DE102012220259A1 - Vehicle e.g. hybrid vehicles, has extension circuit that is connected in series to second power unit, and is respectively connected to each phases of electric machine - Google Patents

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Abstract

The vehicle has an inverter (1a) which is provided with half-bridge. Each phase of the electrical machine (1) is associated with one of the half-bridge of the inverter. The lower potential associated sections of the first power unit and the second power unit (4) are provided at a common electrical reference potential. The extension circuit (3a) is connected in series to the second power unit, and is respectively connected to each phases of the electric machine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine, mit einer ersten für Gleichspannung geeigneten Leistungseinheit und mit einem Umrichter, welcher Halbbrücken umfasst, wobei jeder Phase der elektrischen Maschine eine der Halbbrücken des Umrichters zugeordnet ist.The invention relates to a vehicle having an electric machine, having a first power unit suitable for DC voltage and having a converter, which comprises half bridges, wherein each phase of the electric machine is associated with one of the half bridges of the converter.

Moderne Fahrzeuge, insbesondere Hybridfahrzeuge, verfügen über einen (teil-)elektrifizierten Antriebsstrang und häufig auch eine externe Lademöglichkeit. Das Bordnetz solcher Fahrzeuge ist komplex und weist im Vergleich zu einem Fahrzeug mit einem konventionellen Bordnetz zusätzliche elektrische Komponenten auf. Dies betrifft zum Beispiel eine elektrische Maschine, die sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ist, und einen dieser elektrischen Maschine zugeordneten Umrichter.Modern vehicles, especially hybrid vehicles, have a (partially) electrified powertrain and often also an external charging option. The electrical system of such vehicles is complex and has in comparison to a vehicle with a conventional electrical system on additional electrical components. This relates, for example, to an electrical machine which can be operated both as a motor and as a generator, and to a converter assigned to this electrical machine.

Das Bordnetz von Hybridfahrzeugen weist zudem typischerweise Teilbordnetze mit unterschiedlichen Nennspannungslagen auf. Konventionelle Leistungsverbraucher sind in ein in der Automobilindustrie weit verbreitetes Teilbordnetz auf einer Nennspannungslage von 12 Volt integriert. Die Antriebselektrifizierung ist infolge eines höheren Leistungsbedarfs Teil eines Bordnetzes auf einer höheren Nennspannungslage. Je nach Grad der Elektrifizierung des Fahrzeugs reicht diese Spannungslage von 24 Volt bei Micro-Hybrid-Fahrzeugen bis zu mehreren hundert Volt bei vollelektrischen Fahrzeugen. Zwischen diesen Teilbordnetzen kann elektrische Leistung in der Regel durch einen Gleichstromsteller, der auch als DC/DC-Wandler bezeichnet wird, ausgetauscht werden.The electrical system of hybrid vehicles also typically has sub-electrical systems with different nominal voltage levels. Conventional power consumers are integrated in a widely used in the automotive industry sub-board network to a nominal voltage of 12 volts. The drive electrification is due to a higher power consumption part of a vehicle electrical system on a higher nominal voltage position. Depending on the degree of electrification of the vehicle, this voltage range from 24 volts for micro-hybrid vehicles to several hundred volts for fully electric vehicles. Electrical power can usually be exchanged between these subbord networks by means of a DC converter, which is also referred to as a DC / DC converter.

Die Schrift DE 10 2008 037 064 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung, in welche zwei elektrische Energiespeicher in zwei Teilbordnetzen integriert sind, wobei einer der Energiespeicher zumindest zeitweise eine elektrische Maschine versorgt.The font DE 10 2008 037 064 A1 describes a circuit arrangement in which two electrical energy storage devices are integrated into two sub-board networks, one of the energy storage devices at least temporarily supplying an electrical machine.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine, mit einer ersten für Gleichspannung geeignete Leistungseinheit und mit einem Umrichter, welcher Halbbrücken umfasst, wobei jeder Phase der elektrischen Maschine eine der Halbbrücken des Umrichters zugeordnet ist, zu beschreiben.It is an object of the invention to describe an improved vehicle having an electric machine, with a first power unit suitable for DC voltage and with a converter comprising half bridges, wherein each phase of the electric machine is associated with one of the half bridges of the converter.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a vehicle according to claim 1. Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims.

Erfindungsgemäß umfasst das Fahrzeug eine zweite für Gleichspannung geeignete Leistungseinheit, wobei der dem niedrigeren Potential zugeordnete Teil der ersten Leistungseinheit und der dem niedrigeren Potential zugeordnete Teil der zweiten Leistungseinheit auf einem gemeinsamen elektrischen Bezugspotential liegen und die erste Leistungseinheit eine höhere Nennspannungslage als die zweite Leistungseinheit aufweist, das Fahrzeug eine Erweiterungsschaltung aufweist, welche in Serie zu der zweiten Leistungseinheit geschaltet ist und welche jeweils mit jeder Brückenmitte der den Phasen der elektrischen Maschine zugeordneten Halbbrücken verbunden ist.According to the invention, the vehicle comprises a second power unit suitable for DC voltage, wherein the part of the first power unit assigned to the lower potential and the part of the second power unit assigned to the lower potential are at a common electrical reference potential and the first power unit has a higher nominal voltage position than the second power unit, the vehicle has an expansion circuit which is connected in series with the second power unit and which is connected to each bridge center of the half-bridges associated with the phases of the electrical machine.

Dies bedeutet, dass die Erweiterungsschaltung zwischen den Brückenmitten und der zweiten Leistungseinheit befindlich ist. Die Erweiterungsschaltung schaltet Potentiale zwischen der Brückenmitte und dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit. In diesem Dokument ist mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit jener Teil oder jene elektrische Schnittstelle der Leistungseinheit bezeichnet, die bestimmungsgemäß dem höheren Potential der Gleichspannung zugeordnet ist. Mit dem niedrigeren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit ist jener Teil oder jene elektrische Schnittstelle der Leistungseinheit bezeichnet, die bestimmungsgemäß dem niedrigeren Potential der Gleichspannung zugeordnet ist.This means that the expansion circuit is located between the bridge centers and the second power unit. The expansion circuit switches potentials between the bridge center and the part of the second power unit assigned to the higher potential. In this document, the part of the second power unit assigned to the higher potential designates that part or electrical interface of the power unit which as intended is assigned to the higher potential of the DC voltage. The part of the second power unit assigned to the lower potential is that part or electrical interface of the power unit which is assigned as intended to the lower potential of the DC voltage.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zum Schalten des Umrichters und der Erweiterungsschaltung ein pulsweitenmoduliertes Taktverfahren anwendbar.According to a preferred embodiment of the invention, a pulse width modulated clock method is applicable for switching the inverter and the expansion circuit.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, und in einem Takt mit negativem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem Pluspol der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der ersten Leistungseinheit zu der zweiten Leistungseinheit zu bewirken.It is particularly advantageous if the function of a power source can be taken by the first power unit, the function of a power sink can be taken by the second power unit, and in a cycle with negative phase current through the expansion circuit, the electrical potential of a bridge center with the positive pole of the second power unit is connectable to cause a flow of electrical energy from the first power unit to the second power unit.

