DE102011085731A1 - Electrical system - Google Patents

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Matthias Gorka
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Abstract

Elektrisches System, welches eine erste 2-polige Gleichstromquelle und/oder -senke (1), eine zweite 2-polige Gleichstromquelle (2) und/oder -senke, einen ersten 3-phasigen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler (4), eine zweiten 3-phasigen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler und eine elektrische Maschine (3) umfasst, die 6-phasig ausgeführt ist und die ein erstes 3-phasiges Statorsystem und die ein zweites 3-phasiges Statorsystem besitzt, die elektrisch voneinander getrennt sind.Electrical system comprising a first 2-pole DC power source and / or sink (1), a second 2-pole DC power source (2) and / or sink, a first 3-phase DC-AC converter (4), a second 3-phase DC-AC converter and an electric machine (3) which is designed in 6-phase and which has a first 3-phase stator system and a second 3-phase stator system, which are electrically separated from each other.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches System, welches eine erste 2-polige Gleichstromquelle und/oder -senke, eine zweite 2-polige Gleichstromquelle und/oder -senke sowie eine elektrische Maschine umfasst. The invention relates to an electrical system comprising a first 2-pole DC power source and / or sink, a second 2-pole DC power source and / or sink and an electric machine.
  • Komplexe elektrische Systeme verfügen häufig über mehrere Teilsysteme, die situationsabhängig eine Funktion als elektrische Leistungsquelle oder als elektrische Leistungssenke im Gesamtsystem übernehmen. Complex electrical systems often have several subsystems that take over a function depending on the situation as an electrical power source or as an electrical power sink in the overall system.
  • Als derartiges elektrisches System ist beispielhaft das Bordnetz eines Hybridfahrzeugs angebbar wie es etwa aus der 1 der Schrift US 2008/0011528 A1 hervorgeht. Dieses elektrische System weist 2 elektrische Energiespeicher und eine 3-phasige elektrische Antriebsmaschine auf, die wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbar ist. Einer der elektrischen Energiespeicher ist über einen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler mit der elektrischen Maschine und über einen zu diesem Wandler parallelen Gleichstromsteller mit dem weiteren Energiespeicher verbunden. As such an electrical system is exemplified the electrical system of a hybrid vehicle as it is approximately from the 1 the writing US 2008/0011528 A1 evident. This electrical system has 2 electrical energy storage and a 3-phase electric drive machine, which is either motor or generator operable. One of the electrical energy storage is connected via a DC-AC converter with the electric machine and a parallel to this converter DC chopper with the other energy storage.
  • Bei einem bidirektional ausgeführten Gleichstromsteller können beide Energiespeicher die elektrische Maschine motorisch treiben. Dann werden die Speicher entladen. Im generatorischen Betrieb können beide Energiespeicher durch die elektrische Maschine geladen werden. Dies geschieht üblicherweise durch Rekuperation. In a bidirectionally designed DC controller, both energy stores can drive the electric motor by motor. Then the stores are unloaded. In regenerative operation, both energy stores can be charged by the electric machine. This is usually done by recuperation.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes elektrisches System anzugeben, welches eine erste 2-polige Gleichstromquelle und/oder -senke, eine zweite 2-polige Gleichstromquelle und/oder -senke sowie eine elektrische Maschine umfasst. It is an object of the invention to provide an improved electrical system comprising a first 2-pole DC power source and / or sink, a second 2-pole DC power source and / or sink and an electric machine.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein elektrisches System gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. This object is achieved by an electrical system according to claim 1. Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims.
  • Gemäß der Erfindung ist die elektrische Maschine 6-phasig ausgeführt und umfasst ein erstes 3-phasiges Statorsystem und ein zweites 3-phasiges Statorsystem, die beide voneinander elektrisch getrennt sind. Erfindungsgemäß beinhaltet das elektrische System weiterhin einen ersten 3-phasigen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler und einen zweiten 3-phasigen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler. According to the invention, the electric machine is designed in a 6-phase manner and comprises a first 3-phase stator system and a second 3-phase stator system, which are both electrically separated from one another. According to the invention, the electrical system further includes a first 3-phase DC-AC converter and a second 3-phase DC-AC converter.
  • Dies bedeutet, dass das elektrische System in Form der elektrischen Maschine über zwei Statorsysteme und einen Rotor verfügt. Neben zwei Statorsystemen sind auch zwei Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler Bestandteil des elektrischen Systems. This means that the electric system in the form of the electric machine has two stator systems and one rotor. In addition to two stator systems, two DC-AC converters are also part of the electrical system.
  • Zusätzlich ist das erste Statorsystem mit dem ersten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler wechselstromseitig und das zweite Statorsystem mit dem zweiten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler wechselstromseitig verbunden. In addition, the first stator system is connected to the first DC-AC converter on the AC side and the second stator system is connected to the second DC-AC converter on the AC side.
  • Demgemäß sind die drei Phasen des ersten Statorsystems mit der Wechselstromseite des ersten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlers elektrisch kontaktiert und die drei Phasen des zweiten Statorsystems mit der Wechselstromseite des zweiten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlers elektrisch kontaktiert. Dies bietet den Vorteil, dass die beiden Statorsysteme über eine unabhängige elektrische Anbindung im elektrischen System verfügen. Accordingly, the three phases of the first stator system are electrically contacted with the AC side of the first DC-AC converter, and the three phases of the second stator system are electrically contacted with the AC side of the second DC-AC converter. This offers the advantage that the two stator systems have an independent electrical connection in the electrical system.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Gleichstromquelle und/oder -senke mit dem ersten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler gleichstromseitig und die zweite Gleichstromquelle und/oder -senke mit dem zweiten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler gleichstromseitig verbunden. According to another embodiment of the invention, the first DC source and / or sink is connected to the first DC-DC converter on the DC side and the second DC source and / or sink is connected to the DC DC converter on the DC side.
