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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Inverterschaltung für einen Elektromotor, welcher mindestens zwei Schaltmittel aufweist, welche dazu ausgebildet sind, linear angesteuert und als Stromquelle betrieben zu werden.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl unterschiedlicher Inverter beziehungsweise Inverterschaltungen für die Ansteuerung von Elektromotoren, insbesondere von Drehstrommotoren beziehungsweise Dreiphasenmotoren bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 196 00 807 A1 ein intelligentes, getrenntes Halbbrückenleistungsmodul mit wenigstens einem Leistungstransistor, mit welchem die Ansteuerung eines Elektromotors möglich ist.
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Eine andere Inverterschaltung des Standes der Technik zur Ansteuerung eines Elektromotors ist in 1 dargestellt. Diese weist eine Parallelschaltung 15 aus drei Halbbrückenschaltungen 10 auf. Jede der drei Halbbrückenschaltungen 10 umfasst zwei Schaltmittel 8, die innerhalb der Halbbrückenschaltung 10 in Reihe zueinander geschaltet sind. Jeweils zwischen den beiden Schaltmitteln 8 innerhalb jeweils einer Halbbrückenschaltung 10 ist ein Halbbrücken-Anschluss 6 angeordnet, über den die jeweilige Halbbrückenschaltung 10 der Inverterschaltung 20 mit einem Eingang eines Elektromotors verbindbar ist. Zur Ansteuerung eines solchen Elektromotors wird innerhalb jeweils einer Halbbrückenschaltung 10 maximal eines der beiden Schaltmittel 8 leitend geschaltet, während das jeweils andere Schaltmittel 8 innerhalb der Halbbrückenschaltung 10 gesperrt wird. Ferner weist die Inverterschaltung 20 einen ersten und einen zweiten Anschluss 11, 12 auf, zwischen denen die Parallelschaltung 15 aus den Halbbrückenschaltungen 10 angeordnet ist. Dabei ist der erste Anschluss 11 ferner mit einer ersten Elektrode eines Zwischenkreiskondensators 9 verbunden, während der zweite Anschluss 12 mit der zweiten Elektrode des Zwischenkreiskondensators 9 verbunden ist. Der Zwischenkreiskondensator 9 stellt dabei eine der wichtigsten Komponenten eines zwischen den Anschlüssen 11, 12 angeordneten, sogenannten Gleichspannungszwischenkreises dar. Ist die Inverterschaltung 20 mit einem Energiespeicher beziehungsweise einem Batteriesystem sowie einem Elektromotor verbunden, wird die Energie aus dem Energiespeicher beziehungsweise die aus dem Elektromotor, sofern dieser als Generator betrieben wird, als zurückgespeiste Energie in dem Zwischenkreiskondensator des Gleichspannungszwischenkreises zwischengespeichert.
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Im Falle der sogenannten Rekuperation, also dem bereits angesprochenen Rückspeisen von Energie von dem Elektromotor in das Batteriesystem, kann es passieren, dass die Schütze des Batteriesystems und damit die elektrische Verbindung zwischen dem Batteriesystem und der Inverterschaltung, aus Sicherheitsgründen geöffnet werden müssen. In diesem Fall steigt die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis beziehungsweise die Spannung über dem Zwischenkreiskondensator stark an. Der Zwischenkreiskondensator in Inverterschaltungen des Standes der Technik muss daher relativ groß dimensioniert werden, um den Spannungsanstieg über Selbigem zu begrenzen. Allerdings sind solche großen Zwischenkreiskondensatoren teuer und weisen einen großen Platzbedarf auf.
