DE102013205869B4 - Vehicle with a polyphase machine - Google Patents
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Abstract
Fahrzeug mit einer 2xN-phasigen elektrischen Maschine, mit einem ersten Teilenergiebordnetz (BN1), das eine erste Nenngleichspannungslage aufweist, und mit einem zweiten Teilenergiebordnetz (BN2), das eine zweite Nenngleichspannungslage aufweist, wobei die elektrische Maschine einen Rotor, ein gemeinsames Statorsystem (1) mit einem ersten N-phasigen Wicklungssystem (1a) und einem zweiten N-phasigen Wicklungssystem (1b) umfasst, das erste Teilenergiebordnetz einen Zwischenkreiskondensator (3), einen ersten Inverter (2a) und einen zweiten Inverter (2b) umfasst, das erste Wicklungssystem dem ersten Inverter und das zweite Wicklungssystem dem zweiten Inverter zugeordnet ist,
- das erste N-phasige Wicklungssystem in einer Sternschaltung ausgeführt ist,
- das zweite N-phasige Wicklungssystem in einer Sternschaltung ausgeführt ist, und
- durch eine Transferschaltung mindestens ein Sternpunkt eines Wicklungssystems mit dem höheren Potenzial des zweiten Teilenergiebordnetzes elektrisch verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Transferschaltung pulsweitenmoduliert betreibbar ist.
Vehicle with a 2xN-phase electric machine, with a first partial on-board power supply system (BN1), which has a first nominal DC voltage level, and with a second partial on-board power supply system (BN2), which has a second nominal DC voltage level, the electric machine having a rotor, a common stator system (1 ) with a first N-phase winding system (1a) and a second N-phase winding system (1b), the first partial power system comprises an intermediate circuit capacitor (3), a first inverter (2a) and a second inverter (2b), the first winding system the first inverter and the second winding system are assigned to the second inverter,
- the first N-phase winding system is designed in a star connection,
- the second N-phase winding system is designed in a star connection, and
- at least one star point of a winding system can be electrically connected to the higher potential of the second partial on-board energy system by a transfer circuit, characterized in that
- the transfer circuit can be operated with pulse width modulation.
Description
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer 2xN-phasigen elektrischen Maschine, mit einem ersten Teilenergiebordnetz, das eine erste Nenngleichspannungslage aufweist, und mit einem zweiten Teilenergiebordnetz, das eine zweite Nenngleichspannungslage aufweist, wobei die elektrische Maschine einen Rotor, ein gemeinsames Statorsystem mit einem ersten N-phasigen Wicklungssystem und einem zweiten N-phasigen Wicklungssystem umfasst, das erste Teilenergiebordnetz einen Zwischenkreiskondensator, einen ersten Inverter und einen zweiten Inverter umfasst, das erste Wicklungssystem dem ersten Inverter und das zweite Wicklungssystem dem zweiten Inverter zugeordnet ist.The invention relates to a vehicle with a 2xN-phase electrical machine, with a first partial on-board power supply system which has a first nominal DC voltage level, and with a second partial on-board power supply system which has a second nominal DC voltage level, the electric machine having a rotor, a common stator system with a first N -phase winding system and a second N-phase winding system, the first partial power system comprises an intermediate circuit capacitor, a first inverter and a second inverter, the first winding system is assigned to the first inverter and the second winding system is assigned to the second inverter.
Üblicherweise werden in einem Fahrzeug Komponenten, die elektrische Energieverbraucher darstellen, von einem Energiebordnetz mit einer Nennspannungslage von 14 Volt versorgt. Ein sekundärer 12 V-Energiespeicher, der im Bordnetz je nach Betriebssituation die Funktion einer Energiequelle oder die Funktion einer Energiesenke übernimmt, und ein 14 V-Generator werden darauf ausgelegt, eine elektrische Leistung von 2-3 kW im Fahrzeug bereitzustellen.Typically, components in a vehicle that consume electrical energy are supplied by an on-board power system with a nominal voltage of 14 volts. A secondary 12 V energy storage device, which takes on the function of an energy source or the function of an energy sink in the on-board network depending on the operating situation, and a 14 V generator are designed to provide an electrical output of 2-3 kW in the vehicle.
Falls in das Bordnetz des Fahrzeugs mehrere Verbraucher mit höherem Leistungsbedarf integriert sind, kann das Bordnetz zwei Teilenergiebordnetze aufweisen. Dann transferiert ein Gleichstromsteller elektrische Leistung zwischen den beiden Teilenergiebordnetzen. Die elektrische Maschine, die bei einem Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang auch motorisch betreibbar sein kann, weist neben jeweils zumindest einem Energiespeicher je Teilenergiebordnetz die Funktion als elektrische Energiequelle oder -senke im Fahrzeug auf. Eine solche Bordnetz-Topologie ist beispielsweise in der Schrift
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit einer 2xN-phasigen elektrischen Maschine, mit einem ersten Teilenergiebordnetz, das eine erste Nenngleichspannungslage aufweist, und mit einem zweiten Teilenergiebordnetz, das eine zweite Nenngleichspannungslage aufweist, wobei die elektrische Maschine einen Rotor, ein gemeinsames Statorsystem mit einem ersten N-phasigen Wicklungssystem und einem zweiten N-phasigen Wicklungssystem umfasst, das erste Teilenergiebordnetz einen Zwischenkreiskondensator, einen ersten Inverter und einen zweiten Inverter umfasst, das erste Wicklungssystem dem ersten Inverter und das zweite Wicklungssystem dem zweiten Inverter zugeordnet ist, zu beschreiben.It is an object of the invention to provide an improved vehicle with a 2xN-phase electrical machine, with a first partial on-board power supply system which has a first nominal DC voltage level, and with a second partial on-board power supply system which has a second nominal DC voltage level, the electric machine having a rotor, a common Stator system with a first N-phase winding system and a second N-phase winding system, the first partial power system comprises an intermediate circuit capacitor, a first inverter and a second inverter, the first winding system is assigned to the first inverter and the second winding system is assigned to the second inverter .
