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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Einspeisung und Versorgung eines Zweispannungs-Bordnetzes aus einer elektrischen Maschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug.
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Bei hybridisierten Kraftfahrzeugen kommen wegen der vergleichsweise hohen Leistung des elektrischen Antriebs im Regelfall Bordnetze mit zumindest zwei Spannungsebenen zum Einsatz. Typisch sind die Gleichspannungskombinationen 12 V/48 V oder 12 V/> 100 V.
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Dabei dient eine elektrische Maschine (EM) sowohl zur Unterstützung des Verbrennungsmotors (VM) im Fahrbetrieb als auch als Generator zur Versorgung eines ersten und eines zweiten Bordnetzes. Bekannterweise wird die elektrische Maschine, die als Asynchron- oder Synchronmaschine ausgeführt sein kann, über einen Wechselrichter (WR) mit dem Bordnetz der höheren Spannung verbunden. Die Anbindung des zweiten Bordnetzes erfolgt mit Hilfe eines DC/DC-Wandlers, der je nach Anforderung potentialtrennend oder potentialverbindend ausgeführt sein kann.
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Für die Hybridisierung von Kraftfahrzeugen sind verschiedene Anordnungen bekannt (P1, P2, P3, P4-Hybrid sowie verschiedene Kombinationen). Bei den sehr verbreiteten P1- und P2-Anordnungen wird die elektrische Maschine entweder zwischen dem Verbrennungsmotor und das Getriebe angeordnet (In-Line-Anordnung, ISG-Bauweise) oder seitlich am Verbrennungsmotor befestigt (Side-by-Side-Anordnung). Die mechanische Anbindung erfolgt bei Side-by-Side-Anordnungen entweder über einen Riemen oder durch seitlichen Eingriff in ein Getriebe.
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Es werden derzeit elektrische Maschinen verwendet, die dreiphasig ausgeführt sind. In Parallelhybrid-Anordnungen kommen wegen ihrer hohen Leistungsdichte praktisch ausschließlich permanentmagneterregte Synchronmaschinen vor. Wegen des begrenzten Bauraums werden häufig elektrische Maschinen mit konzentrierten Wicklungen eingesetzt. Über einen dreiphasigen Wechselrichter (WR) in Brückenschaltung wird die elektrische Maschine mit einem ersten Bordnetz bzw. einer ersten Batterie verbunden. Der Wechselrichter hat je nach Betriebsmodus die Aufgabe, die Ströme der elektrischen Maschine so einzustellen, dass entweder ein gewünschtes Drehmoment von der Maschine abgegeben, eine Zieldrehzahl eingestellt, eine gewünschte elektrische Leistung aufgenommen oder eine gewünschte Batteriespannung erreicht wird.
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Eine beispielhafte Ausführung für einen elektrischen Fahrzeugmotor, der von zwei verschiedenen Spannungsnetzen unterschiedlicher Spannungshöhe versorgt wird, ist aus der Druckschrift
JP 2012080773 bekannt.
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Ferner existieren derzeit Zweispannungs-Bordnetze mit einer Kopplung zweier einzelner Bordnetze, die mit Hilfe von DC/DC-Wandlern ermöglicht wird. Zur Versorgung des zweiten Bordnetzes kommt ein DC/DC-Wandler zum Einsatz, der hauptsächlich einen Energiefluss von dem ersten Bordnetz zum zweiten Bordnetz sicherstellen muss, um die Verbraucher im zweiten Bordnetz zu versorgen. In bestimmten Betriebszuständen kann die Energiewandlung in beide Richtungen notwendig sein, weshalb der DC/DC-Wandler häufig bidirektional ausgeführt ist. Ist das erste Bordnetz ein Hochvolt-Bordnetz, so ist durch den DC/DC-Wandler zusätzlich eine Potentialtrennung sicherzustellen. Aufgrund der zweifachen Energiewandlung durch den Wechselrichter und den DC/DC-Wandler weist die Versorgung des zweiten Bordnetzes in dieser Konfiguration einen vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad auf. Ferner benötigen die bisher verwendeten DC/DC-Wandler Bauraum in Hybridfahrzeugen und stellen einen nicht zu vernachlässigbaren Kostennachteil dar.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Lösung anzugeben, die einen verbesserten Wirkungsgrad bei der Einspeisung und Versorgung eines Zweispannungs-Bordnetzes mit einer elektrischen Maschine erlaubt.