  • Die erste Gleichstromquelle und/oder -senke ist also mit dem Gleichstromeingang des ersten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlers und die zweite Gleichstromquelle und/oder -senke mit dem Gleichstromeingang des zweiten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlers elektrisch kontaktiert. Jede der beiden Gleichstromquellen und/oder -senken ist also über einen separaten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler mit einem der beiden Statorsysteme der elektrischen Maschine verbunden. The first DC source and / or sink is thus electrically contacted with the DC input of the first DC-AC converter and the second DC source and / or sink with the DC input of the second DC-AC converter. Each of the two DC sources and / or sinks is thus connected via a separate DC-AC converter to one of the two stator systems of the electric machine.
  • Weiterhin kann es sinnvoll sein, wenn die erste Gleichstromquelle und/oder -senke eine erste Nennspannungslage und die zweite Gleichstromquelle und/oder -senke eine zweite Nennspannungslage aufweist, wobei die erste Nennspannungslage in Richtung höherer gleichpoliger Spannung größer ist als die zweite Nennspannungslage. Furthermore, it may be useful if the first DC power source and / or sink a first nominal voltage position and the second DC power source and / or sink has a second nominal voltage position, wherein the first nominal voltage position in the direction of higher Gleichpoliger voltage is greater than the second nominal voltage position.
  • In dem elektrischen System können also beispielsweise elektrische Energiespeicher unterschiedlicher Nennspannungslagen befindlich sein. In the electrical system so, for example, electrical energy storage different nominal voltage levels can be located.
  • Außerdem ist es vorteilhaft, wenn das elektrische System einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter umfasst und der Pol höheren Potentials der beiden Pole der ersten 2-poligen Gleichstromquelle und/oder -senke mit dem Pol höheren Potentials der beiden Pole der zweiten 2-poligen Gleichstromquelle und/oder -senke über eine Serienschaltung des ersten Schalters und des zweiten Schalters verbunden ist, und der Pol höheren Potentials der beiden Pole der zweiten 2-poligen Gleichstromquelle und/oder -senke über den zweiten Schalter mit dem zweiten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler verbunden ist. In addition, it is advantageous if the electrical system comprises a first switch and a second switch and the pole of higher potential of the two poles of the first 2-pole DC power source and / or sink with the pole of higher potential of the two poles of the second 2-pole DC power source and / or sink is connected across a series connection of the first switch and the second switch, and the higher potential pole of the two poles of the second 2-pole DC source and / or sink is connected via the second switch to the second DC-AC converter is.
  • Dies bedeutet, dass beide Gleichstromquellen und/oder -senken jeweils über einen Pol mit höherem elektrischen Potential und über einen Pol mit niedrigerem elektrischen Potential, z.B. auf Masse, verfügen. Die beiden Pole der beiden Gleichstromquellen und/oder -senken, die auf höherem Potential liegen als der jeweils andere Pol der Gleichstromquelle und/oder -senke sind über die beiden Schalter in Serie miteinander verbunden. This means that both DC sources and / or sinks are each connected via a pole with a higher electrical potential and via a pole with a lower electrical potential, e.g. on earth, dispose. The two poles of the two DC sources and / or sinks, which are at a higher potential than the respective other pole of the DC power source and / or sink are connected via the two switches in series.
  • Vorzugsweise ist bei geschlossenem ersten Schalter der zweite Schalter geöffnet und bei geöffnetem ersten Schalter der zweite Schalter geschlossen. Preferably, when the first switch is closed, the second switch is open and when the first switch is open, the second switch is closed.
  • Dies bedeutet, dass bevorzugt zu keinem Zeitpunkt beide Schalter geschlossen sind. This means that preferably at no time both switches are closed.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn bei geschlossenem ersten Schalter und geöffnetem zweiten Schalter die erste 2-polige Gleichstromquelle und/oder -senke die elektrische Maschine motorisch oder generatorisch über den ersten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler und den zweiten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler betreibbar ist. According to a further embodiment of the invention, it is advantageous if, with the first switch closed and the second switch open, the first 2-pole DC power source and / or sink electrically or dynamically drive the electric machine via the first DC-AC converter and the second DC AC current Converter is operable.
  • In dieser Konfiguration wird der Rotor der elektrischen Maschine über beide Statorsysteme getrieben. Alle 6 Phasen der Statorsysteme werden von den beiden Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlern im motorischen Maschinenmodus betrieben. Die beiden Wandler werden von der ersten Gleichstromquelle und/oder -senke mit elektrischer Energie gespeist. In this configuration, the rotor of the electric machine is driven via both stator systems. All 6 phases of the stator systems are operated by the two DC-AC converters in the motor machine mode. The two transducers are powered by the first DC power source and / or sink with electrical energy.