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This task is solved by a vehicle according to
Erfindungsgemäß ist das erste N-phasige Wicklungssystem in einer Sternschaltung ausgeführt, das zweite N-phasige Wicklungssystem ist in einer Sternschaltung ausgeführt, und durch eine Transferschaltung ist mindestens ein Sternpunkt eines Wicklungssystems mit dem höheren Potenzial des zweiten Teilenergiebordnetzes pulsweitenmoduliert elektrisch verbindbar.According to the invention, the first N-phase winding system is designed in a star connection, the second N-phase winding system is designed in a star connection, and at least one star point of a winding system can be electrically connected in a pulse width modulated manner using a transfer circuit with the higher potential of the second partial on-board energy system.
Es bedeutet der Ausdruck 2xN, dass die Maschine über zwei N-phasige Wicklungssysteme verfügt.The expression 2xN means that the machine has two N-phase winding systems.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Transferschaltung dauerhaft ein- oder ausschaltbar. Außerdem ist die Transferschaltung erfindungsgemäß pulsweitenmoduliert betreibbar.According to a preferred embodiment of the invention, the transfer circuit can be switched on or off permanently. In addition, according to the invention, the transfer circuit can be operated with pulse width modulation.
Das bedeutet, dass die Transferschaltung einen Schaltzustand „Dauer aus“ bzw. einen Schaltzustand „Dauer ein“ annehmen kann.This means that the transfer circuit can assume a “permanent off” switching state or a “permanent on” switching state.
Vorteilhaft ist es, wenn das erste Wicklungssystem und das zweite Wicklungssystem der elektrischen Maschine jeweils drei Phasen aufweist und die beiden Wicklungssysteme im Wesentlichen um 30° elektrisch zueinander verschoben sind.It is advantageous if the first winding system and the second winding system of the electrical machine each have three phases and the two winding systems are electrically offset from one another by essentially 30°.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung sind die beiden Sternpunkte des jeweiligen N-phasigen Wicklungssystems über einen gemeinsamen Schalter mit dem höheren Potenzial des zweiten Teilenergiebordnetzes verbindbar und es sind die beiden Inverter phasenversetzt und pulsweitenmoduliert ansteuerbar.According to a further embodiment variant of the invention, the two star points of the respective N-phase winding system can be connected to the higher potential of the second partial energy system via a common switch and the two inverters can be controlled in a phase-offset and pulse width modulated manner.
Dadurch ist gewährleistet, dass ein Stromrippel eines zwischen den beiden Teilenergiebordnetzen fließenden Stroms reduziert wird. Als Stromrippel ist ein dem mittleren Gleichstrom überlagerter Wechselanteil zu verstehen, der dadurch zustande kommt, dass die in der elektrischen Maschine wirksamen Induktivität mit einer pulsweitenmodulierten Spannung beaufschlagt werden. Die Höhe des Stromrippels ist abhängig vom Tastverhältnis der pulsweitenmodulierten Spannung, der Taktfrequenz des Inverters, der Höhe der Induktivität und der Spannungsdifferenz über der Induktivität.This ensures that a current ripple of a current flowing between the two partial on-board energy systems is reduced. A current ripple is understood to be an alternating component superimposed on the average direct current, which comes about because the inductance effective in the electrical machine is subjected to a pulse-width-modulated voltage. The height of the current ripple depends on the duty cycle pulse width modulated voltage, the clock frequency of the inverter, the level of the inductance and the voltage difference across the inductance.
Für einen Tiefsetzsteller lässt sich der Stromrippel wie folgt angeben:
Für den Tiefsetzsteller ist das Tastverhältnis definiert als
Für den Hochsetzsteller gilt für den Stromrippel
Ferner kann es sein, dass die beiden Sternpunkte der beiden N-phasigen Wicklungssysteme elektrisch verbunden und über jeweils einen Schalter mit dem höheren Potenzial des zweiten Teilenergiebordnetzes verbindbar sind, und die beiden Inverter phasenversetzt und pulsweitenmoduliert ansteuerbar sind, um einen Stromrippel eines zwischen den beiden Teilenergiebordnetzen fließenden Stroms zu reduzieren. Ein Phasenversatz kommt beispielsweise dadurch zustande, dass die Steuereinheit die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale den beiden Invertern zeitversetzt zuführt.Furthermore, it may be that the two star points of the two N-phase winding systems are electrically connected and can each be connected to the higher potential of the second partial on-board energy network via a switch, and the two inverters can be controlled in a phase-offset and pulse width modulated manner in order to create a current ripple between the two partial on-board energy systems to reduce the current flowing. A phase offset occurs, for example, because the control unit supplies the pulse width modulated control signals to the two inverters with a time delay.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die beiden Sternpunkte der beiden N-phasigen Wicklungssysteme elektrisch verbunden und über eine Halbbrücke mit dem höheren Potenzial des zweiten Teilenergiebordnetzes verbindbar sind, und mindestens einer der beiden Inverter und/oder die Halbbrücke phasenversetzt und pulsweitenmoduliert ansteuerbar ist, um einen Stromrippel eines zwischen den beiden Teilenergiebordnetzen fließenden Stroms zu reduzieren.It is particularly advantageous if the two star points of the two N-phase winding systems are electrically connected and can be connected to the higher potential of the second partial energy system via a half bridge, and at least one of the two inverters and / or the half bridge can be controlled in a phase-offset and pulse width modulated manner in order to achieve a To reduce current ripple of a current flowing between the two partial energy systems.