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Diese Aufgabe wird mit einer elektrischen Maschine zur Einspeisung und Versorgung eines Zweispannungs-Bordnetzes gelöst, die ein erstes dreiphasiges Wicklungssystem zur Bereitstellung einer ersten Bordnetzspannung und ein zweites dreiphasiges Wicklungssystem zur Bereitstellung einer zweiten Bordnetzspannung aufweist. Hierbei ist vorgesehen, dass die erste Bordnetzspannung und die zweite Bordnetzspannung eine unterschiedliche Spannungshöhe aufweisen.
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Ferner wird die Aufgabe der Erfindung mit einem Verfahren zur Einspeisung und Versorgung eines Zweispannungs-Bordnetzes gelöst, das ein Bereitstellen einer ersten Bordnetzspannung mit einem ersten dreiphasigen Wicklungssystem und ein Bereitstellen einer zweiten Bordnetzspannung mit einem zweiten dreiphasigen Wicklungssystem aufweist. Hierbei ist vorgesehen, dass das erste dreiphasige Wicklungssystem und das zweite dreiphasige Wicklungssystem Teil der elektrischen Maschine sind und die erste Bordnetzspannung und die zweite Bordnetzspannung eine unterschiedliche Spannungshöhe aufweisen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner mit einem Fahrzeug gelöst, das in dem die erfindungsgemäße elektrische Maschine installiert ist. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein Hybridfahrzeug.
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Bei Zweispannungs-Bordnetzen, wie sie in Hybridfahrzeugen vorkommen, wird zur Kopplung der beiden Bordnetze bisher ein DC/DC-Wandler (DC = Gleichspannung = direct current) verwendet. Der Gegenstand der Erfindung schlägt stattdessen eine sechsphasige elektrische Maschine mit zwei Wicklungssystemen vor, die die Funktion des bisher eingesetzten DC/DC-Wandlers übernehmen kann. Dabei wird die elektrische Maschine nicht nur als Kombination von zwei rotierenden Teilmaschinen betrachtet, sondern in bestimmten Betriebsfällen auch als statischer DC/DC-Wandler mit Nutzung einer transformatorischen Kopplung betrieben.
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Es wird demnach eine elektrische Maschine verwendet, die sechsphasig ausgeführt ist, um eine Funktion eines DC/DC-Wandlers zu ersetzen. Hierzu weist die elektrische Maschine ein erstes dreiphasiges Wicklungssystem und ein zweites dreiphasiges Wicklungssystem auf, die unabhängig voneinander betrieben werden können. Die beiden dreiphasigen Wicklungssysteme können auch unterschiedlich auf die Anforderungen des jeweiligen Bordnetzes, dem sie zugeordnet sind, ausgelegt werden. Die beiden dreiphasigen Wicklungssysteme befinden sich gemeinsam im Rotor oder gemeinsam im Ständer der elektrischen Maschine. Ferner kann sowohl der Ständer wie auch der Rotor mit einem sechsphasigen Wicklungssystem, d. h. jeweils mit zwei dreiphasige Wicklungssysteme, ausgestattet sein.
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Wegen der hohen Ströme, beispielsweise in 48 Volt-Systemen, bietet es sich an, die elektrische Maschine sechsphasig auszuführen und auch im Wechselrichter wegen der Größe der Halbleitermodule eine sechssträngige Anordnung zu wählen. Auch in Systemen mit höherer Bordnetzspannung kann es sinnvoll sein, die elektrische Maschine sowie den Wechselrichter sechsphasig auszuführen. Solche Wicklungsanordnungen für sechsphasige Synchronmaschinen mit zwei speisenden Wechselrichtern sind bereits verfügbar, allerdings bisher nicht für unterschiedliche Spannungsebenen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung schlägt vor, nicht alle Wicklungen der sechs Phasen für die erste Bordnetzspannung auszulegen, sondern ein erstes Wicklungssystem für die erste Bordnetzspannung sowie ein zweites Wicklungssystem für die zweite Bordnetzspannung in die elektrische Maschine einzubringen. Damit wird eine theoretische Aufteilung der elektrischen Maschine EM in eine erste Teilmaschine EM1 und eine zweite Teilmaschine EM2 möglich. Die erste Teilmaschine EM1 kann als Generator für das erste Bordnetz, die zweite Teilmaschine EM2 kann als Generator für das zweite Bordnetz dienen. Beide Teilmaschinen EM1, EM2 können als Teil des Hybridantriebs zur Unterstützung des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs verwendet werden.
