DE102013112147B4

DE102013112147B4 - Schaltungsanordnungen und verfahren zum betreiben einer elektromaschine

Info

Publication number: DE102013112147B4
Application number: DE102013112147.0A
Authority: DE
Inventors: Philip Georg Brockerhoff
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2033-11-06
Also published as: CN103872970B; CN103872970A; DE102013112147A1; US9093929B2; US20140167654A1

Abstract

Schaltungsanordnung (400), die Folgendes aufweist:eine erste Batterie (401);eine zweite Batterie (402);eine Elektromaschine (403), die zwischen die erste Batterie (401) und die zweite Batterie (402) geschaltet ist, wobei die Elektromaschine (403) mit der ersten Batterie (401) über eine erste Schaltanordnung (404) verbunden ist und die Elektromaschine (403) mit der zweiten Batterie (402) über eine zweite Schaltanordnung (405) verbunden ist;eine Steuerung (406), die dazu eingerichtet ist, die erste Schaltanordnung (404) und die zweite Schaltanordnung (405) so zu steuern, dass ein Strom, der eineGleichstromkomponente aufweist, durch die Elektromaschine (403) fließt, wobei die Elektromaschine (403) drei Stränge aufweist, wobei jeder Strang einen ersten Anschluss, der mit der ersten Batterie (401) über die erste Schaltanordnung (404) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit der zweiten Batterie (402) über die zweite Schaltanordnung (405) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft Schaltungsanordnungen und Verfahren zum Betreiben einer Elektromaschine.
Kraftfahrzeughersteller planen, in der nahen Zukunft Kraftfahrzeuge zusätzlich zum Verbrennungsmotor mit einem Elektromotor zur Kraftstoffeinsparung auszustatten. Zu diesem Zweck ist geplant, ein zusätzliches Energiesystem (z. B. ein 48-V-System) zusätzlich zum konventionellen 12-V-Energiesystem mit einzuschließen. Effiziente Ansätze zum Verschalten dieser beiden Energiesysteme sind wünschenswert.
In DE 10 2008 034 663 A1 und DE 10 2008 034 662 A1 wird ein ein Elektroantriebssystem mit einer ersten und zweiten Energiequelle offenbart. In US 2009 / 0 134 700 A1 wird ein Stromversorgungssystem offenbart, in dem eine Steuerung elektrisch mit einer Mehrzahl von Schaltelementen eines Mehrphasen-Wechselrichters verbunden ist. Aus DE 10 2012 203 525 A1 ist ein Zweispannungs-Bordnetz bekannt. In DE 10 2010 062 334 A1 wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine offenbart, bei dem der Kurzschlussmodus wechselweise in einen ersten und zweiten Kurzschluss-Modus geschaltet wird. In DE 10 2010 003 595 A1 wird ein Wechselrichter und ein Verfahren für das Betreiben eines Wechselrichters für eine elektrische Maschine offenbart. DE 10 2009 045 351 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsaggregates. DE 10 2006 003 254 A1 offenbart ein Verfahren zum Abschalten einer elektrischen Maschine mit Pulswechselrichter im Falle einer Störung. DE 10 2005 009 341 A1 offenbart eine Motorsteuerung vorzugsweise zur Steuerung eines Waschmaschinenmotors, welche erweiterte Sicherheitsfunktionen aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Schaltungsanordnung bereitgestellt, die Folgendes enthält: eine erste Batterie; eine zweite Batterie; eine Elektromaschine, die zwischen die erste Batterie und die zweite Batterie geschaltet ist, wobei die Elektromaschine mit der ersten Batterie über eine erste Schaltanordnung verbunden ist und die Elektromaschine mit der zweiten Batterie über eine zweite Schaltanordnung und eine Steuerung verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, die erste Schaltanordnung und die zweite Schaltanordnung so zu steuern, dass ein Strom, der eine Gleichspannungskomponente aufweist, durch die Elektromaschine fließt.
In einer Ausgestaltung kann die erste Schaltanordnung mit der Elektromaschine über eine mehrphasige Verbindung verschaltet sein und die zweite Schaltanordnung kann mit der Elektromaschine über eine mehrphasige Verbindung verschaltet sein. In noch einer Ausgestaltung kann die Maschine eine dreiphasige Maschine sein und die erste Schaltanordnung kann mit der Elektromaschine über eine dreiphasige Verbindung verschaltet sein und die zweite Schaltanordnung kann mit der Elektromaschine über eine dreiphasige Verbindung verschaltet sein. In noch einer Ausgestaltung kann die Elektromaschine drei Stränge aufweisen, wobei jeder Strang einen ersten Anschluss, der mit der ersten Batterie über die erste Schaltanordnung verbunden ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit der zweiten Batterie über die zweite Schaltanordnung verbunden ist. In noch einer Ausgestaltung kann die Steuerung dazu eingerichtet sein, die erste Schaltanordnung und die zweite Schaltanordnung so zu steuern, dass ein Strom, der eine Gleichspannungskomponente aufweist, durch wenigstens einen der Stränge der Elektromaschine fließt. In noch einer Ausgestaltung kann die Steuerung dazu eingerichtet sein, die erste Schaltanordnung und die zweite Schaltanordnung so zu steuern, dass ein Strom, der eine Gleichspannungskomponente aufweist oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts, durch die Elektromaschine fließt. In noch einer Ausgestaltung kann wobei die Steuerung dazu eingerichtet sein, die erste Schaltanordnung und die zweite Schaltanordnung so zu steuern, dass ein Strom, der eine Gleichspannungskomponente aufweist, von der ersten Batterie zur zweiten Batterie über die Elektromaschine fließt. In noch einer Ausgestaltung kann wenigstens eine der ersten Schaltanordnung und der zweiten Schaltanordnung ein Wechselrichter sein. In noch einer Ausgestaltung kann die Steuerung dazu eingerichtet sein, die erste Schaltanordnung und die zweite Schaltanordnung so zu steuern, dass die erste Schaltanordnung, die Elektromaschine und die zweite Schaltanordnung als ein Gleichspannungswandler fungieren. In noch einer Ausgestaltung kann eine Steuerung dazu eingerichtet sein, die erste Schaltanordnung und die zweite Schaltanordnung so zu steuern, dass die erste Schaltanordnung, die Elektromaschine und die zweite Schaltanordnung als ein Abwärtswandler oder als ein Aufwärtswandler fungieren. In noch einer Ausgestaltung kann die Elektromaschine ein Fahrzeugmotor sein. In noch einer Ausgestaltung können die erste Batterie und die zweite Batterie Fahrzeugbatterien sein. In noch einer Ausgestaltung können die erste Batterie und die zweite Batterie unterschiedliche Spannungen aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann die erste Batterie eine 12-V-Kraftfahrzeugbatterie sein und die zweite Batterie kann eine 48-V-Kraftfahrzeugbatterie sein.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Steuern einer Elektromaschine bereitgestellt, das Folgendes aufweist: das Steuern einer ersten Schaltanordnung, über die eine erste Batterie mit der Elektromaschine verschaltet ist, und einer zweiten Schaltanordnung, über die eine zweite Batterie mit der Elektromaschine verschaltet ist, so dass ein Strom, der eine Gleichstromkomponente aufweist, durch die Elektromaschine fließt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird eine Schaltungsanordnung bereitgestellt, die Folgendes enthält: eine erste Batterie; eine zweite Batterie; eine Elektromaschine, die zwischen die erste Batterie und die zweite Batterie geschaltet ist, wobei die Elektromaschine mit der ersten Batterie über eine erste Schaltanordnung verbunden ist und die Elektromaschine mit der zweiten Batterie über eine zweite Schaltanordnung verbunden ist und wobei die Elektromaschine mit der zweiten Schaltanordnung über mehrere Anschlüsse verbunden ist; und eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, die zweite Schaltanordnung als Reaktion auf das Detektieren eines Fehlers der zweiten Schaltanordnung oder der zweiten Batterie so zu steuern, dass die Anschlüsse mittels der zweiten Schaltanordnung kurzgeschlossen werden.