  • Außerdem ist es vorteilhaft wenn, bei geöffnetem ersten Schalter und geschlossenem zweiten Schalter die erste 2-polige Gleichstromquelle und/oder -senke die elektrische Maschine motorisch über den ersten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler betreibbar ist und bei geöffnetem ersten Schalter und geschlossenem zweiten Schalter die zweite 2-polige Gleichstromquelle und/oder -senke die elektrische Maschine generatorisch über den zweiten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler ladbar ist. In addition, it is advantageous if, with the first switch open and the second switch closed, the first 2-pole DC power source and / or sink, the electric motor via the first DC-AC converter is operable and with the first open switch and closed second switch, the second 2-pole DC power source and / or sink the electric machine can be charged as a generator via the second DC-AC converter.
  • In dieser Konfiguration werden die beiden Statorsysteme in der Weise unabhängig voneinander getrieben, dass das erste Statorsystem den Rotor motorisch betreibt und das zweite Statorsystem den Rotor generatorisch betreibt. Über den ersten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler wird dem ersten Statorsystem ein den Rotor treibendes Moment eingeprägt, über den zweiten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler wird dem zweiten Statorsystem wird dem Rotor ein bremsendes Drehmoment in Form von Induktionsspannung aufgeprägt. Die Induktionsspannung dient zum Laden der zweiten Gleichstromquelle\ -senke über den zweiten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler. In this configuration, the two stator systems are driven independently of each other such that the first stator system drives the rotor and the second stator system operates the rotor as a generator. About the first DC-AC converter, a rotor driving moment is impressed on the first stator, via the second DC-AC converter, the second stator system, the rotor is a braking torque impressed in the form of induction voltage. The induction voltage is used to charge the second DC power source through the second DC to AC converter.
  • Bevorzugt umfasst ein Fahrzeug das elektrische System. Dies bietet den Vorteil, dass bei zwei Teilbordnetzen im Fahrzeug elektrische Leistung aus beiden Bordnetzen über die beiden Statorsysteme der elektrischen Maschine in Antriebsleistung des Fahrzeugs wandelbar ist. Ferner kann beiden Teilbordnetzen elektrische Energie beispielsweise in Form von Rekuperation bereitgestellt werden. Alternativ ist elektrische Leistung bzw. Energie von einem Teilbordnetz in das andere Teilbordnetz transferierbar, indem ein Statorsystem motorisch und das andere Statorsystem generatorisch betrieben wird. Preferably, a vehicle includes the electrical system. This offers the advantage that in the case of two partial on-board systems in the vehicle, electrical power can be converted from both on-board networks via the two stator systems of the electric machine into the drive power of the vehicle. Furthermore, electrical energy can be provided, for example, in the form of recuperation to both sub-board networks. Alternatively, electric power or energy can be transferred from one subnetwork to the other subnetwork by operating a stator system on a motorized basis and the other stator system as a generator.
  • Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
    Hybrid- und Elektrofahrzeuge weisen heute eine Hochvoltbatterie (ca. 300–400 Volt) und eine Niedervoltbatterie auf. Die Hochvoltbatterie ist über einen Inverter (Gleich-, Wechselrichter) an den Elektromotor angebunden. Die Niedervoltbatterie speist das 12 Volt Bordnetz und damit Verbraucher wie ein Radio, Licht usw.
    The invention is based on the following considerations:
    Hybrid and electric vehicles today have a high-voltage battery (about 300-400 volts) and a low-voltage battery. The high-voltage battery is connected to the electric motor via an inverter (DC, inverter). The low-voltage battery feeds the 12-volt electrical system and thus consumers such as a radio, light, etc.
  • Aus der Hochvoltbatterie wird mittels eines DC/DC-Wandlers die Niedervoltbatterie geladen. Damit weisen heutige Hybridfahrzeuge immer einen Gleich-/Wechselrichter und einen separaten DC/DC Wandler auf. Nachteil ist, das heutige Hybrid- und Elektrofahrzeuge zwei separate Geräte mit sich führen. Der Inverter und DC/DC Wandler ähneln sich aber sehr von ihrem technischen Aufbau. Eine Synergie wird heute nicht realisiert. From the high-voltage battery, the low-voltage battery is charged by means of a DC / DC converter. Thus today's hybrid vehicles always have a DC / inverter and a separate DC / DC converter. Disadvantage is that today's hybrid and electric vehicles lead two separate devices with it. The inverter and DC / DC converters are very similar to their technical design. A synergy is not realized today.
  • Konventionelle Elektromotoren besitzen nach heutigem Stand der Technik ein einziges Drei-Phasen-System. Die elektrische Leistung teilt sich auf alle drei Phasen gleich auf. Ziel der Erfindung ist es, zwei Drei-Phasen-Systeme mit sich aufteilender Leistung in einer Maschine zu integrieren. In allen motorischen Betriebspunkten geringer als die halbe Maximalleistung wird das zweite Drei-Phasen-System vom Hochvoltspeicher abgetrennt und auf den Niedervoltspeicher geschalten. Während das erste Drei-Phasen-System weiter wie gewohnt arbeitet, versorgt das zweite Drei-Phasen-System den Niedervoltspeicher. Conventional electric motors according to the current state of the art have a single three-phase system. The electrical power is equally divided over all three phases. The aim of the invention is to integrate two three-phase systems with dividing power in one machine. In all engine operating points less than half the maximum power, the second three-phase system is separated from the high-voltage storage and switched to the low-voltage storage. While the first three-phase system continues to operate as usual, the second three-phase system supplies the low-voltage storage.