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Es kann vorgesehen werden, dass jedes der beiden Wicklungssysteme der sechsphasigen elektrischen Maschine für eines der beiden Bordnetze dimensioniert ist. Auf diese Weise entstehen Teilmaschinen EM1, EM2, die hinsichtlich ihres Drehmomentes getrennt betrieben werden können. Ferner ermöglichen die Teilmaschinen eine gezielte Beeinflussung des Energieflusses zwischen der elektrischen Maschine, den beiden Bordnetzen und den Bordnetzen untereinander. Eine magnetische Kopplung der beiden Wicklungssysteme ermöglicht außerdem eine transformatorische Übertragung elektrischer Energie zwischen den beiden Bordnetzen bei stehender elektrischer Maschine.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es handelt sich um nichtmaßstabsgerechte Figuren, die zur weiteren Beschreibung herangezogen werden. Dabei zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zur Versorgung eines Zweispannungs-Bordnetzes;
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel von Drehmoment- und Leistungskennlinien;
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel von Drehmoment- und Leistungskennlinien; und
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel von Drehmoment- und Leistungskennlinien;
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit einer elektrischen Maschine 10, die mit einem ersten Bordnetz 11 und einem zweiten Bordnetz 12 verbunden ist. Die Anordnung weist demnach ein Zweispannungs-Bordnetz auf, das sich aus dem ersten Bordnetz 11 und dem zweiten Bordnetz 12 zusammensetzt. Die beiden Bordnetze 11, 12 sind in einem Fahrzeug installiert und weisen unterschiedliche Bordnetzspannungen auf. Eine erste Bordnetzspannung beträgt 48 Volt und eine zweite Bordnetzspannung beträgt 12 V, wobei dies die Nennwerte sind und die tatsächliche Spannung innerhalb eines Bordnetzes zeitweise auch davon abweichen kann. Die beiden Systeme der unterschiedlichen Bordnetzspannungen können auch unter dem Begriff ”Zweispannungs-Bordnetz” zusammengefasst werden.
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In 1 weist die elektrische Maschine 10 ein erstes Wicklungssystem 13 zur Bereitstellung der ersten Bordnetzspannung und ein zweites Wicklungssystem 14 zur Bereitstellung der zweiten Bordnetzspannung auf. Die elektrische Maschine 10 ist sechsphasig ausgeführt und stellt durch die beiden Wicklungssysteme 13, 14 eine erste Teilmaschine und eine zweite Teilmaschine bereit. Das erste Wicklungssystem 13 ist über einen ersten Wechselrichter 15 an das erste Bordnetz 11 angeschlossen. Das zweite Wicklungssystem 14 ist über einen zweiten Wechselrichter 16 an das zweite Bordnetz 12 angeschlossen. Ferner weist das erste Bordnetz 11 einen ersten Energiespeicher auf, der als erste Batterie 17 ausgebildet ist. Auch das zweite Bordnetz 12 weist einen Energiespeicher auf, der als zweite Batterie 18 ausgebildet ist. Zum Potentialausgleich kann optional eine Masseverbindung 19 zwischen den beiden Bordnetzen 11, 12 vorgesehen werden.
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Die elektrische Maschine der 1 ist sechsphasig ausgebildet, was durch die Phasen U, V, W in der ersten Teilmaschine und die weiteren Phasen U, V, W in der zweiten Teilmaschine angedeutet ist. Die sechs Phasen sind beispielsweise am Ständer der elektrischen Maschine angeordnet. Die elektrische Maschine 10 kann ausgelegt werden, um einen Verbrennungsmotor 20 zu betreiben, der mit der elektrischen Maschine 10 in dem Fahrzeug gekoppelt ist. Die elektrische Maschine 10 kann durch die Aufteilung in zwei Teilmaschinen für unterschiedliche Kennlinien ausgelegt werden. Es ist möglich, dass das erste Wicklungssystem 13 auf eine erste Betriebskennlinie ausgelegt ist und das zweite Wicklungssystem 14 auf eine zweite Betriebskennlinie ausgelegt ist, wobei beispielsweise Betriebskennlinien in Bezug auf die Drehzahl oder das Anlaufmoment verwendet werden können.
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Insgesamt wird eine Anordnung in einem Fahrzeug vorgesehen, bei der ein bisher üblicher DC/DC-Wandler entfällt. Stattdessen ist die elektrische Maschine 10 mit zwei Wicklungssystemen 12, 13 ausgeführt, die zwei Teilmaschinen bilden. Durch eine gezielte Regelung der beiden entstehenden Teilmaschinen kann die Funktion des bisher verwendeten DC/DC-Wandlers vollständig ersetzt werden.