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Dem Stand der Technik sind daher bereits einige Ansätze bekannt, die darauf abzielen, den Zwischenkreiskondensator zu verkleinern. So offenbart beispielsweise die
DE 102 18 305 A1 eine Resonanz-Inverter-Schaltung mit sechs Hauptschalterelementen, die mittels einer Schaltsteuerung entweder durchlassend oder sperrend geschaltet werden können, wobei drei Gruppen aus je zwei Hauptschalterelementen jeweils eine Phase einer Dreiphasenbrücke enthalten und mit einer Dreiphasenbrücke verbunden sind. Jedem dieser Hauptschalterelemente ist dabei ein Überspannungsschutzkondensator zugeordnet.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Inverterschaltung für einen Elektromotor zur Verfügung gestellt, welche einen ersten und einen zweiten Anschluss umfasst, über welche die Inverterschaltung mit einem Energiespeicher verbindbar ist. Ferner umfasst die Inverterschaltung eine zwischen dem ersten und zweiten Anschluss angeordnete Parallelschaltung aus drei Halbbrückenschaltungen, wobei jede der Halbbrückenschaltungen jeweils zwei Schaltmittel aufweist, zwischen denen jeweils ein Halbbrücken-Anschluss angeordnet ist, über welchen die jeweilige Halbbrückenschaltung mit jeweils einem Eingang eines Elektromotors verbindbar ist. Erfindungsgemäß sind die beiden Schaltmittel mindestens einer der Halbbrückenschaltungen jeweils dazu ausgelegt, linear angesteuert und als Stromquelle betrieben zu werden, während das jeweils andere Schaltmittel der Halbbrückenschaltung leitend ist.
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Eine erfindungsgemäße Inverterschaltung ermöglicht den Betrieb eines mit der Inverterschaltung verbundenen Elektromotors, bei gleichzeitiger, aktiver Reduktion des Spannungsabfalls über einem mit der Inverterschaltung verbundenen Zwischenkreiskondensator. Bei der Auslegung der Inverterschaltung kann also ein, im Vergleich zu dem Stand der Technik, geringer dimensionierter Zwischenkreiskondensator vorgesehen werden. Wird das in einer Halbbrückenschaltung der Inverterschaltung nicht durchlassende Schaltmittel nicht gesperrt, sondern als Stromquelle betrieben, kann also der Spannungsabfall über dem Gleichspannungszwischenkreis reduziert und ein, im Vergleich zu den Inverterschaltungen des Standes der Technik, kleinerer Zwischenkreiskondensator verbaut beziehungsweise verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Anschluss mit der ersten Elektrode eines Zwischenkreiskondensators verbunden und der zweite Anschluss mit der zweiten Elektrode des Zwischenkreiskondensators verbunden. Dadurch ist die erfindungsgemäße Inverterschaltung fest mit einem Zwischenkreiskondensator verbunden.
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Vorzugsweise ist ein erster Anschluss mindestens eines Schaltmittels mindestens einer Halbbrückenschaltung mit der Kathode einer Schutzdiode verbunden, während der zweite Anschluss dieses mindestens einen Schaltmittels mit der Anode der Schutzdiode verbunden ist. Schutzdioden sind Halbleiterdioden, die zum Schutz vor Überspannungen und unerlaubten Spannungen gut eingesetzt werden können.
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Bevorzugt ist die Schutzdiode als Freilaufdiode ausgeführt. Vorteil der Verwendung einer Freilaufdiode ist, dass durch sie hohe Ströme sehr genau auf einen sehr geringen Wert begrenzt werden können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schaltmittel der Halbbrückenschaltungen als Transistoren ausgeführt. Mit Transistoren können elektrische Signale geschaltet und verstärkt werden, ohne dass dabei eine mechanische Bewegung ausgeführt werden muss. Transistoren sind bei anliegender Betriebsspannung umgehend betriebsbereit. Sie weisen geringe Verluste, eine sehr geringe Wärmeentwicklung und sehr geringe Abmessungen auf.
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Bevorzugt sind die Transistoren der Halbbrückenschaltung als IGBTs ausgeführt. Ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) kann wie eine Kombination aus Feldeffekt-Transistor und Bipolarem Transistor betrachtet werden, bei der ein N-Kanal Feldeffekttransistor einen PNP-Bipolartransistor ansteuert. Daher ist der IGBT bezüglich der Ansteuereigenschaften wie der Feldeffekttransistor als spannungsgesteuertes Bauelement anzusehen, welches eine Gate-Elektrode aufweist. Die weiteren Eigenschaften ähneln jedoch denen eines Bipolartransistors. Die Ansteuerung eines IGBTs erfolgt leistungslos wie bei einem Feldeffekttransistor. Ferner ist der IGBT aufgrund seines internen Aufbaus im Vergleich zum Feldeffekttransistor für deutlich höhere Betriebsspannungen verfügbar und weist niedrigere Verluste im Betrieb auf.