  • Damit kann der separate DC/DC-Wandler entfallen und der Inverter wird zu jedem Zeitpunkt genützt, bzw. es steigt der Auslastungsgrad. Damit einhergehend ergeben sich auch geringere Kosten, da ein Gleichstromsteller eine kostspielige Systemkomponente darstellt. Ferner wird Bauraum gewonnen und es wird Gewicht gespart. Außerdem verbessern sich die EMV-Eigenschaften im Fahrzeug und die Zuverlässigkeit der Fahrzeug-Elektrik bzw. Fahrzeug-Elektronik wird relativ verbessert, da bei gleicher Funktion weniger abzusichernde Bauteile notwendig sind. Thus, the separate DC / DC converter can be omitted and the inverter is used at any time, or it increases the utilization rate. This also results in lower costs, since a DC chopper represents a costly system component. Furthermore, space is gained and it saves weight. In addition, the EMC properties in the vehicle improve and the reliability of the vehicle electrical or vehicle electronics is relatively improved, since the same function less components to be protected are necessary.
  • Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigt schematisch Hereinafter, a preferred embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. This results in further details, preferred embodiments and further developments of the invention. In detail shows schematically
  • 1 Elektrisches System mit 6-phasiger elektrischer Maschine 1 Electrical system with 6-phase electrical machine
  • 1 zeigt ein elektrisches System, das Teilsystem des elektrischen Bordnetzes eines Fahrzeugs sein kann. Das elektrische System umfasst einen ersten Energiespeicher (1) und einen zweiten Energiespeicher (2). Beide Energiespeicher können als elektrochemische oder als elektrische Energiespeicher ausgeführt sein z.B. als Lithium-Ionen-Batterie, Blei-Säure-Batterie oder Kondensator und fungieren in Abhängigkeit vom elektrischen Zustand des Bordnetzes als Energiequelle oder als Energiesenke. Sowohl die Nennspannungslage als auch die Speicher-Technologie der beiden Speicher kann unterschiedlich ausgeprägt sein. Dies bedeutet, dass auch typische Kennlinien der Speicher, z.B. Lade- und Entladekennlinie über Ladezustand oder Zeit, nicht in einem vorbestimmten Zusammenhang stehen müssen. 1 shows an electrical system that can be subsystem of the electrical system of a vehicle. The electrical system comprises a first energy store ( 1 ) and a second energy store ( 2 ). Both energy storage devices can be embodied as electrochemical or as electrical energy storage, for example as a lithium-ion battery, lead-acid battery or capacitor, and function as an energy source or energy sink depending on the electrical state of the vehicle electrical system. Both the rated voltage position and the memory technology of the two memories can be different. This means that even typical characteristics of the memory, eg charging and discharging characteristic over state of charge or time, do not have to be in a predetermined relationship.
  • Ohne Beschränkung dieser Allgemeinheit wird im Folgenden von einer Lithium-Ionen-Batterie als erstem Energiespeicher und einem Superkondensator als zweitem Energiespeicher ausgegangen. Die Nennspannungslage beider Speicher liegt ohne Beschränkung der Allgemeinheit bei 48 Volt. Without limiting this generality, the following is based on a lithium-ion battery as the first energy store and a supercapacitor as the second energy store. The nominal voltage position of both memory is without limitation of generality at 48 volts.
  • Beide Speicher sind mit dem jeweiligen Pol niedrigeren Potentials mit Masse verbunden. Die jeweiligen Pole höheren Nennpotentials, typischerweise die Pluspole bei Batterien, sind über einen ersten Schalter (7) miteinander verbunden. Both memories are connected to the respective pole of lower potential with ground. The respective poles of higher nominal potential, typically the positive poles in batteries, are connected via a first switch ( 7 ) connected with each other.
  • Das elektrische System verfügt außerdem über eine elektrische Maschine (3), die 6-phasig ausgeführt ist. Die Maschine verfügt über zwei jeweils 3-phasige Statorsysteme, die jeweils mit dem Rotor der Maschine wechselwirken, aber elektrisch voneinander getrennt sind. Beispielsweise kann ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine fremderregte Synchron-Schenkelpol Maschine ohne Dämpferwicklung mit zwei 3-phasigen Statorsystemen zum Einsatz kommen. Dazu zählen z.B. auch Klauenpolmaschinen, die vor allem als Generatoren oder Startergeneratoren in automobilen Anwendungen genutzt werden. Diese Generatoren weisen üblicherweise mehr als ein 3 Phasen-System auf. Bei einer 6-phasigen Ausführung sind die beiden 3-phasigen Statorsysteme elektrisch um 30° zueinander versetzt implementiert. The electrical system also has an electric machine ( 3 ), which is 6-phase. The machine has two 3-phase stator systems each, which interact with the rotor of the machine, but are electrically isolated from each other. For example, without restriction of generality, a separately excited synchronous salient pole machine without damper winding with two 3-phase stator systems can be used. These include, for example, claw pole machines, which are used primarily as generators or starter generators in automotive applications. These generators usually have more than one 3-phase system. In a 6-phase design, the two 3-phase stator systems are implemented electrically offset by 30 ° to each other.
  • Das elektrische System in 1 verfügt weiterhin über einen ersten bidirektionalen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler (4), der auch als Inverter bezeichnet wird. Dieser ist mit dem ersten Energiespeicher verbunden. Ein zweiter bidirektionaler Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler (5) ist über einen zweiten Schalter (6) mit dem zweiten Energiespeicher verbunden. Der Inverter besteht üblicherweise aus drei Halbbrücken mit einem Zwischenkreiskondensator, die zu einer B6-Schaltung verschaltet werden. Jede Halbbrücke umfasst dabei 2 Schalter die in der Regel als MOSFET oder als IGBT mit einer antiparallelen Diode ausgeführt sind. The electrical system in 1 also has a first bidirectional DC-AC converter ( 4 ), which is also referred to as inverter. This is connected to the first energy storage. A second bidirectional DC-AC converter ( 5 ) is via a second switch ( 6 ) connected to the second energy storage. The inverter usually consists of three half-bridges with a DC link capacitor, which are connected to a B6 circuit. Each half-bridge comprises 2 switches which are usually designed as a MOSFET or as an IGBT with an anti-parallel diode.