Dies bedeutet, dass die Erweiterungsschaltung im Verbund mit dem Umrichter und der elektrischen Maschine als Tiefsetzsteller von der ersten Leistungseinheit zu der zweiten Leistungseinheit wirkt. This means that the expansion circuit in combination with the converter and the electric machine acts as a step-down converter from the first power unit to the second power unit.

Nach einer weiteren Variante der Erfindung ist die zweite Leistungseinheit als elektrische Last oder sekundärer Energiespeicher ausgeführt und es weist die Erweiterungsschaltung für jede Phase eine Reihenschaltung von zwei gegenläufig geschalteten Dioden auf, wobei eine Diode der Phase zugeordnet ist und eine Diode der zweiten Leistungseinheit zugeordnet ist, und die bezüglich negativem Phasenstrom in Sperrrichtung geschaltete Diode mit einem Schalter überbrückbar ist.According to a further variant of the invention, the second power unit is designed as an electrical load or secondary energy store and the expansion circuit has for each phase a series connection of two diodes connected in opposite directions, one diode being associated with the phase and one diode being associated with the second power unit, and the negative-phase-reverse-connected diode can be bridged with a switch.

Dabei kann durch den Schalter die Verbindung der Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit hergestellt werden, um den Energietransfer zu der zweiten Leistungseinheit zu ermöglichen.In this case, the connection of the bridge center with the part of the second power unit assigned to the higher potential can be produced by the switch in order to enable the energy transfer to the second power unit.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, und in einem Takt mit positivem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem Pluspol der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der zweiten Leistungseinheit zu der ersten Leistungseinheit zu bewirken.Furthermore, it is advantageous if the function of a power sink can be taken by the first power unit, the function of a power source can be taken by the second power unit, and the electrical potential of a bridge center can be connected to the positive pole of the second power unit in a clock with positive phase current through the expansion circuit is to cause a flow of electrical energy from the second power unit to the first power unit.

Dies bedeutet, dass die Erweiterungsschaltung im Verbund mit dem Umrichter und der elektrischen Maschine als Tiefsetzsteller von der ersten Leistungseinheit zu der zweiten Leistungseinheit wirkt.This means that the expansion circuit in combination with the converter and the electric machine acts as a step-down converter from the first power unit to the second power unit.

Nach einer Variante der Erfindung ist die erste Leistungseinheit als elektrische Last oder sekundärer Energiespeicher ausgeführt, es weist die Erweiterungsschaltung für jede Phase eine Reihenschaltung von zwei gegenläufig geschalteten Dioden auf, wobei eine Diode der Phase zugeordnet ist und eine Diode der zweiten Leistungseinheit zugeordnet ist, und die bezüglich negativem Phasenstrom in Durchlassrichtung geschaltete Diode mit einem Schalter überbrückbar ist.According to a variant of the invention, the first power unit is designed as an electrical load or secondary energy storage, it has the expansion circuit for each phase, a series circuit of two counter-connected diodes, wherein a diode is assigned to the phase and a diode of the second power unit is assigned, and which can be bridged with respect to the negative phase current in the forward direction diode connected to a switch.

Dabei kann durch den Schalter die Verbindung der Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit hergestellt werden, um den Energietransfer zu der ersten Leistungseinheit zu ermöglichen.In this case, the connection of the bridge center with the part of the second power unit assigned to the higher potential can be produced by the switch in order to enable the energy transfer to the first power unit.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, in einem Takt mit negativem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der ersten Leistungseinheit zu der zweiten Leistungseinheit zu bewirken, und in einem Takt mit positivem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der zweiten Leistungseinheit zu der ersten Leistungseinheit zu bewirken.A particularly preferred embodiment of the invention results if the function of a power sink can be taken by the first power unit, the function of a power source can be taken by the first power unit, the function of a power source can be taken by the second power unit, the function of a second power unit Power sink is einnehmbar, in a clock with negative phase current through the expansion circuit, the electrical potential of a bridge center with the higher potential associated part of the second power unit is connectable to cause a flow of electrical energy from the first power unit to the second power unit, and in one Clock with positive phase current through the expansion circuit, the electrical potential of a bridge center with the higher potential associated part of the second power unit is connectable to a flow of electrical energy from the two ten unit of power to the first power unit to effect.

Dies bedeutet, dass die Erweiterungsschaltung im Verbund mit dem Umrichter und der elektrischen Maschine je nach Anforderung zu einem jeweiligen Betriebszeitpunkt als Tiefsetzsteller von der ersten Leistungseinheit zu der zweiten Leistungseinheit wirkt und als Hochsetzsteller von der zweiten Leistungseinheit zu der ersten Leitungseinheit wirken kann.This means that the expansion circuit in combination with the converter and the electrical machine acts as a step-down converter from the first power unit to the second power unit and can act as a step-up converter from the second power unit to the first line unit as required at a respective operating time.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Leistungseinheit als sekundärer Energiespeicher ausgeführt, es ist die zweite Leistungseinheit als sekundärer Energiespeicher ausgeführt, wobei die Erweiterungsschaltung für jede Phase eine Reihenschaltung von zwei gegenläufig geschalteten Dioden aufweist und beide Dioden jeweils mit einem Schalter überbrückbar sind.According to a preferred embodiment, the first power unit is designed as a secondary energy storage, it is the second power unit designed as a secondary energy storage, the expansion circuit for each phase has a series connection of two counter-connected diodes and both diodes are each bridged with a switch.

Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Hybrid- und Elektrofahrzeuge mit einem Gleich- bzw. Wechselrichter besitzen eine elektrische Maschine, die je nach Fahrzustand motorisch und/oder generatorisch betreibbar ist. Bei Fahrzeugen mit einem typischerweise zumindest zweiteiligen Bordnetz mit einer Spannungslage von einerseits beispielhaft 48 Volt, in welches die elektrische Maschine eingebunden ist, und mit einer Spannungslage von 12 Volt für konventionelle elektrische Verbraucher kommt in der Regel zusätzlich ein Gleichstromsteller zum Einsatz. Beide Teilbordnetze sind galvanisch miteinander verbunden. Nachteilig ist, dass Synergieeffekte zwischen Gleichstromsteller und Gleich- bzw. Wechselrichter bisher völlig ungenutzt bleiben. Es wird eine neuartige Schaltungstopologie vorgeschlagen, bei der die Funktionalitäten beider Geräte in einem Gerät vereinbar sind. Dieses eine Gerät ist in Bezug auf Bauraumbedarf, Kosten und Komplexität günstiger als die Summe aus einem Gleichstromsteller und einem Umrichter.The invention is based on the following considerations:
Hybrid and electric vehicles with a DC or inverter have an electric machine that can be operated by motor and / or generator depending on the driving condition. In vehicles with a typically at least two-piece electrical system with a voltage of one hand, for example, 48 volts, in which the electric machine is integrated, and with a voltage of 12 volts for conventional electrical loads is usually also a DC chopper used. Both sub-networks are galvanically connected. The disadvantage is that synergy effects between DC and DC or inverter so far remain completely unused. A novel circuit topology is proposed in which the functionalities of both devices are compatible in one device. This one device is in terms of space requirements, cost and complexity cheaper than the sum of a DC chopper and a converter.