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Bevorzugt sind die Schaltmittel aller Halbbrückenschaltungen dazu ausgelegt, linear angesteuert und als Stromquelle betrieben zu werden, während das jeweils andere Schaltmittel der Halbbrückenschaltung leitend ist. In einer derartigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Inverterschaltung ist die im Betrieb entstehende Verlustleistung am gleichmäßigsten über den Halbbrückenschaltungen verteilt.
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Ferner wird eine Batterie mit einer erfindungsgemäßen Inverterschaltung bereitgestellt, wobei die Batterie besonders bevorzugt als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt ist. Vorteile solcher Batterien sind unter anderem in ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte sowie ihrer großen thermischen Stabilität gegeben. Ein weiterer Vorteil von Lithium-Ionen-Batterien ist, dass diese keinem Memory Effekt unterliegen.
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Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie mit einer erfindungsgemäßen Inverterschaltung zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Inverterschaltung des Standes der Technik zur Ansteuerung eines Elektromotors,
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2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Inverterschaltung, und
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3 eine Halbbrückenschaltung einer erfindungsgemäßen Inverterschaltung zur Darstellung der durch die Halbbrückenschaltung fließenden Ströme.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Inverterschaltung 20 dargestellt. Diese kann zur Ansteuerung eines Elektromotors, insbesondere eines Drehstrommotors verwendet werden. Die erfindungsgemäße Inverterschaltung 20 weist zwei Anschlüsse 11, 12 auf, zwischen denen eine Parallelschaltung 15 aus drei Halbbrückenschaltungen 10 angeordnet ist, welche jeweils zwei Schaltmittel 8 aufweisen. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist der erste Anschluss 11 der Inverterschaltung 20 mit den ersten Enden 1 der Halbbrückenschaltungen 10 verbunden, während der zweite Anschluss 12 der Inverterschaltung 20 mit den zweiten Enden 2 der Halbbrückenschaltungen 10 verbunden ist. Dabei sind die jeweils zwei Schaltmittel 8 innerhalb einer Halbbrückenschaltung 10 zueinander in Reihe geschaltet. Jeweils zwischen den beiden Schaltmitteln 8 innerhalb jeweils einer Halbbrückenschaltung 10 weisen die Halbbrückenschaltungen 10 jeweils einen Halbbrücken-Anschluss 6 auf. Über diesen Halbbrücken-Anschluss 6 ist jeweils eine Halbbrückenschaltung 10 mit jeweils einem Eingang eines Elektromotors beziehungsweise mit einem Strang einer Dreiphasenbrücke, verbindbar. Somit ist die Inverterschaltung 20 über jeweils einen Halbbrücken-Anschluss 6 mit zum Beispiel einem der u-, v- oder w-Drehstrom-Anschlüsse eines Drehstrommotors verbindbar. Mit anderen Worten ausgedrückt, weist die Inverterschaltung 20 sechs Schaltmittel 8 auf, von denen jeweils zwei eine Gruppe bilden. Innerhalb dieser Gruppen bilden die jeweils zwei Schaltmittel 8 eine Reihenschaltung beziehungsweise sind die beiden Schaltmittel 8 zueinander in Reihe geschaltet. Jeweils das erste Ende dieser Reihenschaltungen beziehungsweise das erste Ende 1 dieser Halbbrückenschaltungen 10, also jeweils der erste Anschluss des ersten Schaltmittels 8 in jeder Gruppe, ist mit dem ersten Anschluss 11 der Inverterschaltung 20 verbunden, während das zweite Ende der Reihenschaltungen beziehungsweise das zweite Ende 2 der Halbbrückenschaltungen 10, also jeweils der zweite Anschluss des jeweils zweiten Schaltmittels 8 in jeder Gruppe, mit dem zweiten Anschluss 12 der Inverterschaltung 20 verbunden ist. Die elektrische Verbindung zwischen zwei Schaltmitteln 8 jeweils einer Reihenschaltung einer Gruppe ist mit einem der Eingänge eines Elektromotors verbindbar.