In einer Ausgestaltung kann die Elektromaschine drei Stränge aufweisen, wobei jeder Strang mit der zweiten Schaltanordnung mittels eines Anschlusses der mehreren Anschlüsse verbunden ist. In noch einer Ausgestaltung kann die Schaltungsanordnung weiterhin einen Detektor aufweisen, der dazu eingerichtet ist, den Fehler der zweiten Schaltanordnung oder der zweiten Batterie zu detektieren. In noch einer Ausgestaltung kann die zweite Schaltanordnung mehrere Schalter aufweisen und der Fehler der Schaltanordnung kann eine Störung eines der mehreren Schalter sein.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Betreiben einer Elektromaschine bereitgestellt, das Folgendes aufweist: das Steuern einer Schaltanordnung, über die eine Batterie mit der Elektromaschine über mehrere Anschlüsse verschaltet ist, so dass die Anschlüsse als Reaktion auf das Detektieren eines Fehlers der Schaltanordnung oder der Batterie mittels der Schaltanordnung kurzgeschlossen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Schaltungsanordnung bereitgestellt, die Folgendes enthält: eine erste Batterie; eine zweite Batterie; eine Elektromaschine, die zwischen die erste Batterie und die zweite Batterie geschaltet ist, wobei die Elektromaschine mit der ersten Batterie über eine erste Schaltanordnung verbunden ist und die Elektromaschine mit der zweiten Batterie über eine zweite Schaltanordnung verbunden ist; und eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, die erste Schaltanordnung und die zweite Schaltanordnung so zu steuern, dass die erste Batterie elektrische Leistung zuführt, um die Elektromaschine anzutreiben, und die Elektromaschine der zweiten Batterie Leistung zuführt, um die zweite Batterie aufzuladen.
In einer Ausgestaltung kann die erste Schaltanordnung und die zweite Schaltanordnung Wechselrichter sein und auf Basis von Raumzeigermodulation oder feldorientierter Regelung gesteuert werden.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Betreiben einer Elektromaschine bereitgestellt, das Folgendes aufweist: das Steuern einer ersten Schaltanordnung, über die eine erste Batterie mit der Elektromaschine verschaltet ist, und einer zweiten Schaltanordnung, über die eine zweite Batterie mit der Elektromaschine verschaltet ist, so dass die erste Batterie elektrische Leistung zuführt, um die Elektromaschine anzutreiben, und die Elektromaschine der zweiten Batterie Leistung zuführt, um die zweite Batterie aufzuladen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen werden Verfahren zum Betreiben einer Elektromaschine gemäß den obigen Schaltungsanordnungen bereitgestellt.
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Referenzzeichen durchgängig durch die unterschiedlichen Ansichten im Allgemeinen auf die gleichen Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, weil stattdessen der Schwerpunkt im Allgemeinen darauf gelegt wird, die Grundlagen der Erfindung zu veranschaulichen. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Aspekte unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, darin:

1 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einem 12-V-Energiesystem und einem 48-V-Energiesystem.
2 zeigt eine Schaltung mit Verschaltung der 12-V-Energieversorgung mit der 48-V-Energieversorgung mittels eines Gleichspannungswandlers (DCDC-Wandler).
3 zeigt einen Gleichspannungswandler.
4 zeigt eine Schaltungsanordnung.
5 zeigt eine Schaltungsanordnung.
6 zeigt eine Schaltungsanordnung.
7 zeigt eine Schaltungsanordnung.
8 zeigt eine Schaltungsanordnung.
9 zeigt eine Schaltung.
10 zeigt eine Schaltungsanordnung.
11 zeigt eine Schaltung.
12 zeigt eine Schaltungsanordnung.
13 zeigt ein Vektordiagramm.
14 zeigt eine Schaltung.
15 zeigt Spannungs-, Leistungs-, Strom-Diagramme.
16 zeigt Spannungs-, Leistungs-, Strom-Diagramme.
17 zeigt Strom-, Spannungs-Diagramme.

Die folgende, ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die zugehörigen Zeichnungen, die veranschaulichend spezifische Details und Aspekte dieser Offenbarung zeigen, in denen die Erfindung möglicherweise betrieben wird. Diese Aspekte dieser Offenbarung werden hinreichend detailliert beschrieben, um es Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen. Andere Aspekte dieser Offenbarung werden möglicherweise genutzt, und bauliche, logische und elektrische Änderungen werden möglicherweise vorgenommen, ohne dass vom Schutzbereich der Erfindung abgewichen wird. Die verschiedenen Aspekte dieser Offenbarung schließen sich nicht notwendigerweise gegenseitig aus, denn einige Aspekte dieser Offenbarung können mit einem oder mehreren anderen Aspekten dieser Offenbarung kombiniert werden, um neue Aspekte zu bilden.
Um im Vergleich zu einem erweiterten Start-/Stopp-System in einem Kraftfahrzeug eine stärkere Hybridisierung zu gestatten, werden verschiedene Kraftfahrzeughersteller wahrscheinlich eine fahrzeuginterne 48-V-Energieversorgung mit einer Elektromaschine von z. B. ungefähr 10 kW einführen, die entweder direkt oder über einen Treibriemen mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist. Das Ziel solch eines Systems ist es, den Kraftstoffverbrauch um ungefähr 15% zu Kosten von unter 1000 € zu reduzieren. Ein Beispiel für ein Fahrzeug, das solch ein System enthält, wird in 1 veranschaulicht.
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 100.
Das Fahrzeug 100 enthält einen Verbrennungsmotor 101, eine Elektromaschine 102 (Elektromotor), ein Getriebe 103, eine 12-V-Energieversorgung 104 und eine 48-V-Energieversorgung 105.
Die 12-V-Energieversorgung 104 zum Beispiel versorgt einen Starter 106 mit Energie für das Starten des Verbrennungsmotors 101.
Die 12-V-Energieversorgung 104 und die 48-V-Energieversorgung 105 sind mit der Elektromaschine 102 über das Schaltbauteil 107 verschaltet.
Das Schaltbauteil 107 enthält möglicherweise zum Beispiel einen Wechselrichter zum Verschalten der 48-V-Energieversorgung mit der Elektromaschine 102 und einen (zusätzlichen) Gleichspannungswandler zum Verschalten der 12-V-Energieversorgung 104 mit der 48-V-Energieversorgung 105. Solch ein Verschalten mittels eines Gleichspannungswandlers wird in 2 veranschaulicht.
2 zeigt eine Schaltung 200 mit Verschalten der 12-V-Energieversorgung mit der 48-V-Energieversorgung mittels eines Gleichspannungswandlers.
Die Schaltung 200 enthält einen Gleichspannungswandler 201, der einen ersten Anschluss 202 zum Verbinden der 12-V-Energieversorgungsseite und einen zweiten Anschluss 203 zum Verbinden der 48-V-Energieversorgungsseite aufweist.
Der Gleichspannungswandler 201 ist weiterhin mit einem Masse-Anschluss verbunden.
Auf der 12-V-Energieversorgungsseite sind ein Starter 204 (z. B. entsprechend dem Starter 106), eine 12-V-Batterie 205 (z. B. entsprechend der 12-V-Energieversorgung 104) und ein oder mehrere Verbraucher 206 (z. B. Beleuchtung, Radio usw.) mit dem ersten Anschluss 202 verbunden (z. B. zwischen dem ersten Anschluss 202 und dem Masse-Anschluss).
Auf der 48-V-Energieversorgungsseite sind eine Elektromaschine 207 (z. B. entsprechend der Elektromaschine 102), eine 48-V-Batterie 208 (z. B. entsprechend der 48-V-Energieversorgung 105), die z. B. mit dem zweiten Anschluss 203 über einen Sicherheitsschalter 209 verschaltet ist, und ein oder mehrere Energieverbraucher 210 mit dem zweiten Anschluss 203 verbunden (z. B. zwischen dem zweiten Anschluss 203 und dem Masse-Anschluss).
Der Gleichspannungswandler 201 ist zum Beispiel umgesetzt, wie in 3 veranschaulicht wird.
3 zeigt einen Gleichspannungswandler 300.
Der Gleichspannungswandler 300 enthält einen ersten Anschluss 301 zum Verschalten mit einem 12-V-Energieversorgungssystem, einen zweiten Anschluss 302 zum Verschalten mit einem 48-V-Energieversorgungssystem und einen Masse-Anschluss 303 zum Verschalten mit Masse.
Der erste Anschluss 301 und der zweite Anschluss 302 sind mit den Masse-Knoten über einen ersten Kondensator 304 bzw. 305 verbunden. Der erste Anschluss 301 ist mit einem Mittelknoten 306 mittels eines Induktors 307 verschaltet, der zweite Anschluss 302 ist mit dem Mittelknoten mittels eines ersten Schalters 308 (z. B. einem Feldeffekttransistor) verschaltet, und der Masse-Anschluss 303 ist mit dem Mittelknoten 306 mittels eines zweiten Schalters 309 verschaltet.