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 zeigen schematischHereinafter, 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, show schematically

1–7 Verschiedene Schaltungstopologien 1 - 7 Various circuit topologies

8 Schaltverfahren. 8th Switching method.

1–7 zeigt jeweils eine Schaltungstopologie eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, das über eine elektrische Maschine (3) verfügt. Als elektrische Maschine wird exemplarisch ein Elektromotor betrachtet, der bei einer Nennspannungslage von 48 Volt des ersten Energiespeichers zum elektrischen Kriechen des Fahrzeugs und zum Zustarten eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs im motorischen Betrieb nutzbar ist bzw. zur Rückgewinnung von Bremsenergie im generatorischen Betrieb nutzbar ist. Um dies gewährleisten zu können, ist dem Elektromotor ein Gleich- bzw. Wechselrichter (1a) mit drei Halbbrücken, bestehend aus jeweils zwei in Serie geschalteten Schaltelementen (HS1–HS3 und LS4–LS6) mit Mittenabgriff für jede Phase (u, v, w) der dreiphasigen elektrischen Maschine zugeordnet. Alternativ kann eine Maschine mit beliebig vielen Phasen eingesetzt werden. 1 - 7 shows in each case a circuit topology of a hybrid or electric vehicle, which via an electrical machine ( 3 ). As an electric machine, an electric motor is considered as an example, which can be used in a nominal voltage position of 48 volts of the first energy storage for electrical creep of the vehicle and for starting an internal combustion engine of the vehicle in engine operation or for recovery of braking energy in regenerative operation is available. To ensure this, the electric motor is a DC or inverter ( 1a ) with three half-bridges, each consisting of two series-connected switching elements (HS1-HS3 and LS4-LS6) with center tap assigned to each phase (u, v, w) of the three-phase electric machine. Alternatively, a machine with any number of phases can be used.

Die elektrische Maschine wird mit einem dem Fachmann bekannten pulsweitenmodulierten Schaltverfahren angesteuert, um einen sinusförmigen Dreiphasen-Wechselstrom zum Speisen der elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen. Zu diesem Zweck wird ein Umrichter genutzt, der im Wesentlichen aus drei High-Side-Schaltern (HS1, HS2, HS3) und drei Low-Side-Schaltern (LS4, LS5, LS6) besteht. Jeweils eine Serienschaltung eines High-Side-Schalters und eines Low-Side-Schalters bildet eine Halbbrücke, wobei die Brückenmitte jeder Halbbrücke jeweils mit einer Phase (u, v, w) der elektrischen Maschine verbunden ist.The electric machine is driven by a pulse-width modulated switching method known to the person skilled in the art in order to provide a sinusoidal three-phase alternating current for feeding the electric machine. For this purpose, an inverter is used, which essentially consists of three high-side switches (HS1, HS2, HS3) and three low-side switches (LS4, LS5, LS6). In each case, a series connection of a high-side switch and a low-side switch forms a half-bridge, wherein the bridge center of each half-bridge is in each case connected to a phase (u, v, w) of the electrical machine.

Die Schaltung bestehend aus dem Umrichter und der elektrischen Maschine wird gemäß der 1–7 um eine Erweiterungsschaltung (3a–3g) ergänzt. Diese Erweiterungsschaltung befindet sich jeweils zwischen der Brückenmitte und der zweiten Leistungseinheit in Reihe, wobei die Erweiterungsschaltung jeweils eine Schnittstelle mit jeder der Brückenmitten aufweist, d. h. mit jeder der Phasen der elektrischen Maschine aufweist.The circuit consisting of the inverter and the electric machine is according to the 1 - 7 an expansion circuit ( 3a - 3g ) added. This expansion circuit is in each case between the bridge center and the second power unit in series, wherein the expansion circuit in each case has an interface with each of the bridge centers, ie having each of the phases of the electrical machine.

Jeder der Erweiterungsschaltungen gemäß den 1–7 umfasst eine bestimmte Zahl von Schaltern und Dioden.Each of the expansion circuits according to 1 - 7 includes a certain number of switches and diodes.

Nach den Ausführungsformen in den 1–3 verfügt das Fahrzeug über eine erste elektrische Leistungseinheit (2), die zumindest als elektrische Leistungsquelle fungieren kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die erste elektrische Leistungseinheit als sekundärer elektrischer Energiespeicher oder als eine Brennstoffzelle ausgeführt ist. Bevorzugt kann die erste Leistungseinheit zusätzlich als elektrische Leistungssenke fungieren. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die erste elektrische Leistungseinheit als sekundärer elektrischer Energiespeicher ausgeführt ist. Ferner verfügt das Fahrzeug über eine zweite elektrische Leistungseinheit (4), die elektrische Leistungssenke und bevorzugt zusätzlich als elektrische Leistungsquelle fungieren kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die erste elektrische Leistungseinheit als sekundärer elektrischer Energiespeicher ausgeführt ist. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird als Spannungslage für die erste Leistungseinheit eine Spannungslage von 48 Volt angenommen und für die zweite Leistungseinheit von 12 Volt.According to the embodiments in the 1 - 3 the vehicle has a first electric power unit ( 2 ), which can act at least as an electric power source. This is for example the case when the first electric power unit is designed as a secondary electrical energy storage or as a fuel cell. Preferably, the first power unit can additionally function as an electrical power sink. This is for example the case when the first electric power unit is designed as a secondary electrical energy storage. Furthermore, the vehicle has a second electric power unit ( 4 ), the electric power sink and preferably additionally can act as an electrical power source. This is for example the case when the first electric power unit is designed as a secondary electrical energy storage. Without limiting the generality, the voltage level for the first power unit assumes a voltage level of 48 volts and for the second power unit 12 volts.