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Bei der vorgeschlagenen Anordnung der 1 kann die Funktion eines DC/DC-Wandlers beispielsweise rotatorisch, d. h. nach der Art eines rotierenden Umformers, oder transformatorisch, d. h. nach der Art eines potentialtrennenden DC/DC-Wandlers, erfüllt werden. Darüber hinaus ergeben sich eine Reihe von Möglichkeiten, die beiden Teilmaschinen in beliebigen Mischkonfigurationen zu betreiben.
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1. Betrieb vorwiegend als Motor bzw. als Generator
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Werden die Wechselrichter 15, 16 so betrieben, dass die elektrischen Teilmaschinen EM1, EM2 ein Drehmoment (M) gleichen Vorzeichens entwickeln, so arbeitet die Anordnung als Motor (M1 > 0, M2 > 0) bzw. als Generator (M1 < 0, M2 < 0), welcher aus beiden Bordnetzen 11, 12 gespeist wird bzw. Energie in beide Bordnetze 11, 12 abgibt. 2 zeigt eine Drehmomentkennlinie (M) und eine Leistungskennlinie (P) der ersten Teilmaschine M1 bzw. P1 und der zweiten Teilmaschine M2 bzw. P2 in Abhängigkeit der Drehzahl n. Ferner zeigt 2 eine Drehmomentkennlinie M1 + M2 der Gesamtmaschine, d. h. der elektrischen Maschine 10. Die Kennlinien der 2 zeigen jeweils das Verhalten im Motor-/und Generatorbetrieb. Das maximal bzw. minimal erreichbare Drehmoment entspricht näherungsweise der Summe der Drehmomente der beiden Teilmaschinen.
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2. Betrieb als DC/DC-Wandler bei rotierender Maschine (rotatorische Kupplung)
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Werden die beiden Wechselrichter so betrieben, dass die elektrischen Teilmaschinen ein Drehmoment M1 und ein Drehmoment M2 mit M2 = –M1 entwickeln, welche annähernd gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind, dann gibt die elektrische Maschine 10 kein resultierendes Drehmoment an ihrer Welle ab. Die beiden Teilmaschinen erfüllen dann die Funktion eines rotierenden Umformers. Nach außen bildet diese Anordnung einen potentialtrennenden DC/DC-Wandler.
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3 zeigt hierzu jeweils die Drehmomentkennlinie (M) und die Leistungskennlinie (P) der ersten Teilmaschine M1 bzw. P1 und der zweiten Teilmaschine M2 bzw. P2 in Abhängigkeit der Drehzahl n. Das resultierende Drehmoment M1 + M2 bzw. die resultierende Leistung P1 + P2 der elektrischen Maschine 10 ist Null und ebenfalls in 3 dargestellt. Die Richtung des Energieflusses wird durch die Vorzeichen der Drehmomente M1 und M2 sowie die Drehrichtung festgelegt. Die Höhe der übertragenen Leistung ergibt sich aus dem Betrag der Drehmomente und der Drehzahl. Voraussetzung für eine Leistungsübertragung ist hierbei, dass sich die elektrische Maschine 10 dreht. Dies kann wegen der notwendigen Generatorfunktion in den meisten Betriebszuständen des Fahrzeugs vorausgesetzt werden.
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3. Mischbetrieb
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Wegen der innerhalb ihrer vorgegebenen Grenzen beliebig einstellbaren Drehmomente M1 und M2 können alle Mischzustände zwischen dem reinen Motor-/Generatorbetrieb und dem Betrieb als rotatorischer DC/DC-Wandler erreicht werden. Hierzu zeigt 4 beispielhafte Drehmoment- und Leistungskennlinien M1 bzw. P1 und M2 bzw. P2 der beiden Teilmaschinen sowie der Gesamtmaschine M1 + M2 bzw. P1 + P2 im Mischbetrieb.
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4. Betrieb als DC/DC-Wandler bei stehender elektrischer Maschine (transformatorische Kopplung)
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In besonderen Betriebsfällen kann es erforderlich sein, bei stehender elektrischer Maschine 10 Energie zwischen den Bordnetzen 11, 12 auszutauschen. Dies ist bei Parallelhybriden ohne zusätzlichen Starter beispielsweise dann der Fall, wenn die erste Batterie 17 vollständig entladen ist und der Verbrennungsmotor 20 alleine aus dem zweiten Bordnetz 12 nicht gestartet werden kann. In diesem Fall muss bei stehender elektrischer Maschine 10 Energie vom zweiten Bordnetz 12 in das erste Bordnetz 11 transportiert werden.