Ein oder mehrere weitere Schalter 310, die an den Anschlüssen 301, 302, 303 angeordnet sind, sind möglicherweise nötig, um die 12-V-Energieversorgung und die 48-V-Energieversorgung sicher voneinander zu trennen. Diese weiteren Schalter 310 reduzieren die Effizienz und verursachen zusätzliche Kosten. Der Induktor 307 für den Gleichspannungswandler 300 addiert weiterhin zusätzliches Gewicht sowie Kosten und Platzbedarf zum System.
Eine Alternative zum Verschalten über einen Gleichspannungswandler ist die Verwendung des Sternpunkts (durch Justieren des Sternpunkt-Potentials und Verschalten des Sternpunkts mit der 12-V-Energieversorgung) der Elektromaschine (Elektromotor/-generator) zum Übertragen von Energie an die 12-V-Energieversorgungsseite.
Im Folgenden beschriebene Beispiele basieren auf einem System, in dem die erste Batterie (z. B. die 12-V-Batterie) mit der Elektromaschine über eine erste Schaltanordnung (z. B. einen ersten Wechselrichter, d. h. einen invertierenden Gleichrichter) verschaltet ist und die zweite Batterie (z. B. die 48-V-Batterie) mit der Elektromaschine über eine zweite Schaltanordnung (z. B. einen zweiten Wechselrichter) verschaltet ist.
Beispiele für Schaltungsanordnungen, die möglicherweise bereitgestellt werden und die möglicherweise so angesehen werden, dass sie auf solch einem Verschalten einer ersten Batterie und einer zweiten Batterie über eine Elektromaschine (die als Motor und/oder Generator betrieben werden kann) basieren, werden im Folgenden beschrieben.
4 zeigt eine Schaltungsanordnung 400.
Die Schaltungsanordnung 400 enthält eine erste Batterie 401, eine zweite Batterie 402 und eine Elektromaschine 403, die zwischen die erste Batterie 401 und die zweite Batterie 402 geschaltet ist.
Die Elektromaschine 403 ist mit der ersten Batterie 401 über eine erste Schaltanordnung 404 verbunden, und die Elektromaschine 403 ist mit der zweiten Batterie 402 über eine zweite Schaltanordnung 405 verbunden.
Die Schaltungsanordnung 400 enthält weiterhin eine Steuerung 406, die dazu eingerichtet ist, die erste Schaltanordnung 404 und die zweite Schaltanordnung 405 so zu steuern, dass ein Strom, der eine Gleichspannungskomponente (ungleich null) aufweist, durch die Elektromaschine 403 fließt.
Mit anderen Worten: Gemäß einer Ausführungsform steuert eine Steuerung Schaltanordnungen, die Batterien unterschiedlicher Spannungen mit einer Elektromaschine verschalten, so dass Gleichstrom von einer Batterie zur anderen Batterie übertragen wird, zum Beispiel, um eine der Batterien mittels der anderen Batterie aufzuladen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Schaltanordnung mit der Elektromaschine über eine mehrphasige Verbindung verschaltet, und die zweite Schaltanordnung ist mit der Elektromaschine über eine mehrphasige Verbindung verschaltet.
Die Maschine ist zum Beispiel eine Dreiphasen-Maschine und die erste Schaltanordnung ist zum Beispiel mit der Elektromaschine über eine dreiphasige Verbindung verschaltet, und die zweite Schaltanordnung ist zum Beispiel mit der Elektromaschine über eine dreiphasige Verbindung verschaltet.
Die Elektromaschine weist zum Beispiel drei Stränge auf, wobei jeder Strang einen ersten Anschluss, der mit der ersten Batterie über die erste Schaltanordnung verbunden ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit der zweiten Batterie über die zweite Schaltanordnung verbunden ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung dazu eingerichtet, die erste Schaltanordnung und die zweite Schaltanordnung so zu steuern, dass ein Strom, der eine Gleichspannungskomponente aufweist, durch wenigstens einen der Stränge der Elektromaschine fließt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung dazu eingerichtet, die erste Schaltanordnung und die zweite Schaltanordnung so zu steuern, dass ein Strom, der eine Gleichspannungskomponente oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts aufweist, durch die Elektromaschine Gleichspannungskomponente fließt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung dazu eingerichtet, die erste Schaltanordnung und die zweite Schaltanordnung so zu steuern, dass ein Strom, der eine Gleichspannungskomponente aufweist, von der ersten Batterie zur zweiten Batterie über die Elektromaschine fließt.
Wenigstens eine der ersten Schaltanordnung oder der zweiten Schaltanordnung ist möglicherweise ein Wechselrichter.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung dazu ausgelegt, die erste Schaltanordnung und die zweite Schaltanordnung so zu steuern, dass die erste Schaltanordnung, die Elektromaschine und die zweite Schaltanordnung als ein Gleichspannungswandler fungieren.
Die Steuerung ist möglicherweise dazu eingerichtet, die erste Schaltanordnung und die zweite Schaltanordnung so zu steuern, dass die erste Schaltanordnung, die Elektromaschine und die zweite Schaltanordnung als ein Abwärtswandler oder als ein Aufwärtswandler fungieren.
Die Elektromaschine ist zum Beispiel ein Fahrzeugmotor.
Die erste Batterie und die zweite Batterie sind zum Beispiel Fahrzeugbatterien.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die erste Batterie und die zweite Batterie unterschiedliche Spannungen auf.
Zum Beispiel ist die erste Batterie eine 12-V-Kraftfahrzeugbatterie und die zweite Batterie ist eine 48-V-Kraftfahrzeugbatterie.
Entsprechend der Schaltungsanordnung 400, gemäß einer Ausführungsform, wird ein Verfahren zum Betrieb einer Elektromaschine bereitgestellt, das das Steuern einer ersten Schaltanordnung, über die eine erste Batterie mit der Elektromaschine verschaltet ist, und einer zweiten Schaltanordnung enthält, über die eine zweite Batterie mit der Elektromaschine verschaltet ist, so dass ein Strom, der eine Gleichstromkomponente aufweist, durch die Elektromaschine fließt.
5 zeigt eine Schaltungsanordnung 500.
Die Schaltungsanordnung 500 enthält eine erste Batterie 501, eine zweite Batterie 502 und eine Elektromaschine 503, die zwischen die erste Batterie 501 und die zweite Batterie 502 geschaltet ist.
Die Elektromaschine 503 ist mit der ersten Batterie 501 über eine erste Schaltanordnung 504 verbunden, und die Elektromaschine 503 ist mit der zweiten Batterie 502 über eine zweite Schaltanordnung 505 verbunden. Die Elektromaschine 503 ist mit der zweiten Schaltanordnung 505 über mehrere Anschlüsse 507 verbunden (z. B. eine Anzahl von Anschlüssen, die der Anzahl der Phasenstränge der Elektromaschine entsprechen).
Die Schaltungsanordnung 500 enthält weiterhin eine Steuerung 506, die dazu eingerichtet ist, die zweite Schaltanordnung 505 als Reaktion auf das Detektieren eines Fehlers der zweiten Schaltanordnung 505 oder der zweiten Batterie 504 so zu steuern, dass die Anschlüsse 507 mittels der zweiten Schaltanordnung 505 kurzgeschlossen werden.
Mit anderen Worten: Eine Steuerung steuert eine Schaltanordnung, über die eine Batterie mit einer Elektromaschine verschaltet ist, so dass die Anschlüsse, über die die Schaltanordnung und die Batterie mit der Elektromaschine verschaltet sind, kurzgeschlossen werden, mit anderen Worten: Die Schaltanordnung wird ein Sternpunkt in dem Fall, dass eine Fehlfunktion der Schaltanordnung oder der Batterie vorliegt. Es sei angemerkt, dass zum Beispiel eine Fehlfunktion der Verbindung (z. B. eines Kabels) zwischen der Batterie und der Elektromaschine in diesem Kontext auch als eine Störung der Schaltanordnung oder der Batterie angesehen wird, weil die Verbindung als Teil der Schaltanordnung oder der Batterie zählen kann. Zum Beispiel wird ein Kurzschluss der Verbindung zwischen der Batterie und der Elektromaschine (z. B. verursacht durch eine Fehlfunktion einer von der Batterie mit Energie versorgten Komponente) möglicherweise als eine Störung der Verbindung angesehen und somit als eine Störung der Batterie oder der Schaltanordnung.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Elektromaschine drei Stränge auf, wobei jeder Strang mit der zweiten Schaltanordnung mittels eines Anschlusses der mehreren Anschlüsse verbunden ist.