  • Im Folgenden wird dem Fachmann das bekannte Drehzahl/Drehmomenten-Verhalten eines Synchronmotors mit einem Statorsystem und einem Rotor zugrunde gelegt. In the following, the expert is based on the known speed / torque behavior of a synchronous motor with a stator system and a rotor.
  • Es besteht die Möglichkeit, im Teillastbereich die beiden Ströme Iq1 und Iq2 unterschiedlich einzustellen. Dabei steht Iq für den momentenbildenden Strom, wobei Iq1 den momentenbildenden Strom des ersten Statorsystems und Iq2 den momentenbildenden Strom des zweiten Statorsystems bezeichnet. Das erste Statorsystem, das an den ersten Energiespeicher gekoppelt ist, wird mit einem positiven Strom Iq1 und das zweite Statorsystem, das an den zweiten Energiespeicher gekoppelt ist, gleichzeitig mit einem negativen Strom –Iq2 betrieben. Damit wird der erste Energiespeicher entladen und die Maschine über das erste Statorsystem motorisch betrieben. Der zweite Energiespeicher wird geladen und die Maschine über das zweite Statorsystem generatorisch betrieben. Um beispielsweise trotzdem ein gewünschtes inneres Maschinenmoment MMi aufzubringen, muss Iq1 also um den Betrag von Iq2 vergrößert werden. It is possible to set the two currents I q1 and I q2 differently in the partial load range. In this case, I q represents the moment-forming current, where I q1 designates the torque-forming current of the first stator system and I q2 the torque- forming current of the second stator system. The first stator system, which is coupled to the first energy store, is operated with a positive current I q1 and the second stator system, which is coupled to the second energy store, simultaneously with a negative current -I q2 . This discharges the first energy store and drives the machine via the first stator system. The second energy store is loaded and the machine is operated as a generator via the second stator system. For example, in order to still apply a desired internal machine torque M Mi , I q1 must therefore be increased by the amount of I q2 .
  • Das innere Maschinenmoment ergibt sich aus MMi = 3 / 2·Zp·(Ψd·Iq – Ψq·Id) , wobei Zp die Polpaarzahl der Maschine, also eine Maschinenkonstante, Ψd den Fluss in d-Achse, Ψq den Fluss in q-Achse und Id den flussbildenden Strom beschreibt. The internal machine torque results from M Mi = 3/2 · Z p · (Ψ d · I q - Ψ q · I d ) , where Z p is the number of pole pairs of the machine, ie a machine constant, Ψ d the flow in the d-axis, Ψ q the flow in the q-axis and I d describes the flow-forming current.
  • Falls eine permanenterregte elektrische Maschine oder eine Maschine mit Dämpferwicklungen zum Einsatz kommen, ist der Zusammenhang für den Fachmann offensichtlich anzupassen, ohne dass der zugrundeliegende Wirkzusammenhang beeinträchtigt wird. If a permanent-magnet electric machine or a machine with damper windings is used, the context obviously has to be adapted by the person skilled in the art without the underlying operating relationship being impaired.
  • Im Ankerstellbereich wird üblicherweise auf Id = 0 A geregelt und mittels des momentenbildenden Stroms Iq das gewünschte Drehmoment der elektrischen Maschine eingestellt. Dann vereinfacht sich die obige Gleichung für das innere Maschinenmoment im Ankerstellbereich zu MMi = 3 / 2·Zp·Ψd·Iq . Somit bleibt das Maschinenmoment lediglich abhängig vom Fluss Ψd (konstant im Ankerstellbereich) und vom Strom Iq. In the armature control range is usually controlled to I d = 0 A and set by means of the torque-generating current I q the desired torque of the electric machine. Then, the above equation for the internal engine torque in the armature pitch becomes easier M Mi = 3/2 · Z p · d · I q , Thus, the machine torque only depends on the flux Ψ d (constant in the armature control range) and the current I q .
  • Da die Maschine zwei getrennte Statorsysteme besitzt, wird in beiden Systemen Iq getrennt geregelt. Im Normalfall ist der Sollwert für beide Systeme gleich groß und positiv Iq1 = Iq2 = ½·Iq. Der Strom Iq kommt dabei nicht direkt zu fließen, sondern ergibt sich nur als Summe der Momente innerhalb der E-Maschine. Jedes Teilsystem sieht nur seinen „eigenen“ Strom Iq1 bzw. Iq2. Since the machine has two separate stator systems, I q is controlled separately in both systems. Normally, the setpoint for both systems is the same size and positive I q1 = I q2 = ½ · I q . The current I q does not come directly to flow, but results only as a sum of the moments within the electric motor. Each subsystem sees only its "own" current I q1 or I q2 .
  • Soll die Maschine generatorisch betrieben werden, so sind beide Sollwerte gleich groß und negativ –Iq1 = –Iq2 = –½·Iq. If the machine is to be operated as a generator, both setpoints are the same size and negative -I q1 = -I q2 = -½ · I q .