Gemäß den Ausführungsformen in den 4–5 verfügt das Fahrzeug über eine erste elektrische Leistungseinheit (2'), die zumindest als elektrische Leistungsquelle fungieren kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die erste elektrische Leistungseinheit als sekundärer elektrischer Energiespeicher oder als eine Brennstoffzelle ausgeführt ist. Ferner verfügt das Fahrzeug über eine zweite elektrische Leistungseinheit (4), die als elektrische Leistungssenke fungieren kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die erste elektrische Leistungseinheit als sekundärer elektrischer Energiespeicher oder als eine einfache elektrische Last mit einem vorgeschalteten Zwischenkreiskondensator ausgeführt ist. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird als Spannungslage für die erste Leistungseinheit eine Nennspannungslage von 48 Volt angenommen und für die zweite Leistungseinheit, z. B. für die elektrischen Verbraucher, eine Nennspannungslage von 12 Volt angenommen.According to the embodiments in FIGS 4 - 5 the vehicle has a first electric power unit ( 2 ' ), which can act at least as an electric power source. This is for example the case when the first electric power unit is designed as a secondary electrical energy storage or as a fuel cell. Furthermore, the vehicle has a second electric power unit ( 4 ), which can act as electrical power sink. This is the case, for example, if the first electrical power unit is designed as a secondary electrical energy store or as a simple electrical load with an upstream DC link capacitor. Without limiting the generality is assumed as voltage level for the first power unit, a nominal voltage position of 48 volts and for the second power unit, z. B. for the electrical loads, a nominal voltage of 12 volts assumed.

Gemäß den Ausführungsformen in den 6–7 verfügt das Fahrzeug über eine erste elektrische Leistungseinheit (2''), die als elektrische Leistungssenke fungieren kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die erste elektrische Leistungseinheit als sekundärer elektrischer Energiespeicher oder als eine einfache elektrische Last mit einem Zwischenkreiskondensator ausgeführt ist. Ferner verfügt das Fahrzeug über eine zweite elektrische Leistungseinheit (4''), die zumindest als elektrische Leistungsquelle fungieren kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die zweite elektrische Leistungseinheit als sekundärer elektrischer Energiespeicher oder als eine Brennstoffzelle ausgeführt ist. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird als Spannungslage für die erste Leistungseinheit, z. B. für die elektrischen Verbraucher, eine Nennspannungslage von 48 Volt angenommen und für die zweite Leistungseinheit eine Nennspannungslage von 12 Volt angenommen.According to the embodiments in FIGS 6 - 7 the vehicle has a first electric power unit ( 2 '' ), which can act as electrical power sink. This is the case, for example, if the first electrical power unit is designed as a secondary electrical energy store or as a simple electrical load with a DC link capacitor. Furthermore, the vehicle has a second electric power unit ( 4 '' ), which can act at least as an electric power source. This is for example the case when the second electric power unit is designed as a secondary electrical energy storage or as a fuel cell. Without limiting the generality is as voltage level for the first power unit, z. B. for the electrical loads, assumed a nominal voltage of 48 volts and assumed a rated voltage position of 12 volts for the second power unit.

Anhand von 8a und 8b wird das Funktionsprinzip der Erweiterungsschaltung (ES) in den Ausführungsformen gemäß 1–7 erläutert. Exemplarisch wird die Erweiterungsschaltung (3a) aus 1 und zur Vereinfachung eine Phase der elektrischen Maschine bzw. des Umrichters herangezogen. Es ist die regelungstechnische Aufgabe, welche der Beschaltung des Umrichters zugrunde liegt, im Wesentlichen einen sinusförmigen Spannungsverlauf an der der Phase zugeordneten Brückenmitte zu erzielen. Gemäß der in den 8a und 8b gewählten Darstellung verläuft die sinusförmige Spannung an der Brückenmitte zwischen den maximalen Werten 48 Volt und 0 Volt, d. h. mit einer maximalen Amplitude von 24 Volt bezüglich des eines Spannungsoffset von 24 Volt. Als Bezugspotential dient jeweils der dem niedrigeren Potential zugeordnete Teil der beiden Leistungseinheiten. Dieses Bezugspotential wird weiterhin auch als Masse bezeichnet.Based on 8a and 8b the operation principle of the expansion circuit (ES) in the embodiments according to 1 - 7 explained. As an example, the expansion circuit ( 3a ) out 1 and for simplicity, a phase of the electrical machine or the inverter used. It is the control technical task, which is based on the wiring of the inverter, to achieve substantially a sinusoidal voltage curve at the bridge center associated with the phase. According to the in the 8a and 8b As shown, the sinusoidal voltage at the bridge center is between the maximum values of 48 volts and 0 volts, ie with a maximum amplitude of 24 volts with respect to a voltage offset of 24 volts. The reference potential used is in each case the part of the two power units assigned to the lower potential. This reference potential is also referred to as ground.

Es wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit jene Phase ausgewählt, die der Halbbrücke mit den Schaltern HS1 und LS4 zugeordnet ist und die als Phase (u) bezeichnet ist. Außerdem beziehen sich die 8a und 8b auf jeweils einen Takt des pulsweitenmodulierten Schaltverfahrens des Umrichters. Exemplarisch wird derjenige Takt gezeigt, der die Brückenmitte über den Takt gemittelt auf das Potential 24 Volt gegenüber der Masse legt.Without loss of generality, the phase assigned to the half-bridge with the switches HS1 and LS4, which is designated as phase (u), is selected. In addition, the relate 8a and 8b in each case one clock of the pulse width modulated switching method of the inverter. As an example, the clock is shown, which averaged the center of the bridge over the clock to the potential 24 Volts across from the ground.

In 8a ist dieser Takt für einen konventionellen Umrichter gezeigt, d. h. ohne eine Erweiterungsschaltung (3a) bis (3g) und die zweite Leistungseinheit. Die Schalter HS1 und LS4 werden komplementär mit einer Totzeit geschaltet, d. h. zu keinem Zeitpunkt sind beide Schalter geschlossen (Abbildung unten in 8a). Dies würde andernfalls einen Kurzschluss der beiden Polaritäten der ersten Leistungseinheit bedeuten. In dem gezeigten Beispiel beträgt das Schaltzeitverhältnis x des Schalters HS1 in Bezug auf die Taktzeit TTakt x = 50%. Über die Taktzeit gemittelt liegt die Brückenmitte also näherungsweise auf dem Potential UBrückenmitte = x·48 Volt + y·0 Volt = 24 Volt (Gleichung 1) (8a oben) mit x = 50% und y = 50% (Schaltzeit von LS4 bezogen auf die Taktzeit) und einer in diesem Takt angenommenen Spannungslage des höheren Potentials der ersten Leistungseinheit bei 48 Volt.In 8a this clock is shown for a conventional inverter, ie without an expansion circuit ( 3a ) to ( 3g ) and the second power unit. The switches HS1 and LS4 are complementarily switched with a dead time, ie at no time are both switches closed (Figure below in FIG 8a ). Otherwise, this would mean a short circuit of the two polarities of the first power unit. In the example shown, the switching time ratio x of the switch HS1 with respect to the cycle time T clock x = 50%. Averaged over the cycle time, the bridge center is approximately at the potential U bridge center = x x 48 volts + y x 0 volts = 24 volts (Equation 1) ( 8a above) with x = 50% and y = 50% (switching time of LS4 with respect to the cycle time) and a voltage of the higher potential of the first power unit assumed at this clock at 48 volts.