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Ist die Inverterschaltung 20 also mit ihren Anschlüssen 11, 12 beispielsweise an ein Batteriesystem und zusätzlich über die Halbbrücken-Anschlüsse 6 mit den u-, v- und w-Drehstrom-Anschlüssen eines Drehstrommotors verbunden, kann über eine bestimmte Ansteuerung der Schaltmittel 8 ein jeweiliger der u-, v-, oder w-Drehstromanschlüsse mit entweder dem positiven oder dem negativen Pol des Batteriesystems verbunden werden.
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In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Inverterschaltung 20 ist ein Zwischenkreiskondensator 9 zwischen die Anschlüsse 11, 12 der Inverterschaltung 20 geschaltet. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist der erste Anschluss 11 der Inverterschaltung 20 mit einer ersten Elektrode des Zwischenkreiskondensators 9 verbunden, während der zweite Anschluss 12 der Inverterschaltung 20 mit der zweiten Elektrode des Zwischenkreiskondensators 9 verbunden ist. Dabei ist die Verwendung eines Zwischenkreiskondensators 9 in einer erfindungsgemäßen Inverterschaltung 20 rein optional. Es können auch erfindungsgemäße Inverterschaltungen 20 ohne einen Zwischenkreiskondensator 9 ausgeführt werden. Solche Inverterschaltungen 20 können dann beispielsweise über ihre Anschlüsse 11, 12 mit einem Gleichspannungszwischenkreis verbindbar sein. Auch die Höhe der Kapazität des Zwischenkreiskondensators 9 beziehungsweise die Gesetzmäßigkeit für die Bestimmung derselben ist in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft gewählt.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind alle sechs Schaltmittel 8 als IGBTs ausgeführt. Die Ausführung als IGBTs ist dabei zwar bevorzugt, jedoch nicht zwingend. Es können auch erfindungsgemäße Inverterschaltungen 20 mit anderen Arten von Schaltmitteln 8, beispielsweise unter Verwendung von MOSFETs oder anderen Biploartransistoren realisiert werden. Des Weiteren können innerhalb einer Inverterschaltung 20 auch unterschiedliche Arten von Schaltmitteln 8 nebeneinander zur Anwendung kommen.
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Ferner ist in diesem Ausführungsbeispiel jedem Schaltmittel 8 jeweils eine als Freilaufdiode ausgeführte Schutzdiode 17 zugeordnet. Dabei ist jeweils der erste Anschluss eines Schaltmittels 8 in diesem Ausführungsbeispiel mit jeweils der Kathode der jeweils dem Schaltmittel 8 zugeordneten Freilaufdiode verbunden, während jeweils der zweite Anschluss des jeweiligen Schaltmittels 8 mit der Anode der jeweils dem Schaltmittel 8 zugeordneten Freilaufdiode verbunden ist. Dadurch weisen die Freilaufdioden aller Schaltmittel 8 innerhalb der Inverterschaltung 20 die gleiche Orientierung auf. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist die Schaltstrecke eines jeden Schaltmittels 8 innerhalb der Halbbrückenschaltungen 10 parallel geschaltet zu einer Schutzdiode 17. Dabei ist die Verwendung einer Schutzdiode 17 innerhalb einer erfindungsgemäßen Inverterschaltung 20 rein optional und deren Orientierung sowie Ausführung als Freilaufdiode in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft gewählt. Es können auch erfindungsgemäße Inverterschaltungen 20 realisiert sein, in denen nur einige der Schaltmittel 8 mit Schutzdioden 17 verbunden sind. Mit anderen Worten ausgedrückt, können auch erfindungsgemäße Inverterschaltungen 20 realisiert sein, in denen jeweils der erste Anschluss eines Schaltmittels 8 mit jeweils der Anode einer jeweils dem Schaltmittel 8 zugeordneten Freilaufdiode verbunden ist, während jeweils der zweite Anschluss des jeweiligen Schaltmittels 8 mit der Kathode einer jeweils dem Schaltmittel 8 zugeordneten Freilaufdiode verbunden ist.