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Bei der vorgeschlagenen Anordnung der 1 kann eine Energieübertragung bei gleichzeitiger Vermeidung einer Drehmomentbildung erreicht werden. Hierzu ist die Anordnung der beiden Spulensysteme bzw. Wicklungssysteme 13, 14 in der elektrischen Maschine 10 so vorzunehmen, dass der von einem Spulensystem hervorgerufene magnetische Fluss das andere Spulensystem zumindest teilweise durchsetzt. Eine solche magnetische Kopplung kann bei elektrischen Maschinen mit konzentrierten Wicklungen beispielsweise durch das Bewickeln der Zähne mit zwei Teilwicklungen von jeweils einem Spulensystem erreicht werden. Wird nun ein zeitlich veränderlicher d-Strom vom zweiten Bordnetz 12 in die elektrische Maschine 10 eingespeist, wird im Spulensystem bzw. Wicklungssystem 13 des ersten Bordnetzes 11 eine entsprechende Spannung induziert, woraufhin dort Energie entnommen werden kann. Die elektrische Maschine 10 erfüllt hier die Funktion eines Transformators. Durch eine Bestromung ausschließlich in d-Richtung wird die Ausbildung eines Drehmoments vermieden.
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Es ergeben sich mit der vorgeschlagenen elektrischen Maschine 10 und deren Anordnung innerhalb eines Fahrzeugs folgende vorteilhafte Eigenschaften:
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Entfall eines DC/DC-Wandlers:
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Trotz des zweiten Wechselrichters wird die Gesamtleistung („Chipfläche”) der benötigten leistungselektronischen Komponenten des Gesamt-Bordnetzes verringert. Es entfallen ersatzlos die passiven Komponenten des DC/DC-Wandlers.
(Induktivitäten, Übertrager)
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Verbesserung des Wirkungsgrads der Versorgung des 12 V-Bordnetzes:
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Durch den Entfall des DC/DC-Wandlers und die direkte Versorgung des zweiten Bordnetzes 12 aus der als Generator betriebenen Teilmaschine EM2 ist eine Verbesserung des Versorgungswirkungsgrades möglich. Hierzu sind die Leistungen der beiden Teilmaschinen so auszulegen, dass der Betrieb in rotatorischer Kopplung und der Mischbetrieb der elektrischen Maschine 10, bei denen die elektrische Maschine als DC/DC-Wandler verwendet wird, möglichst selten benötigt wird.
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Möglichkeit eines „Boost”-Betriebs der elektrischen Maschine:
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Häufig ist die verfügbare Leistung der ersten Batterie 17 eine für die Maximalleistung des elektrischen Antriebs begrenzende Größe. Die vorliegende Anordnung bietet die Möglichkeit, Energie aus den Batterien 17, 18 beider Bordnetze 11, 12 für den elektrischen Antrieb heranzuziehen und diese gleichzeitig der elektrischen Maschine 10 zuzuführen, um beispielsweise kurzzeitige Leistungsspitzen abdecken zu können, wie z. B. Anlassvorgänge.
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Redundanz:
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Durch die redundante Speisung der elektrischen Maschine 10 aus zwei Wechselrichtern 15, 16 kann erreicht werden, dass diese auch bei Ausfall eines Bordnetzes 11 bzw. 12, z. B. durch den Defekt eines Wechselrichters 15 bzw. 16, noch immer eingeschränkt betrieben werden kann. Dadurch ist es beispielsweise möglich, einen stehenden Verbrennungsmotor 20 noch mit Hilfe des verbliebenen Wechselrichters 16 bzw. 15 zu starten.
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Möglichkeit unterschiedlicher Auslegung der Teilmaschinen:
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Es besteht die Möglichkeit, die beiden Teilmaschinen bzw. Wechselrichter 15, 16 auf unterschiedliche Betriebskennlinien hin auszulegen. Damit kann beispielsweise die erste Teilmaschine für den Betrieb bei höheren Drehzahlen, die zweite Teilmaschine dagegen für ein hohes Anlaufmoment optimiert werden. Eine derartig aufgebaute Anordnung weist im Betrieb eine Reihe von Freiheitsgraden auf, aus denen sich verschiedene mögliche Betriebsmodi ergeben:
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 11
- erstes Bordnetz
- 12
- zweites Bordnetz
- 13
- erstes dreiphasiges Wicklungssystem
- 14
- zweites dreiphasiges Wicklungssystem
- 15
- erster Wechselrichter
- 16
- zweiter Wechselrichter
- 17
- erste Batterie
- 18
- zweite Batterie
- 19
- Masseverbindung
- 20
- Verbrennungsmotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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