Die Schaltungsanordnung enthält zum Beispiel weiterhin einen Detektor, der dazu eingerichtet ist, den Fehler der zweiten Schaltanordnung oder der zweiten Batterie zu detektieren.
Die zweite Schaltanordnung enthält zum Beispiel mehrere Schalter, und der Fehler der Schaltanordnung ist zum Beispiel eine Störung eines der mehreren Schalter.
Entsprechend der Schaltungsanordnung 500, gemäß einer Ausführungsform, wird ein Verfahren zum Betrieb einer Elektromaschine gemäß der obigen Schaltungsanordnung bereitgestellt, das das Steuern einer Schaltanordnung enthält, über die eine Batterie mit der Elektromaschine über mehrere Anschlüsse verschaltet ist, so dass die Anschlüsse mittels der Schaltanordnung als Reaktion auf das Detektieren eines Fehlers der Schaltanordnung oder der Batterie kurzgeschlossen werden.
6 zeigt eine Schaltungsanordnung 600.
Die Schaltungsanordnung 600 enthält eine erste Batterie 601, eine zweite Batterie 602 und eine Elektromaschine 603, die zwischen die erste Batterie 601 und die zweite Batterie 602 geschaltet ist.
Die Elektromaschine 603 ist mit der ersten Batterie 601 über eine erste Schaltanordnung 604 verbunden, und die Elektromaschine 604 ist mit der zweiten Batterie 602 über eine zweite Schaltanordnung 605 verbunden.
Die Schaltungsanordnung 600 enthält weiterhin eine Steuerung 606, die dazu eingerichtet ist, die erste Schaltanordnung 604 und die zweite Schaltanordnung 605 so zu steuern, dass die erste Batterie 601 elektrische Leistung zuführt, um die Elektromaschine 603 anzutreiben, und die Elektromaschine 603 der zweiten Batterie 602 Leistung zuführt, um die zweite Batterie 602 aufzuladen.
Mit anderen Worten: Eine Steuerung steuert Schaltanordnungen, über die Batterien mit einer Elektromaschine verbunden werden, so dass die Elektromaschine sich im Motor-Modus für eine Batterie und im Generator-Modus für die andere Batterie befindet, d. h. eine Batterie führt der Elektromaschine Leistung zu, während die Elektromaschine die andere Batterie auflädt.
Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Schaltanordnung und die zweite Schaltanordnung Wechselrichter und werden auf Basis von Raumzeigermodulation oder feldorientierter Regelung gesteuert. Alternativ werden möglicherweise andere mitkoppelnde und rückkoppelnde Regelschemata (synchrone ebenso wie asynchrone) zum Regeln der Wechselrichter verwendet.
Entsprechend der Schaltungsanordnung 600, gemäß einer Ausführungsform, wird ein Verfahren zum Betrieb einer Elektromaschine gemäß der obigen Schaltungsanordnung bereitgestellt, das das Steuern einer ersten Schaltanordnung, über die eine erste Batterie mit der Elektromaschine verschaltet ist, und einer zweiten Schaltanordnung enthält, über die eine zweite Batterie mit der Elektromaschine verschaltet ist, so dass die erste Batterie elektrische Leistung zuführt, um die Elektromaschine anzutreiben, und die Elektromaschine der zweiten Batterie Leistung zuführt, um die zweite Batterie aufzuladen.
Es sei angemerkt, dass Ausführungsformen und Aspekte, die im Kontext irgendeiner der Schaltungsanordnungen 400, 500, 600 beschrieben wurden, analog für andere Schaltungsanordnungen 400, 500, 600 und die entsprechenden Verfahren und umgekehrt gültig sind.
Die Komponenten, wie zum Beispiel die Steuerung und der Detektor, werden möglicherweise zum Beispiel durch eine oder mehrere Schaltungen umgesetzt. Eine „Schaltung“ ist in diesem Kontext möglicherweise als jegliche Art einer Logik umsetzenden Entität zu verstehen, die möglicherweise ein Spezialschaltbauteil oder ein Prozessor, der in einem Speicher gespeicherte Software abarbeitet, Firmware oder irgendeine Kombination daraus ist. Somit ist eine „Schaltung“ möglicherweise eine festverdrahtete logische Schaltung oder eine programmierbare Logikschaltung, wie zum Beispiel ein programmierbarer Prozessor, z. B. ein Mikroprozessor (z. B. ein Complex Instruction Set Computer Prozessor (CISC, Rechner mit komplexem Befehlssatz) oder ein Reduced Instruction Set Computer Prozessor (RISC, Rechner mit reduziertem Befehlssatz)). Eine „Schaltung“ kann auch ein Prozessor sein, der Software abarbeitet, z. B. jede Art von Computerprogramm, z. B. ein Computerprogramm, das einen virtuellen Maschinencode, wie zum Beispiel Java, verwendet. Jede andere Art von Umsetzungsform der jeweiligen Funktionen, die ausführlicher unten beschrieben werden wird, ist möglicherweise auch als eine „Schaltung“ zu verstehen.
Die erste Schaltanordnung 404, 504, 604 und die zweite Schaltanordnung 405, 505, 605 sind jeweils möglicherweise ein Wechselrichter (d. h. ein Gleichspannnungs-Wechselspannungs-Wandler) und bilden möglicherweise zusammen in einer dreiphasigen Umsetzungsform (oder in einer Umsetzungsform mit einer anderen Anzahl von Phasensträngen, z. B. in einer sechsphasigen Umsetzungsform) zum Beispiel eine Wechselrichter-Schaltung, die über die Elektromaschine zwei fahrzeuginterne Energiesysteme (und entsprechende Energieversorgungen) verbindet, z. B. ein 12-V-Energiesystem (z. B. von einer 12-V-Batterie mit Energie versorgt) und ein 48-V-Energiesystem (z. B. von einer 48-V-Batterie mit Energie versorgt). Dafür wird jeder Phasenstrang der Elektromaschine mit beiden Energiesystemen (über die jeweiligen Wechselrichter) verbunden. Mögliche Anwendungen sind Elektromaschinen (mit höherer Leistung) in einem Fahrzeug, wie zum Beispiel ein Hybrid-Elektromotor, eine elektrische Lenkunterstützung, eine Elektropumpe oder ein Lüfter.
Im Folgenden werden Beispiele ausführlicher beschrieben, in denen die Schaltanordnungen Wechselrichter sind.
7 zeigt eine Schaltungsanordnung 700.
Die Schaltungsanordnung 700 enthält eine erste Batterie 701 (eine 12-V-Batterie in diesem Beispiel), eine zweite Batterie 702 (eine 48-V-Batterie in diesem Beispiel) und eine Elektromaschine 703.
Die erste Batterie 701 ist mit der Elektromaschine 703 über eine erste Schaltanordnung 704 verbunden, und die zweite Batterie 702 ist mit der Elektromaschine 703 über eine zweite Schaltanordnung 705 verbunden.
Im Speziellen enthält die Elektromaschine einen ersten Anschluss 706, einen zweiten Anschluss 707, einen dritten Anschluss 708, einen vierten Anschluss 709, einen fünften Anschluss 710 und einen sechsten Anschluss 711.
Die erste Schaltanordnung 704 enthält sechs Schalter 712 bis 717, z. B. Feldeffekttransistoren, wie zum Beispiel MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) oder, für eine Umsetzungsform für höhere Spannungen, IGBTs (insulated-gate bipolar transistors).
Der erste Schalter 712 ist zwischen den positiven Anschluss der ersten Batterie 701 und den ersten Anschluss 706 geschaltet, und der zweite Schalter 713 ist zwischen den ersten Anschluss 706 und den negativen Anschluss der ersten Batterie 701 geschaltet. Der dritte Schalter 714 ist zwischen den positiven Anschluss der ersten Batterie 701 und den zweiten Anschluss 707 geschaltet, und der vierte Schalter 715 ist zwischen den zweiten Anschluss 707 und den negativen Anschluss der ersten Batterie 701 geschaltet. Der fünfte Schalter 716 ist zwischen den positiven Anschluss der ersten Batterie 701 und den dritten Anschluss 708 geschaltet, und der sechste Schalter 717 ist zwischen den dritten Anschluss 708 und den negativen Anschluss der ersten Batterie 701 geschaltet.