Dieses Schaltprinzip wird gemäß 8b auf die Schaltungstopologien gemäß 1-7 übertragen. Hierbei wird anstelle des Einschaltens von Schalter LS4 die Erweiterungsschaltung so geschaltet, dass die Brückenmitte mit dem Pluspol der zweiten elektrischen Leistungseinheit verbunden ist. Dies bedeutet, dass für das Potential der Brückenmitte näherungsweise gilt UBrückenmitte = x·48 Volt + y·0 Volt + z·12 Volt 24 Volt (Gleichung 2) mit einer in diesem Takt angenommenen Spannungslage des höheren Potentials der ersten Leistungseinheit bei 48 Volt und einer in diesem Takt angenommenen Spannungslage des höheren Potentials der zweiten Leistungseinheit bei 12 Volt. Die Parameter x, y und z bezeichnen die auf die Taktzeit bezogenen Schaltzeitverhältnisse der jeweiligen Spannungslage als relative und einheitenlose Größen.This switching principle is according to 8b on the circuit topologies according to 1 - 7 transfer. Here, instead of turning on switch LS4, the expansion circuit is switched so that the bridge center is connected to the positive pole of the second electric power unit. This means that approximately applies to the potential of the bridge center U bridge center = x x 48 volts + y x 0 volts + z x 12 volts 24 volts (Equation 2) with a voltage of the higher potential of the first power unit at 48 volts assumed in this clock and a voltage of the higher potential of the second power unit assumed at this clock at 12 volts. The parameters x, y and z denote the switching time ratios of the respective voltage position relative to the cycle time as relative and unitless quantities.

Anhand von Gleichung 2 mit der weiteren Bedingung x + y + z = ! 1 (Gleichung 3) ergibt sich ein vorteilhafter Effekt in den 4–7 bzw. ergeben sich zwei vorteilhafte technische Effekte in den 1–3.Based on equation 2 with the further condition x + y + z =! 1 (Equation 3) This results in an advantageous effect in the 4 - 7 or arise two advantageous technical effects in the 1 - 3 ,

Bei negativem Phasenstrom zur Zeit des betreffenden Taktes kann in den 1–3 und in den 4–5 durch die Verschaltung der Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit (z. B. einem Pluspol eines Energiespeichers oder einem Eingang eines elektrischen Gleichstromverbrauchers) der Phasenstrom in Flussrichtung zur zweiten Leistungseinheit geschaltet werden, um diese z. B. zu laden. Dies bedeutet, dass unabhängig vom Betrieb der elektrischen Maschine, d. h. in motorischem Betrieb, in generatorischem Betrieb und in momentenfreiem Betrieb der elektrischen Maschine (z. B. bei Stillstand des Rotors), bei negativem Phasenstrom der zweiten Leistungseinheit durch die Abgabe von elektrischer Leistung der ersten Leistungseinheit elektrische Leistung zugeführt werden kann. Wird weiterhin nach einem Vorzeichenwechsel des Phasenstroms zu positivem Phasenstrom und solange der Phasenstrom positiv ist, die Verschaltung der Brückenmitte mit dem Pluspol der zweiten Leistungseinheit durch z = 0% während der betreffenden Takte getrennt, wird ein Leistungsfluss aus der zweiten Leistungseinheit heraus unterbunden. Resultierend führt dies über eine Periode der sinusförmigen Wechselspannung an der Brückenmitte zu einem Transfer elektrischer Energie von der ersten zu der zweiten Leistungseinheit über eine elektrische Maschine ohne Verwendung eines separaten Tiefsetzstellers. With negative phase current at the time of the clock in question can in the 1 - 3 and in the 4 - 5 by the interconnection of the bridge center with the part of the second power unit assigned to the higher potential (for example a positive pole of an energy store or an input of an electrical DC consumer), the phase current is switched in the direction of flow to the second power unit in order to generate this z. B. to load. This means that regardless of the operation of the electric machine, ie in motor operation, in generator operation and torque-free operation of the electric machine (eg., When the rotor is stopped), with negative phase current of the second power unit by the delivery of electrical power first power unit electrical power can be supplied. If, after a sign change of the phase current to positive phase current and as long as the phase current is positive, the interconnection of the bridge center with the positive pole of the second power unit separated by z = 0% during the respective clocks, a power flow is prevented from the second power unit out. As a result, over a period of the sinusoidal AC voltage at the bridge center, this results in a transfer of electrical energy from the first to the second power unit via an electric machine without the use of a separate buck converter.

Bei positivem Phasenstrom hingegen kann in den 1–3 und in den 6–7 durch die Verschaltung der Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der Leistungseinheit der Phasenstrom zur Abgabe elektrischer Leistung der zweiten Leistungseinheit genutzt werden. Gleichbedeutend damit ist jedoch, dass die in das Statorsystem der elektrischen Maschine gespeiste Energie von der zweiten Leistungseinheit beziehbar ist. Wird weiterhin nach einem Vorzeichenwechsel des Phasenstroms zu negativem Phasenstrom und solange der Phasenstrom negativ ist, die Verschaltung der Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit durch z = 0% während der betreffenden Takte getrennt, wird ein Fluss elektrischer Leistung zu der zweiten Leistungseinheit unterbunden. Stattdessen kommt es zu einem Fluss elektrischer Leistung zur ersten Leistungseinheit während der Schaltzeit „ein” von HS1. Resultierend führt dies über eine Periode der sinusförmigen Wechselspannung an der Brückenmitte zu einer Umladung elektrischer Energie von der zweiten zu der ersten Leistungseinheit über eine elektrische Maschine ohne Verwendung eines separaten Hochsetzstellers.In the case of a positive phase current, however, can be in the 1 - 3 and in the 6 - 7 by the interconnection of the bridge center with the part of the power unit assigned to the higher potential, the phase current can be used to output electric power of the second power unit. However, this means that the energy fed into the stator system of the electrical machine is obtainable from the second power unit. If, after a change in sign of the phase current to negative phase current and as long as the phase current is negative, the interconnection of the bridge center with the part of the second power unit associated with the higher potential separated by z = 0% during the respective clocks, a flow of electrical power to the second Power unit inhibited. Instead, there is a flow of electrical power to the first power unit during the "on" time of HS1. As a result, this leads over a period of the sinusoidal AC voltage at the bridge center to a recharge of electrical energy from the second to the first power unit via an electric machine without the use of a separate boost converter.

