drei Brückenzweige (der B6-Brückenschaltung) jeweils als unidirektionale oder bidirektionale DC/DC-Wandler getaktet werden. Durch ein phasenverschobenes Takten der Brücken bzw. Brückenzweige (z.B. der Brückenzweige (S7, S8), (S9, S10), (S11, S12) des ersten Umrichters) kann die Summe der Stromrippel vermindert werden. Der Stromrippel der drei DC/DC-Wandler (z.B. S7, S8, 140a; S9, S10, 140b; S11, S12, 140c) wird durch die Filterdrosseln L_DC1, L_DC2 und L_DC3 bzw. 140a bis 140c geglättet und als Summenstrom zur Batterie bzw. zum elektrischer Energiespeicher 120 geführt.
Grundsätzlich können der erste Umrichter 102 und der zweite Umrichter 108 als B6-Brücke oder auch als Multilevel-Umrichter, z.B. NPC, ausgeführt werden. Die Zwischenkreiskondensatoren C_ZK1 und C_ZK2 bzw. 142a und 142b können als geteilter Zwischenkreis mit in Serie geschalteten Kondensatoren oder, wie in 3 dargestellt, durch einen Zwischenkreis mit jeweils einem Kondensator 142a und 142b ausgeführt werden. Im ersteren Fall ließe sich das LCL-Filter 122 auf den nun entstandenen Zwischenkreismittelpunkt zurückführen und somit die Anzahl der Filterkapazitäten verringern.
Die vorliegende Erfindung schafft im Übrigen ein Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine, einem elektrischen Energiespeicher, einem Ladeanschluss und einer Umrichterschaltung gemäß den oben aufgeführten Ausführungsbeispielen. Dabei ist das Antriebssystem so ausgeführt, dass in dem Antriebszustand der Wechselspannungsanschluss des ersten Umrichters und der Wechselspannungsanschluss des zweiten Umrichters mit der elektrischen Maschine gekoppelt sind, und der Gleichspannungsanschluss des ersten Umrichters und der Gleichspannungsanschluss des zweiten Umrichters mit dem elektrischen Energiespeicher gekoppelt sind. Das Antriebssystem ist ferner so ausgeführt, dass in dem Lade-/Entladezustand der Wechselspannungsanschluss des ersten Umrichters mit dem elektrischen Energiespeicher gekoppelt ist, und der Wechselspannungsanschluss des zweiten Umrichters mit dem Ladeanschluss gekoppelt ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Umrichterschaltung, wobei die Umrichterschaltung einen ersten Umrichter mit einem Gleichspannungsanschluss und einem Wechselspannungsanschluss, und einen zweiten Umrichter mit einem Gleichspannungsanschluss und einem Wechselspannungsanschluss aufweist. In einem ersten Schritt wird der Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 mit dem Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 gekoppelt, so dass an dem Wechselspannungsanschluss 106 des ersten Umrichters 102 und an dem Wechselspannungsanschluss 112 des zweiten Umrichters 108 basierend auf einer an dem Gleichspannungsanschluss 104 des ersten Umrichters 102 und an dem Gleichspannungsanschluss 110 des zweiten Umrichters 108 anliegenden Gleichspannung jeweils ein umgerichteter Wechselstrom bereitgestellt wird;In einem zweiten Schritt werden der erste Umrichter und der zweite Umrichter in dem Lade-/Entladezustand der Umrichterschaltung seriell geschaltet, so dass der Gleichspannungsanschluss des ersten Umrichters mit dem Gleichspannungsanschluss des zweiten Umrichters gekoppelt ist.
Zusammenfassend ist somit zu sagen, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine doppelte Nutzung eines Antriebsumrichters und eines Ladeumrichters in einem Elektrofahrzeug betreffen, oder, in anderen Worten, einen umschaltbaren Wechselrichter mit Doppelfunktion.