Weiterhin ist ein erster Kondensator 718 zwischen den positiven Anschluss und den negativen Anschluss der ersten Batterie 701 geschaltet.
Die zweite Schaltanordnung 705 enthält sechs Schalter 719 bis 720, z. B. Feldeffekttransistoren, wie zum Beispiel MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors).
Der erste Schalter 719 ist zwischen den positiven Anschluss der zweiten Batterie 702 und den vierten Anschluss 709 geschaltet, und der zweite Schalter 720 ist zwischen den vierten Anschluss 709 und den negativen Anschluss der zweiten Batterie 702 geschaltet. Der dritte Schalter 721 ist zwischen den positiven Anschluss der zweiten Batterie 702 und den fünften Anschluss 710 geschaltet, und der vierte Schalter 722 ist zwischen den fünften Anschluss 710 und den negativen Anschluss der zweiten Batterie 702 geschaltet. Der fünfte Schalter 723 ist zwischen den positiven Anschluss der zweiten Batterie 702 und den sechsten Anschluss 711 geschaltet, und der sechste Schalter 724 ist zwischen den sechsten Anschluss 711 und den negativen Anschluss der zweiten Batterie 702 geschaltet.
Weiterhin ist ein zweiter Kondensator 725 zwischen den positiven Anschluss und den negativen Anschluss der zweiten Batterie 702 geschaltet.
Es sei angemerkt, dass sowohl zwischen der ersten Batterie 701 und dem ersten Kondensator 718 als auch zwischen der zweiten Batterie 702 und dem zweiten Kondensator 725 möglicherweise ein Batteriehauptschalter (im positiven und/oder im negativen Pfad) vorgesehen ist.
Die Schaltanordnungen 704, 705, d. h. die Schalter 712 bis 717, 719 bis 724, werden von einer Steuerung (nicht dargestellt) gesteuert, z. B. einem zentralen Microcontroller. Alternativ wird möglicherweise jede Schaltanordnung 704, 705 von ihren eigenen Microcontrollern gesteuert, die zum Beispiel über eine (schnelle) Schnittstelle synchronisiert werden. Die Anordnung der beiden Microcontroller kann ebenso als eine Steuerung verstanden werden.
Das Schaltbauteil, das die erste Schaltanordnung 704 und die zweite Schaltanordnung 705 enthält, kann als eine angepasste Wechselrichter-Schaltung angesehen werden, nämlich als eine Doppel-Wechselrichter-Schaltung, zum Beispiel für den Hybrid-Motor des Fahrzeugs 100.
Jede Schaltanordnung 704, 705 bildet einen Wechselrichter, durch den die 12-V-Energieversorgung 701 (mit anderen Worten, das 12-V-Energiesystem oder -netz) und die 48-V-Energieversorgung 702 (mit anderen Worten, das 48-V-Energiesystem oder -netz) mit der Elektromaschine 703 verschaltet sind. Ein Gleichspannungswandler, wie er unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben wurde, ist in diesem Fall nicht nötig. Die Elektromaschine 703 wird möglicherweise konventionell betrieben, wenn in einer Schaltanordnung 704, 705 alle oberen (d. h. die Schalter 712, 714, 716 bzw. die Schalter 719, 721, 723) oder alle unteren (d. h. die Schalter 713, 715, 717 bzw. die Schalter 720, 722, 724) eingeschaltet werden (Einzelbetrieb). In diesem Fall fungiert eine der Schaltanordnungen 704, 705 als Sternpunkt. Dies wird möglicherweise im Fall eines Ausfalls eines der Wechselrichter 704, 705 verwendet, so dass der Motor in solch einem Fall möglicherweise immer noch betrieben wird. Dies kann so angesehen werden, dass es der im Kontext von 5 beschriebenen Funktionalität entspricht.
Alternativ werden, für einen erweiterten Betrieb, möglicherweise beide Energieversorgungsspannungen über die Maschinenwicklungen addiert (verknüpfter Betrieb). Gemäß der Richtung des Stroms wird die Elektromaschine 703 möglicherweise als Generator oder als Motor betrieben. Dementsprechend werden die Wechselrichter 704, 705 möglicherweise im Generatormodus oder im Motormodus betrieben. Weiterhin wird möglicherweise Energie von einer Batterie zur anderen Batterie übertragen, unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit der Elektromaschine.
Es sei weiterhin angemerkt, dass mit der Schaltungsanordnung 700 ein Freilaufen der Elektromaschine unkritisch ist und kein unerwünschter Generatorbetrieb auftritt, weil die elektromotorische Kraft nicht verkettet wird und die Summenspannung der Energieversorgungen als Gegenspannung fungiert.
Die Steuerung steuert möglicherweise die Schaltanordnungen 704, 705, so dass die von der Elektromaschine 703 gesehene Spannung eine Verknüpfung der Spannungen der Batterien 701, 702 ist. Somit werden der Elektromaschine 703 möglicherweise im Fall einer 12-V-Batterie und einer 48-V-Batterie Spannungen von +/-12 V, +/-48 V, +/-60 V, +/-36 V und 0 V zugeführt. Durch Anlegen solch einer mehrstufigen Spannung an die Elektromaschine 703 wird möglicherweise die Effizienz der Elektromaschine erhöht.
Es sei weiterhin angemerkt, dass der Masse-Anschluss für die 12-V-Energieversorgung und der Masse-Anschluss für die 48-V-Energieversorgung möglicherweise getrennt werden, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu erhöhen.
Auf der anderen Seite erfordert die Schaltungsanordnung 700 eine Masse-Verbindung von der zweiten Batterie 702, eventuell zusätzliche Maschinenanschlüsse und weitere Schaltbauteile in der Form der Schaltanordnungen 704, 705 (dies wird möglicherweise allerdings durch die Tatsache kompensiert, dass kein Gleichspannungswandler nötig ist). Die Wechselrichter 704, 705 werden möglicherweise in (oder an) der Elektromaschine 703 integriert, um die Kosten für zusätzliche Maschinenanschlüsse gering zu halten. Zum Beispiel werden die Wechselrichter 704, 705 axial oder radial an der Maschine 703 integriert (Optimierung des Einbauraums), anstatt dass Maschinenverkabelung für das Verschalten verwendet wird.
Strommessung, z. B. als Basis für das Steuern der Wechselrichter 704, 705, wird möglicherweise in den Motorphasensträngen oder in einem gemeinsamen Quellpfad vorgenommen, so dass keine zusätzlichen Stromaufnehmer nötig sind.
Eine Verbindung mit geringer Induktivität zwischen den Wechselrichtern 704, 705 ist nicht nötig. Die Wechselrichter können als getrennte dreiphasige Standard-Wechselrichter 704, 705 umgesetzt werden. Die maximale Sperrspannung der Wechselrichter 704, 705 wird zum Beispiel in Hinsicht auf die jeweilige Energieversorgungsspannung ausgewählt. Zum Beispiel werden möglicherweise für den ersten Wechselrichter 704 (für die 12-V-Energieversorgung) 30-V-/40-V-MOSFETs verwendet, und für den zweiten Wechselrichter 705 (für die 48-V-Energieversorgung) werden möglicherweise 48-V-MOSFETs verwendet. Die maximale Spannung, die an einen der Schalter 712 bis 717, 719 bis 723 angelegt wird, wird durch die jeweilige Energieversorgung bestimmt.
Im Folgenden wird eine Übertragung von Gleichstrom durch die Elektromaschine 703 zwischen den Batterien 701, 702 und ein entsprechendes Steuern oder Regeln der Wechselrichter 704, 705 ausführlicher beschrieben. Es ist anzumerken, dass dies möglicherweise so angesehen wird, dass es dem unter Bezugnahme auf die Schaltungsanordnung 400 beschriebenen Steuern oder Regeln entspricht.
Eine Einstellung der Schalter 712 bis 717, 719 bis 723, so dass die Schaltungsanordnung 700 als ein Abwärtswandler betrieben wird, wird in 8 veranschaulicht.
8 zeigt eine Schaltungsanordnung 800.
Entsprechend 7 enthält die Schaltungsanordnung 800 eine erste Batterie 801, eine zweite Batterie 802, eine Elektromaschine 803, die die Anschlüsse 806 bis 811 enthält, eine erste Schaltanordnung 804, die die Schalter 812 bis 817 enthält, und eine zweite Schaltanordnung 805, die die Schalter 819 bis 823 enthält.
Im Beispiel in 8 ist der Zustand der Schalter 812 bis 817, 819 bis 823 ein solcher, dass die Schaltungsanordnung (Doppel-Wechselrichter) als Gleichspannungsabwärtswandler funktioniert.