Das heißt, dass allein die Halbbrücke oder alternativ allein einer der beiden Inverter oder die Halbbrücke und einer der beiden Inverter in Kombination phasenversetzt und pulsweitenmoduliert angesteuert werden.This means that only the half bridge or alternatively only one of the two inverters or the half bridge and one of the two inverters in combination are controlled in a phase-offset and pulse width modulated manner.
Nach einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist der jeweilige Sternpunkt des jeweiligen N-phasigen Wicklungssystems über jeweils eine Halbbrücke mit dem höheren Potenzial des zweiten Teilenergiebordnetzes verbindbar und es ist mindestens einer der beiden Inverter und/oder mindestens eine der Halbbrücken phasenversetzt und pulsweitenmoduliert ansteuerbar, um einen Stromrippel eines zwischen den beiden Teilenergiebordnetzen fließenden Stroms zu reduzieren.According to a particularly preferred variant of the invention, the respective star point of the respective N-phase winding system can be connected to the higher potential of the second partial on-board energy system via a half bridge and at least one of the two inverters and / or at least one of the half bridges can be controlled in a phase-offset and pulse width modulated manner to reduce a current ripple of a current flowing between the two partial energy systems.
Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der erste Inverter drei High-Side-Schalter (HS1, HS2, HS3) und drei Low-Side-Schalter (LS1, LS2, LS3) aufweist, der zweite Inverter drei High-Side-Schalter (HS4, HS5, HS6) und drei Low-Side-Schalter (LS4, LS5, LS6) aufweist, die drei High-Side-Schalter des ersten Inverters und die drei Low-Side-Schalter des ersten Inverters pulsweitenmoduliert ansteuerbar sind, die drei High-Side-Schalter des zweiten Inverters und die drei Low-Side-Schalter des zweiten Inverters pulsweitenmoduliert ansteuerbar sind, und die elektrische Maschine sowohl bei aktiver oder inaktiver Transferschaltung motorisch oder generatorisch oder in einem Mischbetrieb durch pulsweitenmodulierte Ansteuerung der High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter des ersten Inverters und des zweiten Inverters betreibbar ist.It is also particularly advantageous if the first inverter has three high-side switches (HS1, HS2, HS3) and three low-side switches (LS1, LS2, LS3), and the second inverter has three high-side switches (HS4 , HS5, HS6) and three low-side switches (LS4, LS5, LS6), the three high-side switches of the first inverter and the three low-side switches of the first inverter can be controlled with pulse width modulation, the three high-side switches Side switch of the second inverter and the three low-side switches of the second inverter can be controlled in a pulse-width-modulated manner, and the electrical machine can be controlled as a motor or generator either when the transfer circuit is active or inactive or in a mixed operation by means of pulse-width-modulated control of the high-side switches and low-side switches. Side switch of the first inverter and the second inverter can be operated.
Außerdem ergeben sich Vorteile, wenn die erste Nennspannungslage die zweite Nennspannungslage in Richtung höherer Nennspannungslage übersteigt, und die elektrische Maschine sowohl bei stillstehendem Rotor als auch bei drehendem Rotor als Gleichstrom-Tiefsetzsteller von dem ersten Teilenergiebordnetz und zu dem zweiten Teilenergiebordnetz betreibbar ist.There are also advantages if the first nominal voltage level exceeds the second nominal voltage level in the direction of a higher nominal voltage level, and the electric machine can be operated as a DC step-down converter from the first partial on-board power supply system and to the second partial on-board power supply system both when the rotor is stationary and when the rotor is rotating.
Es kann auch die erste Nennspannungslage die zweite Nennspannungslage in Richtung höherer Nennspannungslage übersteigen und es kann die elektrische Maschine sowohl bei stillstehendem Rotor als auch bei drehendem Rotor als Gleichstrom-Hochsetzsteller von dem zweiten Teilenergiebordnetz zu dem ersten Teilenergiebordnetz betrieben werden.The first nominal voltage level can also exceed the second nominal voltage level in the direction of a higher nominal voltage level and the electrical machine can be operated as a direct current step-up converter from the second partial on-board energy network to the first partial on-board energy network both when the rotor is stationary and when the rotor is rotating.
Im Übrigen kann der Rotor bei Vorhandensein einer Erregerwicklung kurzgeschlossen werden.Furthermore, the rotor can be short-circuited if an excitation winding is present.
Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
- Ein Fahrzeug mit einem 12 Volt-Teilenergiebordnetz und mit einem 48 Volt-Teilenergiebordnetz kann umgesetzt werden beispielsweise mit einem riemengetriebenen 48 Volt-Startergenerator und einem Gleichstrom-Gleichstrom-Steller zwischen den beiden Teilenergiebordnetzen.
- A vehicle with a 12 volt partial on-board energy network and with a 48 volt partial on-board energy network can be implemented, for example, with a belt-driven 48 volt starter generator and a DC-DC converter between the two partial on-board energy systems.
Alternativ kann ein Startergenerator mit zwei Spannungslagen genutzt werden, d.h. eine elektrische Maschine mit einem gemeinsamen Statorsystem und 2 x N-phasigen Wicklungssystemen, wobei jedem Teilenergiebordnetz ein Wicklungssystem zugeordnet ist und über einen Schalter die Sternpunkte der beiden Wicklungssysteme verbindbar sind. Auf diese Weise kann Leistung ohne den separaten Gleichstrom-Gleichstrom-Steller zwischen den beiden Teilenergiebordnetzen transferiert werden, was sich begünstigend auf Kosten, Gewicht und Bauraumvolumen auswirkt.Alternatively, a starter generator with two voltage levels can be used, ie an electrical machine with a common stator system and 2 x N-phase winding systems, whereby each partial on-board power system is assigned a winding system and the star points of the two winding systems can be connected via a switch. In this way, power can be transferred between the two partial energy systems without the need for a separate DC-DC converter, which has a beneficial effect on costs, weight and installation space.