Claims

Umrichterschaltung (100) mit folgenden Merkmalen: einem ersten Umrichter (102) mit einem Gleichspannungsanschluss (104) und einem Wechselspannungsanschluss (106); einem zweiten Umrichter (108) mit einem Gleichspannungsanschluss (110) und einem Wechselspannungsanschluss (112); wobei die Umrichterschaltung (100) zwischen einem Antriebszustand und einem Lade-/Entladezustand umschaltbar ist; wobei die Umrichterschaltung (100) so ausgelegt ist, dass in dem Antriebszustand der Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters (102) mit dem Gleichspannungsanschluss (110) des zweiten Umrichters (108) gekoppelt ist, und dass an dem Wechselspannungsanschluss (106) des ersten Umrichters (102) und an dem Wechselspannungsanschluss (112) des zweiten Umrichters (108) basierend auf einer an dem Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters (102) und an dem Gleichspannungsanschluss (110) des zweiten Umrichters (108) anliegenden Gleichspannung jeweils ein umgerichteter Wechselstrom bereitgestellt wird, wobei die Umrichterschaltung (100) so ausgelegt ist, dass in dem Lade-/Entladezustand der erste Umrichter (102) und der zweite Umrichter (108) seriell geschaltet sind, so dass der Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters mit dem Gleichspannungsanschluss (110) des zweiten Umrichters (108) gekoppelt ist; und wobei die Umrichterschaltung (100) so ausgelegt ist, dass in dem Antriebszustand der erste Umrichter (102) und der zweite Umrichter (108) parallel geschaltet sind, so dass der Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters (102) mit dem Gleichspannungsanschluss (110) des zweiten Umrichters (108) gekoppelt ist und der Wechselspannungsanschluss (106) des ersten Umrichters (102) mit dem Wechselspannungsanschluss (112) des zweiten Umrichters (108) gekoppelt ist.
Umrichterschaltung (100) nach Anspruch 1, wobei die Umrichterschaltung (100) einen Anschluss (114) für eine elektrische Maschine (116) aufweist; wobei die Umrichterschaltung (100) so ausgelegt ist, dass in dem Antriebszustand der Wechselspannungsanschluss (106) des ersten Umrichters (102) und der Wechselspannungsanschluss (112) des zweiten Umrichters (108) mit dem Anschluss (114) für die elektrische Maschine (116) gekoppelt sind.
Umrichterschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Umrichterschaltung (100) einen Anschluss (118) für einen elektrischen Energiespeicher (120) aufweist; wobei die Umrichterschaltung (100) so ausgelegt ist, dass in dem Antriebszustand der Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters (102) und der Gleichspannungsanschluss (110) des zweiten Umrichters (108) mit dem Anschluss (118) für den elektrischen Energiespeicher (120) gekoppelt sind.
Umrichterschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Umrichterschaltung (100) so ausgelegt ist, dass in dem Antriebszustand elektrische Ventile des ersten Umrichters (102) und elektrische Ventile des zweiten Umrichters (108) synchron angesteuert werden, so dass sich eine übertragene Antriebsleistung auf den ersten Umrichter (102) und auf den zweiten Umrichter (108) aufteilt.
Umrichterschaltung (100) nach Anspruch 4, wobei die Umrichterschaltung (100) so ausgelegt ist, dass in dem Antriebszustand die elektrischen Ventile des ersten Umrichters (102) und die elektrischen Ventile des zweiten Umrichters (108) basierend auf einer pulsweiten Modulation angesteuert werden.
Umrichterschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Umrichterschaltung eine Filterdrossel und einen Anschluss (118) für einen Energiespeicher (120) aufweist; wobei die Umrichterschaltung (100) so ausgelegt ist, dass in dem Lade-/Entladezustand die Filterdrossel in Serie zwischen dem Wechselspannungsanschluss (106) des ersten Umrichters (102) und dem Anschluss (118) für den elektrischen Energiespeicher (120) geschaltet ist, und wobei die Umrichterschaltung (100) ausgelegt ist, um in dem Lade-/Entladezustand basierend auf einer an dem Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters (102) anliegenden Gleichspannung in getakteter Weise einen Ladestrom an dem Anschluss (118) für den elektrischen Energiespeicher (120) bereitzustellen, wobei eine Gleichspannung an dem Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters (102) größer ist als eine Gleichspannung an dem Anschluss (118) für den elektrischen Energiespeicher (120).
Umrichterschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Umrichterschaltung einen Netzfilter (122) und einen Netzanschluss (124) aufweist; wobei die Umrichterschaltung (100) so ausgelegt ist, dass in dem Lade-/Entladezustand der Netzfilter (122) in Serie zwischen dem Wechselspannungsanschluss (112) des zweiten Umrichters (108) und dem Netzanschluss (124) geschaltet ist.
Umrichterschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Umrichterschaltung (100) so ausgelegt ist, dass in dem Lade-/Entladezustand eine an dem Wechselspannungsanschluss (112) des zweiten Umrichters (108) anliegende Wechselspannung in eine an dem Gleichspannungsanschluss (110) des zweiten Umrichters (108) anliegende Gleichspannung gewandelt wird, und eine an dem Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters (102) anliegende Gleichspannung in getakteter Weise in einen Ladestrom an dem Wechselspannungsanschluss (106) des ersten Umrichters (102) gewandelt wird.
Umrichterschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste Umrichter (102) und der zweite Umrichter (108) dreiphasige Umrichter sind.
Umrichterschaltung (100) nach Anspruch 9, wobei der erste Umrichter (102) und der zweite Umrichter (108) jeweils eine B6-Brückenschaltung mit drei Brückenzweigen aufweist, oder wobei der erste Umrichter (102) und der zweite Umrichter (108) jeweils einen NPC Umrichter aufweist.
Umrichterschaltung (100) nach Anspruch 10, wobei die Umrichterschaltung (100) so ausgelegt ist, dass in dem Lade-/Entladezustand die drei Brückenzweige des ersten Umrichters (102) jeweils als bidirektionale DC/DC-Wandler angesteuert werden.
Umrichterschaltung (100) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Umrichterschaltung (100) so ausgelegt ist, dass in dem Lade-/Entladezustand die drei Brückenzweige phasenverschoben angesteuert werden, so dass Stromrippel der drei Brückenzweige durch eine phasenverschobene Überlagerung der Stromrippel in Summe reduziert werden.
Umrichterschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Umrichterschaltung (100) zwei Zwischenkreiskondensatoren (114a, 114b) aufweist, wobei die zwei Zwischenkreiskondensatoren (114a, 114b) in Serie als geteilter Zwischenkreis oder parallel als ein Zwischenkreis mit dem Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters (102) und mit dem Gleichspannungsanschluss (110) des zweiten Umrichters (108) gekoppelt sind.
Antriebssystem mit folgenden Merkmalen: einer elektrischen Maschine (116); einem elektrischen Energiespeicher (118); einem Ladeanschluss; und einer Umrichterschaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13; wobei das Antriebssystem so ausgelegt ist, dass in dem Antriebszustand der Wechselspannungsanschluss (106) des ersten Umrichters (102) und der Wechselspannungsanschluss (112) des zweiten Umrichters (108) mit der elektrischen Maschine (116) gekoppelt sind, und der Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters (102) und der Gleichspannungsanschluss (110) des zweiten Umrichters (108) mit dem elektrischen Energiespeicher (118) gekoppelt sind, und wobei das Antriebssystem so ausgelegt ist, dass in dem Lade-/Entladezustand der Wechselspannungsanschluss (106) des ersten Umrichters (102) mit dem elektrischen Energiespeicher (118) gekoppelt ist, und der Wechselspannungsanschluss (112) des zweiten Umrichters (108) mit dem Ladeanschluss gekoppelt ist.
Verfahren zum Betrieb einer Umrichterschaltung (100), wobei die Umrichterschaltung (100) einen ersten Umrichter (102) mit einem Gleichspannungsanschluss (104) und einem Wechselspannungsanschluss (106), und einen zweiten Umrichter (108) mit einem Gleichspannungsanschluss (110) und einem Wechselspannungsanschluss (112) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Parallelschalten des ersten Umrichters (102) und des zweiten Umrichters (108) in einem Antriebszustand der Umrichterschaltung (100), so dass der Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters (102) mit dem Gleichspannungsanschluss (110) des zweiten Umrichters (108) gekoppelt ist und der Wechselspannungsanschluss (106) des ersten Umrichters (102) mit dem Wechselspannungsanschluss (112) des zweiten Umrichters (108) gekoppelt ist, so dass an dem Wechselspannungsanschluss (106) des ersten Umrichters (102) und an dem Wechselspannungsanschluss (112) des zweiten Umrichters (108) basierend auf einer an dem Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters (102) und an dem Gleichspannungsanschluss (110) des zweiten Umrichters (108) anliegenden Gleichspannung jeweils ein umgerichteter Wechselstrom bereitgestellt wird, und Seriellschalten des ersten Umrichters (102) und des zweiten Umrichters (108) in einem Lade-/Entladezustand der Umrichterschaltung (100), so dass der Gleichspannungsanschluss (104) des ersten Umrichters (102) mit dem Gleichspannungsanschluss (110) des zweiten Umrichters (108) gekoppelt ist.