Gemäß den 1–3 kann die Schaltungstopologie ohne einen eigenen bidirektionalen Gleichstromsteller einen bidirektionalen Leistungstransfer zwischen den beiden Leistungseinheiten über den Umrichter und die elektrische Maschine ermöglichen.According to the 1 - 3 For example, without a dedicated bidirectional DC chopper, the circuit topology can enable bidirectional power transfer between the two power units via the inverter and the electric machine.

Ferner stellt die Gleichung 2 bei drei Parametern und zwei Bedingungen einen Freiheitsgrad bereit. Vorteilhaft ist es, wenn z. B. in einem System nach 1 der Parameter z als Freiheitsgrad gewählt wird und als regelbarer Parameter in diesem System dient. So kann z. B. anhand der Einstellung des Parameters z der zweite elektrische Energiespeicher z. B. aufgrund von Anforderungen aus dem Teilbordnetz, welchem der zweite elektrische Energiespeicher zugeordnet ist, neben der Anforderung aufgrund des Betriebs der elektrischen Maschine gezielt geladen oder entladen werden. Implementiert wird dies in der Erweiterungsschaltung durch die Einstellung des Parameters z. Je höher der Parameter z gewählt wird, umso höher die Ladebilanz des zweiten Energiespeichers. Ist beispielsweise Leistungstransfer zur zweiten Leistungseinheit gänzlich unerwünscht, gilt bei negativem Phasenstrom für den Parameter z in Gleichung 3 z = 0%. Ist beispielsweise maximaler Leistungstransfer zur zweiten Leistungseinheit erforderlich, gilt bei negativem Phasenstrom für den Parameter y in Gleichung 3 y = 0% und der Parameter z folgt unmittelbar aus den Gleichungen (2) und (3).Further, Equation 2 provides one degree of freedom for three parameters and two conditions. It is advantageous if z. B. in a system 1 the parameter z is chosen as a degree of freedom and serves as a controllable parameter in this system. So z. B. based on the setting of the parameter z of the second electrical energy storage z. B. due to requirements from the sub-board network, which is associated with the second electrical energy storage, in addition to the requirement due to the operation of the electrical machine to be loaded or unloaded specifically. This is implemented in the expansion circuit by setting the parameter z. The higher the parameter z is selected, the higher the charge balance of the second energy store. If, for example, power transfer to the second power unit is entirely undesirable, with negative phase current for the parameter z in equation 3, z = 0%. If, for example, maximum power transfer to the second power unit is required, then for negative phase current for the parameter y in equation 3 y = 0% and the parameter z follows directly from equations (2) and (3).

Dieses Prinzip kann verallgemeinert werden durch Einführung eines Parameters K werden, womit die Gleichungen (2) und (3) wie folgt modifizierbar sind:

Figure DE102012220259A1_0002
wobei die Größe y in Gleichung 2' der (Randbedingung 1)
Figure DE102012220259A1_0003
genügt und weiterhin gilt:
Figure DE102012220259A1_0004
This principle can be generalized by introducing a parameter K, whereby equations (2) and (3) can be modified as follows:
Figure DE102012220259A1_0002
where the quantity y in Equation 2 'of (boundary condition 1)
Figure DE102012220259A1_0003
is sufficient and continues to apply:
Figure DE102012220259A1_0004

Der Parameter K ist zwischen den Werten 0 und 1 wählbar und beschreibt ein Maß für die Beteiligung der zweiten Leistungseinheit, die z. B. als elektrischer Energiespeicher ausgeführt ist. Wird der Energiespeicher maximal beteiligt, was abhängig vom Phasenstrom eine Ladung oder Entladung bedeutet, so ist K = 1 und somit gemäß Gleichungen (2') und (3'): z = 2/3, x = 1/3, y = 0. Wird der zweite Energiespeicher nicht eingebunden, so folgt mit K = 0: z = 0, x = 1/2, y = 1/2.The parameter K is selectable between the values 0 and 1 and describes a measure of the involvement of the second power unit, the z. B. is designed as an electrical energy storage. If the energy store participates maximally, which means a charge or discharge depending on the phase current, then K = 1 and thus according to equations (2 ') and (3'): z = 2/3, x = 1/3, y = 0 If the second energy store is not included, then with K = 0 it follows: z = 0, x = 1/2, y = 1/2.

Wird der zweite Energiespeicher nur teilweise beteiligt (z. B. K = 0,5) so folgt: z = 1/3, x = 4/12, y = 1/4.If the second energy store is only partially involved (eg K = 0.5), then z = 1/3, x = 4/12, y = 1/4.

1 zeigt eine Ausführungsform für eine ES, die aus den Schaltern (10)–(15) besteht. Exemplarisch werden die der Phase u zugeordneten Schalter (10) und (13) betrachtet. Beide Schalter werden zeitgleich, d. h. synchron, geschaltet und die Schaltzeit „ein” der beiden Schalter bezeichnet den Parameter z in Bezug auf die Taktzeit. Mit dieser Erweiterungsschaltung kann tief- und hochgesetzt werden. 1 shows an embodiment for an ES consisting of the switches ( 10 ) - ( 15 ) consists. As an example, the switches assigned to phase u ( 10 ) and ( 13 ). Both switches are switched simultaneously, ie synchronously, and the switching time "on" of the two switches designates the parameter z with respect to the cycle time. With this expansion circuit can be set low and high.

2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Erweiterungsschaltung (3d) besteht aus den Schaltern (28)–(31). Exemplarisch werden weiterhin die der Phase u zugeordneten Schalter (28) und (29) betrachtet. Die Schaltzeit „ein” des Schalters (29) bezeichnet den Parameter z in Bezug auf die Taktzeit. Zur Schaltzeit „ein” des Schalters (29) wird auch der Schalter (28) auf „ein” gesetzt. Der Schalter (28) ist allen drei Phasen zugeordnet. Dies bedeutet, dass der Schalter (28) nur dann auf „ein” gesetzt werden kann, solange einer der drei Schalter (29)–(31) auf „ein” gesetzt ist. Mit dieser Erweiterungsschaltung kann tief- und hochgesetzt werden. 2 shows a further embodiment of the invention. The expansion circuit ( 3d ) consists of the switches ( 28 ) - ( 31 ). As an example, the switches assigned to phase u (FIG. 28 ) and ( 29 ). The switching time "on" of the switch ( 29 ) denotes the parameter z with respect to the cycle time. At switching time "on" of the switch ( 29 ), the switch ( 28 ) is set to "on". The desk ( 28 ) is assigned to all three phases. This means that the switch ( 28 ) can only be set to "on" as long as one of the three switches ( 29 ) - ( 31 ) is set to "on". With this expansion circuit can be set low and high.