  • Somit bietet das elektrische System die Möglichkeit neben einem rein motorischen Betrieb mit Entladung beider Energiespeicher und neben einem rein generatorischen Betrieb mit Ladung beider Energiespeicher, einen Energiespeicher über die elektrische Maschine an dem anderen Energiespeicher zu laden. In diesen Betriebsmodi ist der Schalter (6) geschlossen und der Schalter (7) geöffnet. Thus, the electrical system offers the possibility in addition to a purely motor operation with discharge of both energy storage and next to a purely regenerative operation with charge of both energy storage to load an energy storage via the electric machine to the other energy storage. In these operating modes, the switch ( 6 ) and the switch ( 7 ) open.
  • Nach einer weiteren Variante können beide Schalter geöffnet werden. Dann ist die Maschine lediglich in Verbindung mit dem ersten Energiespeicher motorisch oder generatorisch betreibbar. According to another variant, both switches can be opened. Then the machine is operated only in conjunction with the first energy storage motor or generator.
  • Die nachfolgende Tabelle zeigt dreizehn mögliche Betriebszustände des elektrischen Systems im Überblick: Schalterstellung Funktion der beiden Gleichstrom- Wechselstrom-Wandler (GWW) Wirkung Schalter (6) und Schalter (7) offen keine Leerlaufmodus (kein Energieverbrauch) Schalter (6) und Schalter (7) offen keine Totzeit beim Übergang zwischen zwei Betriebszuständen zur Verhinderung eines Kurzschlusses zwischen der ersten Gleichstromquelle und/oder -senke und der zweiten Gleichstromquelle und/oder -senke (während Totzeit beide Schalter geöffnet). Schalter (6) und Schalter (7) offen Erster GWW motorisch Zweiter GWW „aus“ Antrieb bis zur halben maximalen Leistung der elektrischen Maschine mit dem ersten Statorsystem. Aufgrund der geringeren Schaltverluste mit nur einem Statorsystem möglicherweise sinnvoller Betriebszustand. Schalter (6) und Schalter (7) offen Erster GWW generatorisch Zweiter GWW „aus“ Generator bis zur halben maximalen Leistung der elektrischen Maschine mit dem ersten Statorsystem. Aufgrund der geringeren Schaltverluste mit nur einem Statorsystem möglicherweise vorteilhafter Betriebszustand. Schalter (6) offen Schalter (7) geschlossen Erster GWW motorisch Zweiter GWW motorisch Antrieb bis zur maximalen Leistung der elektrischen Maschine aus der ersten Gleichstromquelle. Auch bei Leistungen von weniger als der halben maximalen Leistung möglicherweise vorteilhafter Betriebszustand aufgrund Reduzierung von Ohm‘schen Verluste durch Stromaufteilung auf zwei Statorsysteme. Schalter (6) offen Schalter (7) geschlossen Erster GWW generatorisch Zweiter GWW generatorisch Generator bis zur maximalen Leistung der elektrischen Maschine mit Ladung der ersten Gleichstromsenke. Auch bei Leistungen von weniger als der halben maximalen Leistung möglicherweise vorteilhafter Betriebszustand aufgrund Reduzierung von Ohm‘schen Verluste durch Stromaufteilung auf zwei Statorsysteme. Schalter (6) geschlossen Schalter (7) offen Erster GWW motorisch Zweiter GWW motorisch Aufteilen der Antriebsleistung der elektrischen Maschine auf beide Gleichstromquellen. Vorteil: Entlastung der einzelnen Statorsysteme. Schalter (6) geschlossen Schalter (7) offen Erster GWW generatorisch Zweiter GWW generatorisch Aufteilen der Generatorleistung auf beide Gleichstromquellen mit Ladung beider Gleichstromsenken. Vorteil: Entlastung der einzelnen Statorsysteme. Schalter (6) geschlossen Schalter (7) offen Erster GWW „aus“ Zweiter GWW motorisch Motorischer Betrieb der elektrischen Maschine aus der zweiten Gleichstromquelle, erste Gleichstromquelle und/oder -senke nicht in Verwendung. Elektrische Maschine mit bis zur halben maximalen Leistung betreibbar, da nur zweiter GWW in Verwendung. Schalter (6) geschlossen Schalter (7) offen Erster GWW „aus“ Zweiter GWW generatorisch Generatorischer Betrieb der elektrischen Maschine mit Laden der zweiten Gleichstromquelle, erste Gleichstromquelle und/oder -senke nicht in Verwendung. Elektrische Maschine mit bis zur halben maximalen Leistung betreibbar, da nur zweiter GWW in Verwendung. Schalter (6) geschlossen Schalter (7) offen Erster GWW motorisch Zweiter GWW generatorisch Laden der zweiten Gleichstromsenke aus der ersten Gleichstromquelle über die elektrische Maschine. Schalter (6) geschlossen Schalter (7) offen Erster GWW generatorisch Zweiter GWW motorisch Laden der ersten Gleichstromsenke aus der zweiten Gleichstromquelle über die elektrische Maschine. Schalter (7) geschlossen Schalter (7) geschlossen Unzulässiger Betriebszustand wg. Kurzschluss zwischen erster Gleichstromquelle und/oder -senke und zweiter Gleichstromquelle und/oder -senke.