Im Speziellen sind der erste Schalter 812, der vierte Schalter 815 und der fünfte Schalter 816 der ersten Schaltanordnung 804 (dauernd) geschlossen, während der zweite Schalter 813, der dritte Schalter 814 und der sechste Schalter 817 der ersten Schaltanordnung 804 (dauernd) geöffnet sind. Der dritte Schalter 821 der zweiten Schaltanordnung 805 ist (dauernd) geöffnet, und der vierte Schalter 822 der zweiten Schaltanordnung 805 ist (dauernd) geschlossen. Der zweite Schalter 820 und der sechste Schalter 824 der zweiten Schaltanordnung 805 werden als Dioden verwendet (z. B. die Freilaufdioden (Inversdioden) von MOSFETs), werden möglicherweise aber ebenso aktiv geschaltet (für einen aktiven Gleichrichter), um Verluste zu reduzieren. Zum Beispiel leitet ein MOSFET möglicherweise in Rückwärtsrichtung, und sein Widerstand ist, wenn er angeschaltet wird, typischerweise geringer als der Vorwärtswiderstand der Inversdiode.
Der erste Schalter 819 und der fünfte Schalter 823 der zweiten Schaltanordnung 805 werden geschaltet (z. B. zeitgleich, d. h. damit sie zur gleichen Zeit eingeschaltet und zur gleichen Zeit ausgeschaltet sind), und das Verhältnis zwischen der Spannung an der ersten Batterie V1 und der Spannung an der zweiten Batterie V2 wird durch das Verhältnis zwischen Ein-Zeit und Aus-Zeit gemäß $\frac{V_{1}}{V_{2}} = a$
gegeben.
Möglicherweise werden der erste Schalter 819 und der fünfte Schalter 823 auch mit einem Offset geschaltet (d. h. mit einer Verzögerung zwischen dem Schalten der Schalter 819, 823), während sie das gleiche Verhältnis zwischen Ein-Zeit und Aus-Zeit für beide Schalter 819, 823 aufweisen.
Eine gleichwertige Schaltung wie die Schaltungsanordnung in diesem Betriebsmodus wird in 9 gezeigt.
9 zeigt eine Schaltungsanordnung 900.
Die Schaltung weist eine Eingangsspannung U_E (entsprechend V₁) zwischen den Eingangsanschlüssen 901, 902 und eine Ausgangsspannung U_A (entsprechend V₂) zwischen den Ausgangsanschlüssen 903, 904 auf.
Der positive Eingangsanschluss 901 ist über einen Schalter 906 (entsprechend den Schaltern 919, 923) mit einem Knoten 905 verbunden, der über einen Induktor 907 (entsprechend der Induktivität der Maschine 702) mit dem positiven Ausgangsanschluss 903 verschaltet ist. Eine Diode 908 (entsprechend den Schaltern 720, 724) ist zwischen den negativen Eingangs-/Ausgangsanschlüssen 902, 904 (Anode) und dem Knoten 905 (Kathode) verschaltet. Weiterhin ist ein Kondensator 909 zwischen den Ausgangsanschlüssen 903, 904 verschaltet.
Eine Einstellung der Schalter 712 bis 717, 719 bis 723 wird so veranschaulicht, dass die Schaltungsanordnung 700 als ein Aufwärtswandler betrieben wird, und wird in 10 veranschaulicht.
10 zeigt eine Schaltungsanordnung 1000.
Entsprechend 7 enthält die Schaltungsanordnung 1000 eine erste Batterie 1001, eine zweite Batterie 1002, eine Elektromaschine 1003, die die Anschlüsse 1006 bis 1011 enthält, eine erste Schaltanordnung 1004, die die Schalter 1012 bis 1017 enthält, und eine zweite Schaltanordnung 1005, die die Schalter 1019 bis 1023 enthält.
Im Beispiel in 8 ist der Zustand der Schalter 1012 bis 1017, 1019 bis 1023 so, dass die Schaltungsanordnung (Doppel-Wechselrichter) als Gleichspannungsaufwärtswandler funktioniert.
Im Speziellen sind der erste Schalter 1012, der vierte Schalter 1015 und der fünfte Schalter 1016 der ersten Schaltanordnung 1004 (dauernd) geschlossen, während der zweite Schalter 1013, der dritte Schalter 1014 und der sechste Schalter 1017 der ersten Schaltanordnung 1004 (dauernd) geöffnet sind. Der dritte Schalter 1021 der zweiten Schaltanordnung 1021 ist (dauernd) geöffnet, und der vierte Schalter 1022 der zweiten Schaltanordnung 1021 ist (dauernd) geschlossen. Der erste Schalter 1019 und der fünfte Schalter 1023 der zweiten Schaltanordnung 1021 werden als Dioden verwendet, um als Gleichrichter zu dienen.
Der zweite Schalter 820 und der sechste Schalter 824 der zweiten Schaltanordnung 805 werden gemäß PWM (Pulsweitenmodulation) geschaltet (z. B. zeitgleich, d. h. damit sie zur gleichen Zeit eingeschaltet und zur gleichen Zeit ausgeschaltet sind), und das Verhältnis zwischen der Spannung an der ersten Batterie V1 und der Spannung an der zweiten Batterie V2 (Verstärkungsfaktor) wird durch das Verhältnis zwischen Ein-Zeit und Aus-Zeit gemäß $\frac{V_{2}}{V_{1}} = \frac{1}{1 - a}$
gegeben.
Eine gleichwertige Schaltung wie die Schaltungsanordnung in diesem Betriebsmodus wird in 11 gezeigt.
11 zeigt eine Schaltung 1100.
Die Schaltung weist eine Eingangsspannung U_E (entsprechend V₁) zwischen den Eingangsanschlüssen 1101, 1102 und eine Ausgangsspannung U_A (entsprechend V₂) zwischen den Ausgangsanschlüssen 1103, 1104 auf.
Der positive Eingangsanschluss 1101 ist über einen Induktor 1106 (entsprechend der Induktivität der Maschine 702) mit einem Knoten 1105 verbunden, der über eine Diode 1107 mit dem positiven Ausgangsanschluss 1103 verschaltet ist.
Ein Schalter 1108 (entsprechend den Schaltern 720, 724) ist zwischen den negativen Eingangs-/Ausgangsanschlüssen 1102, 1104 und dem Knoten 1105 verschaltet.
Weiterhin ist ein Kondensator 1109 zwischen den Ausgangsanschlüssen 1103, 1104 verschaltet.
Es ist die Schaltanordnung 704, 705 aktiv, deren Energieversorgung 701, 702 (d. h. die Energieversorgung 701, 702, die mit der Elektromaschine 703 verschaltet) die größere Spannung aufweist, d. h. in den Konfigurationen der 8 und 9 bei V₁<V₂ ist somit die zweite Schaltanordnung 805, 1005 aktiv.
Die beiden geschalteten Phasenstränge übertragen jeder die Hälfte des Stroms und der nicht geschaltete Phasenstrang überträgt den vollen Strom. Dies ist von Vorteil für den Verlustausgleich.
Alternativ wird möglicherweise für den Gleichspannungswandler-Betrieb ein einzelner Phasenstrang (zum Schalten), anstatt zwei, verwendet. Allerdings sollte in diesem Fall ein höherer Brummstrom erwartet werden. Weiterhin sind möglicherweise zwei Brücken des (geschalteten) Wechselrichters 805, 1005 dauernd eingeschaltet. Also benötigt der geschaltete Wechselrichter 805, 1005 eine geschaltete Brücke und wenigstens eine Brücke, die dauernd eingeschaltet ist. Im nicht geschalteten Wechselrichter 804, 1004 sind diese Brücken dauernd eingeschaltet (verbunden mit dem positiven Anschluss der ersten Energieversorgung 801, 1001), was Brücken (d. h. zum gleichen Phasenstrang) des geschalteten Wechselrichters 805, 1005 entspricht, die geschaltet werden.
Weiterhin fließt der Strom über den geschlossenen Schalter der mittleren Brücke (d. h. den geschlossenen Schalter 722, der eine Freilaufdiode ist) zurück zur zweiten Energieversorgung 802, 1002. Dies begrenzt nicht die Funktionalität.
Die Funktionalität der Behandlung eines Fehlers auf einer der Seiten, wie sie unter Bezugnahme auf 5 erklärt wurde, wird ausführlicher im Folgenden unter Bezugnahme auf 12 erklärt.