Nachteilig daran ist allerdings, dass ein Teil der Leistung der elektrischen Maschine dem 12 Volt-Teilenergiebordnetz zugeordnet ist und nicht in vollem Umfang als Rekuperationsleistung auf der 48 Volt-Seite z.B. in einen dortigen Energiespeicher wie einer 48 Volt-Lithium-Ionen-Batterie geladen werden kann. Bei einer Aufteilung der zugeordneten Leistung zwischen den beiden Teilenergiebordnetzen von z.B. 75 % zum 48 Volt-Teilenergiebordnetz und 25 % zum 12 Volt-Teilenergiebordnetz wird die Hälfte der in den Invertern zur Stromtragfähigkeit erforderlichen Silizium-Halbleiterfläche, die z.B. in MOSFET-Technik ausgeführt ist, für das 12 Volt-Teilenergiebordnetz beansprucht (25 %). Bei gleicher Höhe der Phasenströme übersteigt die Stromrippelbelastung von zwei Zwischenkreiskondensatoren (in jedem Teilenergiebordnetz je ein Zwischenkreiskondensator), die jeweils einer 3-phasigen Maschine zugeordnet sind, die Stromrippelbelastung einer 2 x 3-phasigen elektrischen Maschine mit nur einer Spannungslage, bei der die beiden 3-phasigen Wicklungen um 30° zueinander verschoben sind. Dadurch muss die Kapazität der Zwischenkreiskondensatoren hoch gewählt werden muss.The disadvantage of this, however, is that part of the power of the electrical machine is assigned to the 12-volt partial energy system and is not fully charged as recuperation power on the 48-volt side, for example in an energy storage device there such as a 48-volt lithium-ion battery can. If the assigned power is divided between the two partial on-board energy systems of, for example, 75% to the 48-volt partial on-board energy network and 25% to the 12-volt partial on-board energy network, half of the silicon semiconductor area required in the inverters for current-carrying capacity, which is designed, for example, using MOSFET technology, for the 12 volt partial energy on-board network (25%). With the same level of phase currents, the current ripple load of two intermediate circuit capacitors (one intermediate circuit capacitor in each partial power supply system), each of which is assigned to a 3-phase machine, exceeds the current ripple load of a 2 x 3-phase electrical machine with only one voltage level in which the two 3 -phase windings are shifted by 30° to each other. This means that the capacity of the intermediate circuit capacitors must be chosen to be high.
Zur Verbesserung des Betriebs eines Startergenerators mit zwei Spannungslagen wird vorgeschlagen, auf Basis eines 6-phasigen 48 Volt-Startergenerators mit zwei 3-phasigen in einer Sternschaltung verschalteten Wicklungssystemen, deren elektrische Phasen jeweils um 30° zueinander versetzt sind, über jeweils einen Sternpunktschalter mit dem 12 Volt-Teilenergiebordnetz zu verbinden.In order to improve the operation of a starter generator with two voltage levels, it is proposed, based on a 6-phase 48 volt starter generator with two 3-phase winding systems connected in a star connection, the electrical phases of which are each offset by 30 ° to one another, via a star point switch with the 12 volt partial on-board power supply system.
Mittels der Sternpunktschalter kann im Stand (0 Umdrehungen des Rotors der elektrischen Maschine pro Minute) oder im Betrieb (> 1500 Umdrehungen des Rotors der elektrischen Maschine pro Minute) entweder durch dauerhaftes Einschalten oder durch pulsweitenmodulierte Ansteuerung, ggfs. auch im Interleaved-Betrieb, d.h. phasenversetzte Ansteuerung der Sternpunktschalter bzw. der beiden B6-Umrichter, welche den jeweiligen Wicklungssystemen zugeordnet sind, elektrische Leistung von dem 48 Volt-Teilenergiebordnetz in das 12 Volt-Teilenergiebordnetz oder umgekehrt transferiert werden.The star point switch can be used when stationary (0 revolutions of the rotor of the electrical machine per minute) or during operation (> 1500 revolutions of the rotor of the electrical machine per minute) either by permanently switching on or by pulse width modulated control, if necessary also in interleaved operation, i.e. phase-shifted control of the star point switches or the two B6 converters, which are assigned to the respective winding systems, electrical power can be transferred from the 48 volt partial on-board energy network to the 12 volt partial on-board energy network or vice versa.
Im Vergleich zu einem System mit einem Startergenerator mit zwei Spannungslagen, d.h. mit zwei Wicklungssystemen, wobei jedem Teilenergiebordnetz ein elektrisches Wicklungssystem zugeordnet ist und über einen Schalter entweder die Sternpunkte der beiden Wicklungssysteme untereinander verbindbar sind oder der Sternpunkt des Wicklungssystems, der dem Teilenergiebordnetz höherer Spannung zugeordnet ist, mit dem höheren Potenzial des Teilenergiebordnetzes niedrigerer Spannung verbindbar ist, ergibt sich die Möglichkeit eines geringeren Volumens der Zwischenkreiskondensatoren durch eine geringere Rippelstrombelastung, einer geringeren Halbleiterfläche und einer höheren wandelbaren Gleichstrom-Gleichstrom-Leistung. Dies wirkt sich auf Kosten, Gewicht und Bauraumvolumen vorteilhaft aus.In comparison to a system with a starter generator with two voltage levels, i.e. with two winding systems, whereby an electrical winding system is assigned to each partial on-board energy network and either the star points of the two winding systems can be connected to one another via a switch or the star point of the winding system, which is assigned to the partial on-board energy network with a higher voltage can be connected to the higher potential of the lower voltage on-board power supply system, there is the possibility of a smaller volume of the intermediate circuit capacitors due to a lower ripple current load, a smaller semiconductor area and a higher convertible direct current-direct current power. This has an advantageous effect on costs, weight and installation space.