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Erfindungsgemäß sind in dem Ausführungsbeispiel der 2 alle Schaltmittel 8 der Halbbrückenschaltungen 10 der Inverterschaltung 20 dazu ausgebildet, linear angesteuert und als Stromquelle betrieben zu werden, während das jeweils andere Schaltmittel 8 einer jeweiligen Halbbrückenschaltung 10 leitend ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist es möglich, die Schaltmittel 8 der Halbbrückenschaltungen in einem Zustand zu betreiben, der zwischen dem hochohmigen und dem niederohmigen Zustand des Schaltmittels 8 liegt. Es ist also möglich, ein beliebiges Schaltmittel 8 innerhalb einer Halbbrückenschaltung 10 der erfindungsgemäßen Inverterschaltung 20 nicht vollständig durchzuschalten, während das andere Schaltmittel 8 innerhalb der jeweiligen Halbbrückenschaltung 10 leitend beziehungsweise vollständig durchgeschaltet ist. Somit kann innerhalb einer Halbbrückenschaltung 10 ein Schaltmittel 8 leitend geschaltet werden, während das verbleibende Schaltmittel 8 der Halbbrückenschaltung 10 nicht gesperrt, sondern als Stromquelle beziehungsweise im Linearbetrieb oder anders ausgedrückt, nicht vollständig durchgeschaltet betrieben wird. Dadurch wird der Spannungsabfall über dem gegenüber dem Stand der Technik nicht gesperrten, sondern linear als Stromquelle betriebenen Schaltmittel 8 reduziert. Dabei müssen in einer erfindungsgemäßen Inverterschaltung 20 nicht alle Schaltmittel 8 dazu ausgelegt sein, linear angesteuert und als Stromquelle betrieben zu werden, während das jeweils andere Schaltmittel 8 der jeweiligen Halbbrückenschaltung 10 leitend ist. Es können auch erfindungsgemäße Inverterschaltungen 20 ausgeführt sein, in denen nur die Schaltmittel 8 innerhalb einer oder zweier Halbbrückenschaltung/en 10 dazu ausgelegt sind, linear angesteuert und als Stromquelle betrieben zu werden, während das jeweils andere Schaltmittel 8 der jeweiligen Halbbrückenschaltung 10 leitend ist.
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Die 3 zeigt eine Halbbrückenschaltung 10 einer erfindungsgemäßen Inverterschaltung 20 zur Darstellung der durch die Halbbrückenschaltung 10 fließenden Ströme. Die in 3 dargestellte Halbbrückenschaltung 10 ist dabei wie eine Halbbrückenschaltung 10 des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels ausgestaltet. Ferner ist die Halbbrückenschaltung 10 der 3 innerhalb einer, zu der in 2 im dargestellten Ausführungsbeispiel identischen Inverterschaltung 20 angeordnet beziehungsweise verschaltet. In dem Ausführungsbeispiel der 3 ist die Inverterschaltung 20, von der lediglich eine Halbbrückenschaltung 10 dargestellt ist, über ihre Anschlüsse mit einem Batteriesystem und über die Halbbrücken-Anschlüsse 6 mit einem Elektromotor verbunden. Innerhalb der Halbbrückenschaltung 10 fließende Ströme werden in 3, unter Beachtung der jeweiligen Stromflussrichtung, jeweils neben den elektrischen Verbindungen der Halbbrückenschaltung, in denen die Ströme tatsächlich fließen, durch Pfeile angedeutet. Dabei zeigt die 3 den Fall, in dem das obere Schaltmittel 8 der Halbbrückenschaltung 10 durchgeschaltet, also leitend ist, während das untere Schaltmittel 8 der Halbbrückenschaltung 10 linear, das heißt als Stromquelle, betrieben wird. Während des Normalbetriebs als auch während der Rekuperation des Elektromotors ergeben sich dann die in 3 dargestellten Stromverläufe 30 (Stromverlauf zu bzw. vom Motor), 40 (Begrenzungsstrom) durch die Halbbrückenschaltung 10. Wird hingegen das untere Schaltmittel 8 innerhalb der Halbbrückenschaltung 10 durchgeschaltet, das heißt leitend geschaltet, wird das obere Schaltmittel 8 der Halbbrückenschaltung 10 als Stromquelle beziehungsweise im Linearbetrieb betrieben. Für diesen Fall ergeben sich dann andere, in 3 nicht dargestellte Stromverläufe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19600807 A1 [0002]
- DE 10218305 A1 [0005]