    The following table shows an overview of thirteen possible operating states of the electrical system: switch position Function of the two DC-AC converters (GWW) effect Switch ( 6 ) and switches ( 7 ) open none Idle mode (no power consumption) Switch ( 6 ) and switches ( 7 ) open none Dead time in the transition between two operating states to prevent a short circuit between the first DC power source and / or sink and the second DC power source and / or sink (while dead time both switches open). Switch ( 6 ) and switches ( 7 ) open First GWW motor Second GWW "off" Drive up to half the maximum power of the electric machine with the first stator system. Due to the lower switching losses with only one stator system, it may make more sense to operate. Switch ( 6 ) and switches ( 7 ) open First GWW regenerative Second GWW "off" Generator up to half maximum power of the electric machine with the first stator system. Due to the lower switching losses with only one stator system may be advantageous operating condition. Switch ( 6 ) open switch ( 7 ) closed First GWW motor Second GWW motor Drive up to the maximum power of the electric machine from the first DC power source. Even with powers of less than half the maximum power possibly advantageous operating condition due to the reduction of Ohm losses by power split on two stator systems. Switch ( 6 ) open switch ( 7 ) closed First GWW regenerative Second GWW regenerative Generator up to the maximum power of the electric machine with charge of the first DC sink. Even with powers of less than half the maximum power possibly advantageous operating condition due to the reduction of Ohm losses by power split on two stator systems. Switch ( 6 ) closed switch ( 7 ) open First GWW motor Second GWW motor Dividing the drive power of the electric machine to both DC sources. Advantage: Relief of the individual stator systems. Switch ( 6 ) closed switch ( 7 ) open First GWW regenerative Second GWW regenerative Divide the generator power to both DC power sources with charge of both DC sinks. Advantage: Relief of the individual stator systems. Switch ( 6 ) closed switch ( 7 ) open First GWW "off" Second GWW motor Motorized operation of the electric machine from the second DC power source, first DC power source and / or sink not in use. Electric machine with up to half maximum power operable as only second GWW in use. Switch ( 6 ) closed switch ( 7 ) open First GWW "off" Second GWW regenerative Regenerative operation of the electrical machine with charging of the second DC power source, first DC power source and / or sink not in use. Electric machine with up to half maximum power operable as only second GWW in use. Switch ( 6 ) closed switch ( 7 ) open First GWW motor Second GWW regenerative Charging the second DC sink from the first DC power source via the electric machine. Switch ( 6 ) closed switch ( 7 ) open First GWW generator Second GWW motor Charging the first DC sink from the second DC power source via the electric machine. Switch ( 7 ) closed switch ( 7 ) closed Illegal operating condition wg. Short circuit between first DC source and / or sink and second DC source and / or sink.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform des elektrischen Systems ist es möglich, anstelle der ersten Gleichstromquelle und/oder -senke ein elektrischer Bauteil zu integrieren, das entweder ausschließlich als erste Gleichstromquelle oder ausschließlich als erste Gleichstromsenke fungiert. Bei einer ausschließlichen ersten Gleichstromquelle sind in der obigen Tabelle jene Betriebszustände nicht realisierbar, in denen der ersten Gleichstromquelle die Funktion einer Gleichstromsenke zukommt. Dies gilt entsprechend für die Integration einer ersten Gleichstromsenke. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, anstelle der zweiten Gleichstromquelle und/oder -senke ein elektrischer Bauteil zu integrieren, das entweder ausschließlich als zweite Gleichstromquelle oder ausschließlich als zweite Gleichstromsenke fungiert. Bei einer ausschließlichen zweiten Gleichstromquelle sind in der obigen Tabelle jene Betriebszustände nicht realisierbar, in denen der zweiten Gleichstromquelle die Funktion einer Gleichstromsenke zukommt. Dies gilt entsprechend für die Integration einer zweiten Gleichstromsenke. According to a further embodiment of the electrical system, it is possible, instead of the first DC power source and / or sink, to integrate an electrical component which is used either exclusively as first DC power source or only acts as a first DC sink. In the case of an exclusively first direct current source, those operating states in which the first direct current source has the function of a direct current sink can not be realized in the above table. This applies correspondingly to the integration of a first DC sink. Alternatively or additionally, it is also possible, instead of the second DC power source and / or sink, to integrate an electrical component which functions either exclusively as a second DC power source or exclusively as a second DC power sink. In an exclusive second DC power source, those operating states in which the second DC power source has the function of a DC sink can not be realized in the above table. This applies accordingly for the integration of a second DC sink.