Beim Rekuperieren kann stets die volle Leistung der elektrischen Maschine im 48 Volt-Teilenergiebordnetz zu Verfügung bereitgestellt werden, d.h. die Rekuperationsleistung zugunsten der Energieeffizienz des Fahrzeugs, maximiert werden.When recuperating, the full power of the electrical machine can always be made available in the 48 volt partial energy system, i.e. the recuperation performance can be maximized to benefit the energy efficiency of the vehicle.
Ferner steht bei einem Einfachfehler, z.B. einem Windungsschluß, einem Windungsbruch oder einem MOSFET-Fehler des Sternpunktschalters noch die halbe Wandlungsleistung über den zweiten Sternpunktschalter zur Verfügung.Furthermore, in the event of a single error, e.g. a winding short, a winding break or a MOSFET error in the star point switch, half the conversion power is still available via the second star point switch.
Die Erfindung zeigt also ein Fahrzeug mit einer 2xN-phasigen Maschine, mit einem ersten Teilenergiebordnetz, das eine erste Nenngleichspannungslage aufweist, und mit einem zweiten Teilenergiebordnetz, das eine zweite Nenngleichspannungslage aufweist, wobei die elektrische Maschine einen Rotor, einen gemeinsamen Stator mit einer ersten N-phasigen Wicklung und einer zweiten N-phasigen Wicklung umfasst, das erste Teilenergiebordnetz einen ersten und einen zweiten Inverter mit einem gemeinsamen Zwischenkreiskondensator umfasst, das erste Wicklungssystem dem ersten Inverter und das zweite Wicklungssystem dem zweiten Inverter zugeordnet ist, und das zweite Teilenergiebordnetz einen Zwischenkreiskondensator umfasst.The invention therefore shows a vehicle with a 2xN-phase machine, with a first partial on-board power supply system which has a first nominal DC voltage level, and with a second partial on-board power supply system which has a second nominal DC voltage level, the electric machine having a rotor, a common stator with a first N -phase winding and a second N-phase winding, the first partial on-board power supply system comprises a first and a second inverter with a common intermediate circuit capacitor, the first winding system is assigned to the first inverter and the second winding system is assigned to the second inverter, and the second partial on-board power supply system comprises an intermediate circuit capacitor .
Die Verbindung zwischen den beiden Teilenergiebordnetzen geschieht über die beiden Sternpunkte der 2xN-phasigen Maschine und dem höheren Potenzial des zweiten Teilenergiebordnetzes, entweder direkt oder optional über einen oder mehrere Schalter. Der Inverter kann entweder eine gängige Brückenschaltung sein oder auch als Multi Level Umrichter ausgeführt sein. Eine besonders vorteilhafte Ausführung der elektrischen Maschine besteht aus 2x3-phasigen Wicklungssysteme, die um einen gewissen elektrischen Winkel zueinander verschoben sind, besonders vorteilhaft um 30°. Damit reduziert sich der Stromrippel im Zwischenkreiskondensator, der den beiden Invertern im Teilenergiebordnetz 1 zugeordnet ist, signifikant.The connection between the two partial on-board energy networks occurs via the two star points of the 2xN-phase machine and the higher potential of the second partial on-board energy network, either directly or optionally via one or more switches. The inverter can either be a common bridge circuit or designed as a multi-level inverter. A particularly advantageous embodiment of the electrical machine consists of 2x3-phase winding systems that are offset from one another by a certain electrical angle, particularly advantageously by 30°. This reduces the current ripple in the intermediate circuit capacitors sator, which is assigned to the two inverters in the
Es sind beide Wicklungssysteme in einer Sternschaltung ausgeführt und eine Transferschaltung verbindet beide Sternpunkte der beiden Wicklungssysteme mit dem höheren Potenzial des zweiten Teilenergiebordnetzes.Both winding systems are designed in a star connection and a transfer circuit connects both star points of the two winding systems with the higher potential of the second partial on-board energy network.
Dies bedeutet, dass beide Sternpunkte der beiden Wicklungssysteme mit dem höheren Potenzial des zweiten Teilenergiebordnetzes direkt elektrisch koppelbar sind.This means that both star points of the two winding systems can be directly electrically coupled to the higher potential of the second partial energy system.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Transferschaltung eine erste Diode und eine zweite Diode, die gegenläufig und in Reihe geschaltet sind.According to a preferred embodiment of the invention, the transfer circuit comprises a first diode and a second diode, which are connected in opposite directions and in series.
Weiterhin umfasst die Transferschaltung einen ersten Schalter, der der ersten Diode parallel geschaltet ist oder alternativ einen zweiten Schalter, der der ersten Diode parallel geschaltet ist.Furthermore, the transfer circuit comprises a first switch which is connected in parallel with the first diode or alternatively a second switch which is connected in parallel with the first diode.
Es ist auch besonders vorteilhaft, wenn die Transferschaltung den ersten Schalter, der der ersten Diode parallel geschaltet ist, und den zweiten Schalter, der der zweiten Diode parallel geschaltet ist, umfasst.It is also particularly advantageous if the transfer circuit comprises the first switch, which is connected in parallel with the first diode, and the second switch, which is connected in parallel with the second diode.