3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Erweiterungsschaltung (3g) besteht aus den Schaltern (40)–(43). Exemplarisch werden weiterhin die der Phase u zugeordneten Schalter (40) und (41) betrachtet. Die Schaltzeit „ein” des Schalters (41) bezeichnet den Parameter z in Bezug auf die Taktzeit. Zur Schaltzeit „ein” des Schalters (41) wird auch der Schalter (40) auf „ein” gesetzt. Der Schalter (40) ist allen drei Phasen zugeordnet. Dies bedeutet, dass der Schalter (40) nur dann auf „ein” gesetzt werden kann, solange einer der drei Schalter (41)–(43) auf „ein” gesetzt ist. Mit dieser Erweiterungsschaltung kann tief- und hochgesetzt werden. 3 shows a further embodiment of the invention. The expansion circuit ( 3g ) consists of the switches ( 40 ) - ( 43 ). As an example, the switches assigned to phase u (FIG. 40 ) and ( 41 ). The switching time "on" of the switch ( 41 ) denotes the parameter z with respect to the cycle time. At switching time "on" of the switch ( 41 ), the switch ( 40 ) is set to "on". The desk ( 40 ) is assigned to all three phases. This means that the switch ( 40 ) can only be set to "on" as long as one of the three switches ( 41 ) - ( 43 ) is set to "on". With this expansion circuit can be set low and high.

4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Erweiterungsschaltung (3e) besteht aus den Schaltern (33)–(35) und der Diode (32). Exemplarisch werden weiterhin der der Phase u zugeordnete Schalter (33) und die der Phase u zugeordnete Diode (32) betrachtet. Die Schaltzeit „ein” des Schalters (33) bezeichnet den Parameter z in Bezug auf die Taktzeit. Die Diode (32) ist allen drei Phasen zugeordnet. Mit dieser Erweiterungsschaltung kann durch die Wirkung der Diode (32) nicht hochgesetzt sondern nur tiefgesetzt werden. 4 shows a further embodiment of the invention. The expansion circuit ( 3e ) consists of the switches ( 33 ) - ( 35 ) and the diode ( 32 ). As an example, the switches assigned to phase u (FIG. 33 ) and the phase u associated diode ( 32 ). The switching time "on" of the switch ( 33 ) denotes the parameter z with respect to the cycle time. The diode ( 32 ) is assigned to all three phases. With this expansion circuit can by the action of the diode ( 32 ) are not set high but only deep set.

5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Erweiterungsschaltung (3b) besteht aus den Dioden (16)–(18) und den Schaltern (19)–(21). Exemplarisch werden weiterhin die der Phase u zugeordnete Diode (16) und der der Phase u zugeordnete Schalter (19) betrachtet. Die Schaltzeit „ein” dieses Schalters bezeichnet den Parameter z in Bezug auf die Taktzeit. Durch die Wirkung der Diode (16) kann mit dieser Erweiterungsschaltung nicht hochgesetzt sondern nur tiefgesetzt werden. 5 shows a further embodiment of the invention. The expansion circuit ( 3b ) consists of the diodes ( 16 ) - ( 18 ) and the switches ( 19 ) - ( 21 ). As an example, the phase u associated diode ( 16 ) and the switch associated with the phase u ( 19 ). The switching time "on" of this switch denotes the parameter z with respect to the tact time. Due to the effect of the diode ( 16 ) can not be set high with this expansion circuit, but only be set low.

6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Erweiterungsschaltung (3c) besteht aus den Schaltern (22)–(24) und den Dioden (25)–(27). Exemplarisch werden weiterhin die der Phase u zugeordnete Diode (25) und der der Phase u zugeordnete Schalter (22) betrachtet. Die Schaltzeit „ein” dieses Schalters bezeichnet den Parameter z in Bezug auf die Taktzeit. Durch die Wirkung der Diode (25) kann mit dieser Erweiterungsschaltung nicht tiefgesetzt sonder nur hochgesetzt werden. 6 shows a further embodiment of the invention. The expansion circuit ( 3c ) consists of the switches ( 22 ) - ( 24 ) and the diodes ( 25 ) - ( 27 ). As an example, the phase u associated diode ( 25 ) and the switch associated with the phase u ( 22 ). The switching time "on" of this switch denotes the parameter z with respect to the tact time. Due to the effect of the diode ( 25 ) can not be set low with this expansion circuit, but only be raised.

7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Erweiterungsschaltung (3e) besteht aus den Schaltern (37)–(39) und der Diode (36). Exemplarisch werden weiterhin der der Phase u zugeordnete Schalter (37) und die der Phase u zugeordnete Diode (36) betrachtet. Die Schaltzeit „ein” des Schalters (37) bezeichnet den Parameter z in Bezug auf die Taktzeit. Die Diode (36) ist allen drei Phasen zugeordnet. Mit dieser Erweiterungsschaltung kann durch die Wirkung der Diode (36) nicht tiefgesetzt sondern nur hochgesetzt werden. 7 shows a further embodiment of the invention. The expansion circuit ( 3e ) consists of the switches ( 37 ) - ( 39 ) and the diode ( 36 ). As an example, the switches assigned to phase u (FIG. 37 ) and the phase u associated diode ( 36 ). The switching time "on" of the switch ( 37 ) denotes the parameter z with respect to the cycle time. The diode ( 36 ) is assigned to all three phases. With this expansion circuit can by the action of the diode ( 36 ) not deepened but only elevated.

Als Schalter in den 1–7 kommen bevorzugt Leistungshalbleiter wie MOSFETs, IGBTs, JFETs, oder Thyristoren zum Einsatz. Als Dioden in den 1–7 kommen bevorzugt Leistungsdiode mit der erforderlichen Spannungsfestigkeit zum Einsatz. As a switch in the 1 - 7 Preferably power semiconductors such as MOSFETs, IGBTs, JFETs, or thyristors are used. As diodes in the 1 - 7 preferably power diode with the required dielectric strength used.