12 zeigt eine Schaltungsanordnung 1200.
Entsprechend 7 enthält die Schaltungsanordnung 1200 eine erste Batterie 1201, eine zweite Batterie 1202, eine Elektromaschine 1203, die die Anschlüsse 1206 bis 1211 enthält, eine erste Schaltanordnung 1204, die die Schalter 1212 bis 1217 enthält, und eine zweite Schaltanordnung 1205, die die Schalter 1219 bis 1223 enthält.
Im Beispiel in 12 wird angenommen, dass es eine Störung auf der Seite der ersten Schaltanordnung 1205 gibt, z. B. eine Störung eines der Schalter 1212 bis 1217, in diesem Beispiel des sechsten Schalters 1217, so dass er dauernd geöffnet ist, oder irgendeine Störung der ersten Batterie 1201.
Zum Beispiel detektiert die Steuerung der zweiten Schaltanordnung 1205 die Störung und schließt, wie in 12 veranschaulicht wird, als Reaktion darauf die Anschlüsse 1206, 1207, 1208 der Elektromaschine durch Schließen der oberen Schalter 1212, 1214, 1216 kurz.
Es sei angemerkt, dass die oberen Schalter 1212, 1214, 1216 in diesem Beispiel geschlossen sind, weil eine Störung des sechsten Schalters 1217, der ein unterer Schalter ist, angenommen wird. Im Fall, dass einer der oberen Schalter 1212, 1214, 1216 gestört ist oder die erste Batterie 1201 gestört ist, werden möglicherweise die unteren Schalter 1213, 1215, 1217 alternativ geschlossen.
Im Folgenden wird ein Steuern der Schaltanordnung 704, 705 ausführlicher beschrieben, so dass die Elektromaschine als ein Generator für eine der Batterien 701, 702 betrieben wird, während sie als ein Motor von der anderen Batterie 701, 702 angetrieben wird. Es ist anzumerken, dass dies möglicherweise so angesehen wird, dass es dem unter Bezugnahme auf die Schaltungsanordnung 600 beschriebenen Steuern entspricht.
Ein Wechselrichter kann eine Ausgangsspannung unabhängig vom Ausgangsstrom erzeugen. Dies ermöglicht einen Betrieb in vier Quadranten: positive Ausgangsspannung und positiver Strom, positive Ausgangsspannung und negativer Strom, negative Ausgangsspannung und positiver Strom und negative Ausgangsspannung und negativer Strom. Im Motorbetrieb entspricht dies dem Bremsen und Beschleunigen in den zwei Rotationsrichtungen.
Zum Beispiel beschleunigt der erste Wechselrichter 704 möglicherweise die Maschine 703 in Vorwärtsrichtung unter Verwendung eines Standard-Steuerschemas (z. B. auf Basis von Raumzeigermodulation oder feldorientierter Regelung), und der zweite Wechselrichter 705 bremst möglicherweise den Motor (der in Vorwärtsrichtung läuft) unter Verwendung eines Standard-Steuerschemas. Somit befindet sich der erste Wechselrichter 704 im Motor-Betriebsmodus, und der zweite Wechselrichter 705 befindet sich im Generator-Betriebsmodus, d. h. die Maschine 703 wird wie ein Motor von der ersten Batterie 701 mit Energie versorgt und fungiert als ein Generator für die zweite Batterie 702. Virtuell sieht der erste Wechselrichter 704 einen stärkeren Motor (mit mehr Energieverbrauch und höherer Spannung), und der zweite Wechselrichter 705 sieht einen schwächeren Motor im Generatorbetrieb. Dementsprechend führt der erste Wechselrichter 704 sowohl Motorleistung als auch die Generatorleistung für den zweiten Wechselrichter 705 und die zweite Batterie 702 zu. Der Motorstrom bleibt unverändert, unabhängig davon, ob Energie zwischen den Batterien 701, 702 übertragen wird. Lediglich die Spannungen ändern sich.
Im Gegensatz zu diesem Betrieb werden die Spannungen beider Batterien 701, 702 möglicherweise verknüpft, um mehr Leistung für die Maschine 703 zu erzeugen.
13 zeigt ein Vektordiagramm 1300.
Das Vektordiagramm 1300 veranschaulicht einen Arbeitspunkt, an dem sich der erste Wechselrichter 701 im Motor-Betriebsmodus befindet und sich der zweite Wechselrichter 702 im Generator-Betriebsmodus befindet. V_motor bezeichnet die Motorspannung, I_motor den Motorstrom und φ die Phasendifferenz zwischen der Motorspannung und dem Motorstrom.
Die von der ersten Batterie P₁ zugeführte Leistung und die von der zweiten Batterie P₂ zugeführte Leistung werden mit $P_{1} = V_{1} \cdot I_{motor} \cdot cos ρ$
und $P_{2} = - V_{2} \cdot I_{motor} \cdot cos ρ$
gegeben.
In diesem Beispiel ist P₁ positiv und P₂ ist negativ.
Eine gleichwertige Schaltung wie die Schaltungsanordnung in diesem Betriebsmodus wird in 14 gezeigt.
14 zeigt eine Schaltung 1400.
Die Schaltung 1400 ist eine Reihenverbindung (mit drei parallelen Phasensträngen) einer ersten Spannungsquelle 1401 (entsprechend der ersten Batterie 701 und dem ersten Wechselrichter 704), einer zweiten Spannungsquelle 1402 (entsprechend der zweiten Batterie 702 und dem zweiten Wechselrichter 705) und einem Motor 1403 (entsprechend dem Motor 703). Die Ausgangsspannungen der ersten Spannungsquelle 1401 und der zweiten Spannungsquelle 1402 werden am Motor 1403 addiert.
Beispiele für den Betrieb der Schaltungsanordnung 700 (wie zum Beispiel auf Basis einer Simulation) werden in den 15 und 16 veranschaulicht.
Die 15 und 16 zeigen die Spannungs-, Leistungs-, Strom-Diagramme 1500, 1600.
Die Diagramme 1500, 1600 zeigen die Spannung V₁ der drei Phasenstränge an den Anschlüssen 706, 707, 708 auf Seiten der ersten Batterie, die Spannung V₂ der drei Phasenstränge an den Anschlüssen 709, 710, 711 auf Seiten der zweiten Batterie, die vom ersten Wechselrichter P₁ der Maschine zugeführte Leistung, die vom zweiten Wechselrichter P₂ der Maschine zugeführte Leistung und die Leistung am Verbraucher P_L.
15 veranschaulicht den Fall, dass lediglich der zweite Wechselrichter 705 aktiv ist und der erste Wechselrichter 704 kurzgeschlossen ist, wie oben unter Bezugnahme auf 12 erklärt wurde. Dementsprechend sind die Spannung V₁ und die Leistung P₁ null.
16 veranschaulicht den Fall, dass der erste Wechselrichter 704 sich im Generator-Betriebsmodus befindet und dementsprechend der Maschine 703 eine Spannung zuführt, die der vom zweiten Wechselrichter 705 der Maschine 703 zugeführten Spannung entgegengesetzt ist.
Die vom zweiten Wechselrichter 705 zugeführte Spannung wurde durch die vom ersten Wechselrichter 704 zugeführte Spannung erhöht, so dass am Verbraucher (d. h. der Maschine 703) der Strom gleich bleibt und sich für den Verbraucher nichts ändert. In diesem Fall wird Energie von der zweiten Batterie 702 zur ersten Batterie 701 übertragen.
17 zeigt Strom-, Spannungs-Diagramme 1700.
Das Diagramm 1700 veranschaulicht die Modulation der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms einer Wechselrichterbrücke. Die Amplitude der Grundschwingung der Spannung 1701 wird möglicherweise über die Pulsweite (in einer PWM) gesetzt. Der Strom kann als Integral der Spannung am induktiven Verbraucher (Zick-Zack-Linie 1702) bestimmt werden.
Während spezifische Aspekte beschrieben worden sind, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen hinsichtlich der Form und der Details möglicherweise daran gemacht werden, ohne damit vom Gedanken und vom Schutzbereich der Aspekte dieser Offenbarung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert werden, abzuweichen. Der Schutzbereich wird somit durch die beigefügten Ansprüche angezeigt, und alle Änderungen, die gleiche Bedeutung wie die Ansprüche erlangen bzw. in einen Bereich gleicher Bedeutung wie die Ansprüche kommen, sollen daher einbezogen sein.