Die gegenläufig geschalteten Dioden stellen sicher, dass bei geöffnetem ersten Schalter und/oder bei geöffnetem zweiten Schalter die direkte elektrische Kopplung zwischen dem Sternpunkt des jeweiligen Wicklungssystems und dem höheren Potenzial des zweiten Teilenergiebordnetzes unwirksam ist. Bei geschlossenem ersten Schalter und/oder bei geschlossenem zweiten Schalter besteht eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Sternpunkt des jeweiligen Wicklungssystems und dem höheren Potenzial des zweiten Teilenergiebordnetzes in Form einer sehr niederohmigen Verbindung durch eine Reihenschaltung von zwei geschlossenen Schaltern oder eine Reihenschaltung eines Schalters und einer Diode.The diodes connected in opposite directions ensure that when the first switch is open and/or when the second switch is open, the direct electrical coupling between the star point of the respective winding system and the higher potential of the second partial on-board energy network is ineffective. When the first switch is closed and/or when the second switch is closed, there is a direct electrical connection between the star point of the respective winding system and the higher potential of the second partial energy system in the form of a very low-resistance connection through a series connection of two closed switches or a series connection of a switch and a diode .
Eine weitere Variante der Erfindung besteht darin, dass beide Inverter vorteilhafterweise für jede N Phase der Maschine eine Halbbrücke mit jeweils einem High-Side-Schalter und einem Low-Side-Schalter aufweisen. Jeder Schalter einer Halbbrücke ist pulsweitenmoduliert steuerbar, so dass die elektrische Maschine sowohl bei geöffneter oder geschlossener Sternpunktverbindung durch pulsweitenmodulierte Ansteuerung der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter des ersten Inverters und des zweiten Inverters entweder gesamthaft motorisch oder gesamthaft generatorisch oder in einem Mischbetrieb betreibbar ist. Den Low-Side-Schaltern und High-Side-Schaltern ist jeweils eine Low-Side-Diode bzw. eine High-Side-Diode parallel geschaltet.A further variant of the invention is that both inverters advantageously have a half bridge for each N phase of the machine, each with a high-side switch and a low-side switch. Each switch of a half bridge can be controlled in a pulse-width modulated manner, so that the electrical machine is either completely motoric or completely generator-like or in a pulse-width-modulated control of the high-side switches and the low-side switches of the first inverter and the second inverter, both when the star point connection is open or closed can be operated in mixed operation. The low-side switches and high-side switches each have a low-side diode and a high-side diode connected in parallel.
Dies bedeutet, dass die Maschine bezüglich des Teilenergiebordnetzes als Generator oder als Motor einsetzbar ist. Bei dem Betrieb als Generator wird dem Teilenergiebordnetz 1 über mindestens ein Wicklungssystem der Maschine elektrische Energie infolge eines dem Rotor von außen (z.B. von einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs) aufgeprägten Drehmoments zugeführt. Bei dem Betrieb als Motor wird dem Teilenergiebordnetz 1 über mindestens ein Wicklungssystem elektrische Energie entnommen und in Rotationsenergie des Rotors gewandelt, die von dem Rotor von außen (z.B. von einem riemengetriebenen Verbraucher des Fahrzeugs) als Drehmoment abgegriffen wird.This means that the machine can be used as a generator or as a motor with regard to the partial on-board energy network. When operating as a generator, the partial energy on-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Nennspannungslage die zweite Nennspannungslage in Richtung Spannungslage gegenüber eine Referenzspannung im Fahrzeug, z.B. einer den beiden Teilenergiebordnetzen gemeinsamen elektrischen Masse des Fahrzeugs, übersteigt, und die elektrische Maschine bei stillstehendem Rotor als Gleichspannungs-Tiefsetzsteller zwischen von dem ersten Teilenergiebordnetz und zu dem zweiten Teilenergiebordnetz betreibbar ist.It is particularly advantageous if the first nominal voltage level exceeds the second nominal voltage level in the direction of the voltage level relative to a reference voltage in the vehicle, e.g. an electrical mass of the vehicle that is common to the two partial on-board energy systems, and the electric machine acts as a DC voltage step-down converter between the first partial on-board energy network when the rotor is at a standstill and can be operated to the second partial energy on-board network.
Die elektrische Maschine ist dadurch als bidirektionaler Gleichspannungswandler betreibbar, dass die Sternpunktverbindung zum Teilenergiebordnetz 2 geschlossen wird und mindestens einer der Sternpunktströme über die Steuereinheit auf einen positiven oder negativen Wert geregelt wird und der jeweils aktive Inverter pulsweitenmoduliert angesteuert wird.The electric machine can be operated as a bidirectional DC-DC converter in that the star point connection to the partial on-
Zusätzlich kann bei Vorhandensein einer auf dem Rotor der elektrischen Maschine befindlichen Erregerwicklung bei Bedarf elektrisch kurzgeschlossen werden.In addition, if there is an excitation winding on the rotor of the electrical machine, it can be electrically short-circuited if necessary.