Vorteilhaft an der Erweiterungsschaltung ist, dass sie als eine einfache, unaufwändige Erweiterung des Umrichters und durch Nutzung des Statorsystems einer elektrischen Maschine die Funktion eines Gleichstromstellers zur Verfügung stellt. Dabei fällt eine Betrachtung der bei einem Fahrzeug wichtigen Faktoren Bauraumbedarf, Kosten und Komplexität für die Erweiterungsschaltung im Vergleich zu einem Gleichstromsteller bei weitem günstiger aus.An advantage of the expansion circuit is that it provides the function of a DC actuator as a simple, inexpensive extension of the inverter and by using the stator of an electrical machine. A consideration of the important factors in a vehicle space requirements, costs and complexity for the expansion circuit compared to a DC chopper far less favorable.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102008037064 A1 [0004] DE 102008037064 A1 [0004]

Claims (8)

Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine (1), mit einer ersten für Gleichspannung geeignete Leistungseinheit (2) und mit einem Umrichter (1a), welcher Halbbrücken umfasst, wobei jeder Phase der elektrischen Maschine eine der Halbbrücken des Umrichters zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Fahrzeug eine zweite für Gleichspannung geeignete Leistungseinheit (4) umfasst, – der dem niedrigeren Potential zugeordnete Teil der zweiten Leistungseinheit und der dem niedrigeren Potential zugeordnete Teil der ersten Leistungseinheit auf einem gemeinsamen elektrischen Bezugspotential liegen, – das Fahrzeug eine Erweiterungsschaltung (3a)–(3g) aufweist, – die Erweiterungsschaltung in Serie zu der zweiten Leistungseinheit geschaltet ist und – die Erweiterungsschaltung jeweils mit jeder Brückenmitte der den Phasen der elektrischen Maschine zugeordneten Halbbrücken verbunden ist.Vehicle with an electric machine ( 1 ), with a first power unit suitable for DC voltage ( 2 ) and with a converter ( 1a ), which comprises half bridges, wherein each phase of the electric machine is assigned to one of the half bridges of the converter, characterized in that - the vehicle has a second power unit suitable for direct voltage ( 4 ), - the part of the second power unit assigned to the lower potential and the part of the first power unit assigned to the lower potential are at a common electrical reference potential, - the vehicle has an expansion circuit ( 3a ) - ( 3g ), - the expansion circuit is connected in series with the second power unit, and - the expansion circuit is connected to each bridge center of the half-bridges associated with the phases of the electrical machine. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – zum Schalten des Umrichters und der Erweiterungsschaltung ein pulsweitenmoduliertes Taktverfahren anwendbar ist.Vehicle according to claim 1, characterized in that - for switching the inverter and the expansion circuit, a pulse width modulated clock method is applicable. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, – durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, und – in einem Takt mit negativem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der ersten Leistungseinheit zu der zweiten Leistungseinheit zu bewirken. Vehicle according to claim 2, characterized in that - by the first power unit, the function of a power source is receivable - by the second power unit, the function of a power sink is ingestible, and - in a clock with negative phase current through the expansion circuit, the electric potential of a bridge center the part of the second power unit assigned to the higher potential can be connected in order to effect a flow of electrical energy from the first power unit to the second power unit. Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die zweite Leistungseinheit als elektrische Last oder als sekundärer Energiespeicher ausgeführt ist, – die Erweiterungsschaltung für jede Phase eine Reihenschaltung von zwei gegenläufige geschalteten Dioden aufweist, wobei eine Diode der Phase zugeordnet ist und eine Diode der zweiten Leistungseinheit zugeordnet ist, und – die bezüglich negativem Phasenstrom in Sperrrichtung geschaltete Diode mit einem Schalter überbrückbar ist.Vehicle according to claim 3, characterized in that - the second power unit is designed as an electrical load or as a secondary energy store, - the expansion circuit for each phase comprises a series connection of two counter-rotating switched diodes, one diode is associated with the phase and one diode of the second Power unit is assigned, and - the diode connected in reverse with respect to negative phase current can be bridged with a switch. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, – durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, und – in einem Takt mit positivem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der zweiten Leistungseinheit zu der ersten Leistungseinheit zu bewirken.Vehicle according to claim 2, characterized in that - by the first power unit, the function of a power sink is ingestible - by the second power unit, the function of a power source is receivable, and - in a clock with positive phase current through the expansion circuit, the electrical potential of a bridge center the part of the second power unit associated with the higher potential can be connected in order to effect a flow of electrical energy from the second power unit to the first power unit. Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Leistungseinheit als elektrische Last oder sekundärer Energiespeicher ausgeführt ist, – die Erweiterungsschaltung für jede Phase eine Reihenschaltung von zwei gegenläufige geschalteten Dioden aufweist, wobei eine Diode der Phase zugeordnet ist und eine Diode der zweiten Leistungseinheit zugeordnet ist, und – die bezüglich negativem Phasenstrom in Durchlassrichtung geschaltete Diode mit einem Schalter überbrückbar ist.Vehicle according to claim 5, characterized in that - the first power unit is designed as an electrical load or secondary energy storage, - the expansion circuit for each phase comprises a series circuit of two opposing switched diodes, one diode associated with the phase and one diode of the second power unit is assigned, and - the negative phase current in the forward direction diode connected with a switch can be bridged. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, – durch die erste Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, – durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungsquelle einnehmbar ist, – durch die zweite Leistungseinheit die Funktion einer Leistungssenke einnehmbar ist, – in einem Takt mit negativem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der ersten Leistungseinheit zu der zweiten Leistungseinheit zu bewirken, und – in einem Takt mit positivem Phasenstrom durch die Erweiterungsschaltung das elektrische Potential einer Brückenmitte mit dem dem höheren Potential zugeordneten Teil der zweiten Leistungseinheit verbindbar ist, um einen Fluss elektrischer Energie von der zweiten Leistungseinheit zu der ersten Leistungseinheit zu bewirken.Vehicle according to claim 2, characterized in that - by the first power unit, the function of a power source is receivable - by the first power unit, the function of a power sink is ingestible - by the second power unit, the function of a power source is receivable - by the second power unit the function of a power sink is ingestible, In one cycle with negative phase current through the expansion circuit, the electrical potential of one bridge center can be connected to the part of the second power unit assigned to the higher potential in order to effect a flow of electrical energy from the first power unit to the second power unit, and in one cycle positive phase current through the expansion circuit, the electrical potential of a bridge center with the part of the second power unit associated with the higher potential is connectable to cause a flow of electrical energy from the second power unit to the first power unit. Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Leistungseinheit als sekundärer Energiespeicher ausgeführt ist, – die zweite Leistungseinheit als sekundärer Energiespeicher ausgeführt ist, – die Erweiterungsschaltung für jede Phase eine Reihenschaltung von zwei gegenläufig geschalteten Dioden aufweist, und – beide Dioden jeweils mit einem Schalter überbrückbar sind.Vehicle according to claim 7, characterized in that - the first power unit is designed as a secondary energy storage, - the second power unit is designed as a secondary energy storage, - the expansion circuit for each phase has a series connection of two counter-connected diodes, and - both diodes each with a switch can be bridged.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1050100B1 (en) * 1998-08-27 2008-08-20 Robert Bosch Gmbh Multi-voltage vehicle electric system
DE102008037064A1 (en) 2008-08-08 2010-02-11 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Circuit arrangement for an electric drive

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