  • Ein elektrischen System mit einer 6-phasigen Maschine ist üblicherweise derart ausgeführt, dass die beiden Statorsysteme der elektrischen Maschine um 30° versetzt verbaut sind. Damit sind bei einer Gleichstromquelle und/oder -senke im elektrischen System zwangsweise zwei Inverter erforderlich, da die Ströme und Spannungen der Statorsysteme eine Phasenverschiebung zueinander aufweisen. Ist auf dieser Basis eine weitere Gleichstromquelle und/oder -senke im System zu integrieren, muss diese über einen Gleichstromsteller angebunden werden. Die Ausführungsformen beschreiben jeweils Systeme, in denen die elektrische Maschine in Kombination mit den beiden Schaltern den Gleichstromsteller ersetzt. An electrical system with a 6-phase machine is usually designed such that the two stator systems of the electric machine are installed offset by 30 °. For a DC source and / or sink in the electrical system forcibly two inverters are required because the currents and voltages of the stator have a phase shift to each other. If an additional DC source and / or sink is to be integrated in the system on this basis, it must be connected via a DC chopper. The embodiments each describe systems in which the electric machine in combination with the two switches replaces the DC chopper.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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  • Zitierte PatentliteraturCited patent literature
    • US 2008/0011528 A1 [0003] US 2008/0011528 A1 [0003]

Claims (9)

  1. Elektrisches System, welches eine erste 2-polige Gleichstromquelle und/oder -senke (1), eine zweite 2-polige Gleichstromquelle (2) und/oder -senke und eine elektrische Maschine (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – die elektrische Maschine 6-phasig ausgeführt ist, – die elektrische Maschine ein erstes 3-phasiges Statorsystem besitzt, – die elektrische Maschine ein zweites 3-phasiges Statorsystem besitzt, – das erste Statorsystem von dem zweiten Statorsystem elektrisch getrennt ist, – das elektrische System einen ersten 3-phasigen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler (4) umfasst, und – das elektrische System einen zweiten 3-phasigen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler (5) umfasst. Electrical system which uses a first 2-pole DC power source and / or sink ( 1 ), a second 2-pole DC power source ( 2 ) and / or sink and an electric machine ( 3 ), characterized in that - the electric machine is designed to be 6-phase, - the electric machine has a first 3-phase stator system, - the electric machine has a second 3-phase stator system, - the first stator system is electrically connected to the second stator system is disconnected, - the electrical system has a first 3-phase DC-AC converter ( 4 ), and - the electrical system comprises a second 3-phase DC-AC converter ( 5 ).
  2. Elektrisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das erste Statorsystem mit dem ersten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler wechselstromseitig verbunden ist, und – das zweite Statorsystem mit dem zweiten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler wechselstromseitig verbunden ist. Electrical system according to claim 1, characterized in that The first stator system is connected to the first DC-AC converter on the AC side, and - The second stator system is connected to the second DC-AC converter AC side.
  3. Elektrisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Gleichstromquelle und/oder -senke mit dem ersten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler gleichstromseitig verbunden ist, – die zweite Gleichstromquelle und/oder -senke mit dem zweiten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler gleichstromseitig verbunden ist. Electrical system according to claim 2, characterized in that The first DC source and / or sink is connected to the first DC-AC converter on the DC side, - The second DC power source and / or sink is connected to the DC side DC-DC converter on the DC side.
  4. Elektrisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Gleichstromquelle und/oder -senke eine erste Nennspannungslage und die zweite Gleichstromquelle und/oder -senke eine zweite Nennspannungslage aufweist, – die erste Nennspannungslage in Richtung höherer gleichpoliger Spannung größer ist als die zweite Nennspannungslage. Electrical system according to claim 3, characterized in that The first DC source and / or sink has a first nominal voltage position and the second DC source and / or sink has a second nominal voltage position, - The first nominal voltage position in the direction of higher Gleichpoliger voltage is greater than the second nominal voltage position.
  5. Elektrisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – das elektrische System einen ersten Schalter (6) und einen zweiten Schalter (7) umfasst, – der Pol höheren Potentials der beiden Pole der ersten 2-poligen Gleichstromquelle und/oder -senke mit dem Pol höheren Potentials der beiden Pole der zweiten 2-poligen Gleichstromquelle und/oder -senke über eine Serienschaltung des ersten Schalters und des zweiten Schalters verbunden ist, – der Pol höheren Potentials der beiden Pole der zweiten 2-poligen Gleichstromquelle und/oder -senke über den zweiten Schalter mit dem zweiten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler verbunden ist. Electrical system according to claim 4, characterized in that - the electrical system has a first switch ( 6 ) and a second switch ( 7 ), the pole of higher potential of the two poles of the first 2-pole DC source and / or sink with the pole of higher potential of the two poles of the second 2-pole DC source and / or sink via a series circuit of the first switch and the second Switch is connected, - the pole of higher potential of the two poles of the second 2-pole DC power source and / or sink via the second switch to the second DC-AC converter is connected.
  6. Elektrisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – bei geschlossenem ersten Schalter der zweite Schalter geöffnet ist, – bei geöffnetem ersten Schalter der zweite Schalter geschlossen ist. Electrical system according to claim 5, characterized in that When the first switch is closed, the second switch is open, - When the first switch is open, the second switch is closed.
  7. Elektrisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – bei geschlossenem ersten Schalter und geöffnetem zweiten Schalter die erste 2-polige Gleichstromquelle und/oder -senke die elektrische Maschine motorisch oder generatorisch über den ersten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler und den zweiten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler betreibbar ist. Electrical system according to claim 6, characterized in that - With the first switch closed and the second switch open, the first 2-pole DC power source and / or sink, the electric machine is motor or generator operated via the first DC-AC converter and the second DC-AC converter.
  8. Elektrisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – bei geöffnetem ersten Schalter und geschlossenem zweiten Schalter die erste 2-polige Gleichstromquelle und/oder -senke die elektrische Maschine motorisch über den ersten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler betreibbar ist und – bei geöffnetem ersten Schalter und geschlossenem zweiten Schalter die zweite 2-polige Gleichstromquelle und/oder -senke die elektrische Maschine generatorisch über den zweiten Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler ladbar ist. Electrical system according to claim 6, characterized in that - With the first switch open and the second switch closed, the first 2-pole DC power source and / or sink, the electric motor via the first DC-AC converter is operable and - with the first switch open and closed second switch, the second 2-pole DC power source and / or sink the electric machine is generatively charged via the second DC-AC converter.
  9. Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug das elektrische System nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst. Vehicle, characterized in that the vehicle comprises the electrical system according to one of the preceding claims.
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