Im Folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. In den Figuren kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche technische Merkmale. Im Einzelnen zeigen schematisch
-
1 : Fahrzeug mit elektrischer Maschine, Gleichstromsteller und zwei Teilenergiebordnetzen (Stand der Technik) -
2 : Fahrzeug mit elektrischer Maschine und einem Sternpunktschalter, welcher mit zusammengeschaltetem Sternpunkt der 2xN-phasigen Maschine verbunden -
3 : Fahrzeug mit elektrischer Maschine und zwei Sternpunktschaltern, welche mit jeweils einem Sternpunkt der 2xN-phasigen Maschine verbunden -
4 : Fahrzeug mit elektrischer Maschine und mit nachgeschalteter Halbbrücke, welche mit zusammengeschaltetem Sternpunkt der 2xN-phasigen Maschine verbunden -
5 : Fahrzeug mit elektrischer Maschine und mit zwei nachgeschalteten Halbbrücke, mit jeweils einem Sternpunkt der 2xN-phasigen Maschine verbunden -
6a /b: Beispielhafte Ausführungsformen des Schalters/der Schalter nachden 2 bis 5
-
1 : Vehicle with electric machine, DC controller and two partial energy systems (state of the art) -
2 : Vehicle with an electric machine and a star point switch, which is connected to the interconnected star point of the 2xN-phase machine -
3 : Vehicle with electric machine and two star point switches, each with connected to a star point of the 2xN-phase machine -
4 : Vehicle with an electric machine and a downstream half bridge, which is connected to the interconnected star point of the 2xN-phase machine -
5 : Vehicle with an electric machine and two downstream half bridges, each connected to a star point of the 2xN-phase machine -
6a /b: Exemplary embodiments of the switch(es) according to the2 to 5
Für ein Fahrzeug mit zwei Teilenergiebordnetzen (Zweispannungs-Bordnetz) bei zwei unterschiedlichen Nennspannungslagen können nach dem Stand der Technik neben den beiden Teilenergiebordnetzen selbst im Wesentlichen zumindest vier Komponenten erforderlich sein (siehe
Das Bordnetz (BN2) kann beispielsweise ein konventionelles 12 V-Bordnetz sein und das Bordnetz (BN1) ein Bordnetz mit höherer Nennspannungslage. Alternativ können das Bordnetz (BN1) und das Bordnetz (BN2) eine vergleichbare Nennspannungslage von z.B. 400 V aufweisen, wenn etwa unterschiedliche Energiespeicher, z.B. eine Lithium-Ionen-Batterie und einen Doppelschichtkondensator, miteinander kombiniert werden. Beide Bordnetze weisen ein höheres elektrisches Potenzial auf, das im Wesentlichen jeweils durch die beiden Nennspannungslagen bestimmt ist, und ein niedrigeres elektrisches Potenzial, das beiden Bordnetzen gemeinsam ist und ggf. mit der Masse des Fahrzeugs verbunden ist. Die tatsächlichen Spannungslagen der jeweils höheren elektrischen Potenziale der beiden Bordnetze können zu einem beliebigen Betriebszeitpunkt von den jeweiligen Nennspannungslagen der beiden Bordnetze abweichen.The on-board electrical system (BN2) can, for example, be a conventional 12 V on-board electrical system and the on-board electrical system (BN1) can be an on-board electrical system with a higher nominal voltage level. Alternatively, the on-board electrical system (BN1) and the on-board electrical system (BN2) can have a comparable nominal voltage level of, for example, 400 V, if different energy storage devices, for example a lithium-ion battery and a double-layer capacitor, are combined with one another. Both on-board electrical systems have a higher electrical potential, which is essentially determined by the two nominal voltage levels, and a lower electrical potential, which is common to both on-board electrical systems and is possibly connected to the ground of the vehicle. The actual voltage levels of the higher electrical potentials of the two on-board electrical systems can deviate from the respective nominal voltage levels of the two on-board electrical systems at any time of operation.
Der Gleichspannungssteller ermöglicht den uni- oder bidirektionalen Transfer von Leistung bzw. Energie zwischen den beiden Bordnetzen unabhängig vom Zustand der elektrischen Maschine.The DC voltage controller enables the uni- or bi-directional transfer of power or energy between the two on-board electrical systems, regardless of the state of the electrical machine.
Als elektrische Maschine kann nach dem Stand der Technik eine N-phasige elektrische Maschine, z.B. eine 6-phasige Maschine mit zwei jeweils dreiphasigen Wicklungen in Sternschaltung, zum Einsatz kommen. Jedes der beiden 3-phasigen Wicklungssysteme wird über jeweils einen Inverter (2a, 2b) und einen gemeinsamen Zwischenkreiskondensator (3) betrieben. Das zweite Teilenergiebordnetz weist optional einen Glättungskondensator (3') auf.According to the state of the art, an N-phase electrical machine, e.g. a 6-phase machine with two three-phase windings in a star connection, can be used as the electrical machine. Each of the two 3-phase winding systems is operated via an inverter (2a, 2b) and a common intermediate circuit capacitor (3). The second partial on-board power supply system optionally has a smoothing capacitor (3').
Diese Topologie stellt die einfachste Art des Hoch-/Tiefsetzstellers dar. Bei drehendem Betrieb der elektrischen Maschine ist die Höhe der übertragbaren Leistung jedoch stark davon abhängig, wie hoch die beiden Inverter, die dem Teilenergiebordnetz 1 zugeordnet sind, bereits ausgesteuert sind, z.B. um ein positives oder negative Drehmoment zu erzeugen.This topology represents the simplest type of step-up/step-down converter. When the electric machine is rotating, however, the amount of power that can be transferred depends heavily on how high the two inverters, which are assigned to the partial on-
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass über die elektrische Maschine und die zum Betrieb der elektrischen Maschine genutzten Inverter und einer mit einfachen Mitteln in das Fahrzeug integrierbaren Schaltung Leistung zwischen den beiden Bordnetzen transferierbar ist. Dies bietet den Vorteil, dass ohne Nutzung eines Gleichstromstellers (4) (wie in
Ein weiterer besonderer Vorteil ist die Einstellbarkeit einer Energietransferrichtung (Buck- und/oder Boost-Betrieb) basierend auf der Ausgestaltung der Transferschaltung. Diese kann z.B. aus einem Schalter bestehen, der das Teilenergiebordnetz (BN2) mit der Zusammenschaltung der beiden Sternpunkte der N-phasigen Maschine verbindet. Dies kann vorteilhaft sein, wenn kein elektrischer Winkel zwischen den beiden N-phasigen Wicklungssystemen besteht und davon ausgegangen wird, dass die Sternpunktspannung beider Wicklungen zu jedem Zeitpunkt im Wesentlichen gleich ist.Another particular advantage is the ability to adjust an energy transfer direction (buck and/or boost operation) based on the design of the transfer circuit. This can, for example, consist of a switch that connects the partial on-board power supply (BN2) to the interconnection of the two star points of the N-phase machine. This can be advantageous if there is no electrical angle between the two N-phase winding systems and it is assumed that the star point voltage of both windings is essentially the same at all times.