Claims

Schaltungsanordnung (400), die Folgendes aufweist: eine erste Batterie (401); eine zweite Batterie (402); eine Elektromaschine (403), die zwischen die erste Batterie (401) und die zweite Batterie (402) geschaltet ist, wobei die Elektromaschine (403) mit der ersten Batterie (401) über eine erste Schaltanordnung (404) verbunden ist und die Elektromaschine (403) mit der zweiten Batterie (402) über eine zweite Schaltanordnung (405) verbunden ist; eine Steuerung (406), die dazu eingerichtet ist, die erste Schaltanordnung (404) und die zweite Schaltanordnung (405) so zu steuern, dass ein Strom, der eine Gleichstromkomponente aufweist, durch die Elektromaschine (403) fließt, wobei die Elektromaschine (403) drei Stränge aufweist, wobei jeder Strang einen ersten Anschluss, der mit der ersten Batterie (401) über die erste Schaltanordnung (404) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit der zweiten Batterie (402) über die zweite Schaltanordnung (405) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (400) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (406) dazu eingerichtet ist, die erste Schaltanordnung (404) und die zweite Schaltanordnung (405) so zu steuern, dass ein Strom, der eine Gleichspannungskomponente aufweist, durch wenigstens einen der Stränge der Elektromaschine (403) fließt.
Schaltungsanordnung (400) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Steuerung (406) dazu eingerichtet ist, die erste Schaltanordnung (404) und die zweite Schaltanordnung (405) so zu steuern, dass ein Strom, der eine Gleichspannungskomponente aufweist oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts, durch die Elektromaschine (403) fließt.
Schaltungsanordnung (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerung (406) dazu eingerichtet ist, die erste Schaltanordnung (404) und die zweite Schaltanordnung (405) so zu steuern, dass ein Strom, der eine Gleichspannungskomponente aufweist, von der ersten Batterie (401) zur zweiten Batterie (402) über die Elektromaschine (403) fließt.
Schaltungsanordnung (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei wenigstens eine der ersten Schaltanordnung (404) und der zweiten Schaltanordnung (405) ein Wechselrichter ist.
Schaltungsanordnung (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuerung (406) dazu eingerichtet ist, die erste Schaltanordnung (404) und die zweite Schaltanordnung (405) so zu steuern, dass die erste Schaltanordnung (404), die Elektromaschine (403) und die zweite Schaltanordnung (405) als ein Gleichspannungswandler fungieren.
Schaltungsanordnung (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuerung (406) dazu eingerichtet ist, die erste Schaltanordnung (404) und die zweite Schaltanordnung (405) so zu steuern, dass die erste Schaltanordnung (404), die Elektromaschine (403) und die zweite Schaltanordnung (405) als ein Abwärtswandler oder als ein Aufwärtswandler fungieren.
Schaltungsanordnung (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Elektromaschine (403) ein Fahrzeugmotor ist.
Schaltungsanordnung (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste Batterie (401) und die zweite Batterie (402) Fahrzeugbatterien sind.
Schaltungsanordnung (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Batterie (401) und die zweite Batterie (402) unterschiedliche Spannungen aufweisen.
Schaltungsanordnung (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die erste Batterie (401) eine 12-V-Kraftfahrzeugbatterie und die zweite Batterie (402) eine 48-V-Kraftfahrzeugbatterie ist.
Verfahren zum Steuern einer Elektromaschine (403), die drei Stränge aufweist, wobei jeder Strang einen ersten Anschluss, der mit einer ersten Batterie (401) über eine erste Schaltanordnung (404) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer zweiten Batterie (402) über eine zweite Schaltanordnung (405) verbunden ist, das Folgendes aufweist: Steuern der ersten Schaltanordnung (404) und der zweiten Schaltanordnung (405), so dass ein Strom, der eine Gleichstromkomponente aufweist, durch die Elektromaschine (403) fließt.
Schaltungsanordnung, die Folgendes aufweist: eine erste Batterie (401); eine zweite Batterie (402); eine Elektromaschine (403), die zwischen die erste Batterie (401) und die zweite Batterie (402) geschaltet ist, wobei die Elektromaschine (403) mit der ersten Batterie (401) über eine erste Schaltanordnung (404) verbunden ist und die Elektromaschine (403) mit der zweiten Batterie (402) über eine zweite Schaltanordnung (405) verbunden ist und wobei die Elektromaschine (403) mit der zweiten Schaltanordnung (405) über mehrere Anschlüsse verbunden ist; wobei die erste Schaltanordnung (404) und die zweite Schaltanordnung (405) Wechselrichter sind; und eine Steuerung, wobei die Steuerung (406) dazu eingerichtet ist, die erste Schaltanordnung (404) und die zweite Schaltanordnung (405) so zu steuern, dass die erste Schaltanordnung (404), die Elektromaschine (403) und die zweite Schaltanordnung (405) als ein Abwärtswandler oder als ein Aufwärtswandler fungieren.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, die zweite Schaltanordnung (405) als Reaktion auf das Detektieren eines Fehlers der zweiten Schaltanordnung (405) oder der zweiten Batterie (402) so zu steuern, dass die Anschlüsse mittels der zweiten Schaltanordnung (405) kurzgeschlossen werden.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, wobei die Elektromaschine (403) drei Stränge aufweist, wobei jeder Strang mit der zweiten Schaltanordnung (405) mittels eines Anschlusses der mehreren Anschlüsse verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 13 oder 14, die weiterhin einen Detektor aufweist, der dazu eingerichtet ist, den Fehler der zweiten Schaltanordnung (405) oder der zweiten Batterie (402) zu detektieren.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die zweite Schaltanordnung (405) mehrere Schalter aufweist und der Fehler der Schaltanordnung eine Störung eines der mehreren Schalter ist.
Verfahren zum Betreiben einer Elektromaschine (403), die drei Stränge aufweist, wobei jeder Strang einen ersten Anschluss, der mit einer ersten Batterie (401) über eine erste Schaltanordnung (404) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer zweiten Batterie (402) über eine zweite Schaltanordnung (405) verbunden ist, das Folgendes aufweist: Steuern der ersten Schaltanordnung (404), so dass die ersten Anschlüsse als Reaktion auf das Detektieren eines Fehlers der ersten Schaltanordnung (404) oder der ersten Batterie (401) mittels der ersten Schaltanordnung (404) kurzgeschlossen werden.
Schaltungsanordnung, die Folgendes aufweist: eine erste Batterie (401); eine zweite Batterie (402); eine Elektromaschine (403), die zwischen die erste Batterie (401) und die zweite Batterie (402) geschaltet ist, wobei die Elektromaschine (403) mit der ersten Batterie (401) über eine erste Schaltanordnung (404) verbunden ist und die Elektromaschine (403) mit der zweiten Batterie (402) über eine zweite Schaltanordnung (405) verbunden ist, wobei die Elektromaschine (403) drei Stränge aufweist, wobei jeder Strang einen ersten Anschluss, der mit der ersten Batterie (401) über die erste Schaltanordnung (404) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit der zweiten Batterie (402) über die zweite Schaltanordnung (405) verbunden ist; eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, die erste Schaltanordnung (404) und die zweite Schaltanordnung (405) so zu steuern, dass ein Strom, der eine Gleichstromkomponente aufweist, durch die Elektromaschine (403) fließt, dass die erste Batterie (401) elektrische Leistung zuführt, um die Elektromaschine (403) anzutreiben, und die Elektromaschine (403) der zweiten Batterie (402) Leistung zuführt, um die zweite Batterie (402) aufzuladen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, wobei die erste Schaltanordnung (404) und die zweite Schaltanordnung (405) Wechselrichter sind und auf Basis von Raumzeigermodulation oder feldorientierter Regelung gesteuert werden.
Verfahren zum Betreiben einer Elektromaschine, die drei Stränge aufweist, wobei jeder Strang einen ersten Anschluss, der mit einer ersten Batterie (401) über eine erste Schaltanordnung (404) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer zweiten Batterie (402) über eine zweite Schaltanordnung (405) verbunden ist, das Folgendes aufweist: das Steuern der ersten Schaltanordnung (404) und der zweiten Schaltanordnung (405), dass ein Strom, der eine Gleichstromkomponente aufweist, durch die Elektromaschine (403) fließt, so dass die erste Batterie (401) elektrische Leistung zuführt, um die Elektromaschine (403) anzutreiben, und die Elektromaschine (403) der zweiten Batterie (402) Leistung zuführt, um die zweite Batterie (402) aufzuladen.