Die Grundfunktionalität dieser Topologie deckt sich mit der vorangegangenen aus
Dies bedeutet, dass jeder Sternpunkt der N-phasigen Maschine separat mit einem eigenen Sternpunktschalter und dem höheren Potenzial des zweiten Teilenergiebordnetzes verbunden sein kann. Dies kann vorteilhaft sein, wenn ein elektrischer Winkel zwischen den beiden N-phasigen Wicklungssystemen besteht und nicht garantiert werden kann, dass die Sternpunktspannung beider Wicklungen zu jedem Zeitpunkt im Wesentlichen gleich ist. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, bei Ausfall eines Wicklungssystems immer noch die Hälfte der gesamthaft zwischen den Teilenergiebordnetzen übertragbaren Leistung transferieren zu können.This means that each star point of the N-phase machine can be separately connected to its own star point switch and the higher potential of the second partial on-board energy network. This can be advantageous if there is an electrical angle between the two N-phase winding systems and it cannot be guaranteed that the star point voltage of both windings is essentially the same at all times. Another advantage is the possibility of still being able to transfer half of the total power that can be transferred between the partial on-board energy systems if a winding system fails.
Außerdem kann durch phasenversetzten Betrieb der Inverter der beiden N-phasigen Wicklungen der Stromrippel des gesamten Sternpunktstroms, der zwischen den Teilenergiebordnetzen 1 und 2 fließt, reduziert werden, womit der Zwischenkreiskondensator (3') des Teilenergiebordnetzes kleiner dimensioniert werden kann. Der Sternpunktschalter kann bei Bedarf von der Steuereinheit auch pulsweitenmoduliert angesteuert werden, um ggfs. den Stromrippel weiter zu reduzieren.In addition, by operating the inverters of the two N-phase windings in a phase-shifted manner, the current ripple of the entire star point current that flows between the partial on-
Weitere Ausführungsformen der Transferschaltung sind in
Die in
Variante 1 stellt die einfachste Realisierungsmöglichkeit des Sternpunktschalters mit nur einem Schalter und paralleler Diode dar, die dann eingesetzt werden kann, wenn sichergestellt ist, dass das Potenzial des Sternpunktes immer höher ist als das höhere Potenzial des Bordnetzes. Besonders vorteilhaft ist Variante 2 mit 2 Schaltern und gegenläufig gerichteten Dioden, die ein beidseitiges Sperren der Spannung unter jeglichen Umständen gewährleistet und sowohl Hochals auch Tiefsetzstellerbetrieb ermöglicht. Die Varianten 3 und 4 stellen weitere Möglichkeiten für einen beidseitig sperrenden Schalter dar, wenn ein Energietransfer in nur eine Richtung erforderlich ist.
Die einfachste Realisierungsmöglichkeit des Freilaufschalters stellt die Diode dar, die jedoch Lückbetrieb bei geringem Strom zur Folge hat. Die Ausführung als Schalter mit paralleler Diode behebt dieses Problem und hat außerdem den Vorteil, dass die Durchlassverluste bei geschlossenem Schalter geringer sind, als wenn die Diode leitet.The simplest way to implement the freewheeling switch is the diode, which, however, results in gap operation at low current. The design as a switch with a parallel diode solves this problem and also has the advantage that the forward losses when the switch is closed are lower than when the diode conducts.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- N-phasige Maschine, bevorzugt in SternschaltungN-phase machine, preferably in a star connection
- 2a2a
- Inverter für erstes WicklungssystemInverter for first winding system
- 2b2 B
- Inverter für zweites WicklungssystemInverter for second winding system
- 33
-
Gemeinsamer Zwischenkreiskondensator für BN1, den Invertern 1 und 2 zugeordnetCommon intermediate circuit capacitor for BN1, assigned to
1 and 2inverters - 3'3'
- Glättungskondensator, dem BN2 zugeordnetSmoothing capacitor, assigned to BN2
- 4, 4`, 4a, 4a`, 4b, 4b'4, 4`, 4a, 4a`, 4b, 4b'
- Schalter (jeweils)Switch (each)
- 4040
-
DC/DC-Wandler zum Energietransfer zwischen Teilenergiebordnetz 1 und 2DC/DC converter for energy transfer between partial energy on-
1 and 2board network - 55
- Steuereinheit zur Ansteuerung des InvertersControl unit for controlling the inverter
- 66
-
Energiespeicher im Teilenergiebordnetz 1Energy storage in the partial energy on-
board network 1 - 6'6'
-
Energiespeicher im Teilenergiebordnetz 2Energy storage in the partial energy on-
board network 2 - 77
- Verbraucher in BN1Consumers in BN1
- 7'7'
- Verbraucher in BN2Consumers in BN2
Claims (11)
Priority Applications (1)
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