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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem mit einer Energiespeichereinrichtung und einer aus der Energiespeichereinrichtung gespeisten Transversalflussmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Transversalflussmaschine, insbesondere einer Scheibenläufermaschine, beispielsweise in elektrischen Antriebssystemen elektrisch betriebener Fahrzeuge wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen.
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Stand der Technik
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Zur Speisung elektrischer Maschinen mit einer Versorgungsspannung wird herkömmlicherweise über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters eine von einem Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung umgerichtet. Der Gleichspannungszwischenkreis wird von einem Strang aus seriell verschalteten Batteriemodulen gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule in einer Traktionsbatterie in Serie geschaltet. Ein derartiges Energiespeichersystem findet beispielsweise häufig Verwendung in elektrisch betriebenen Fahrzeugen.
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Bei einem Einsatz von Transversalflussmaschinen als elektrische Maschinen kann eine hohe Leistungs- und Drehmomentdichte bei verhältnismäßig geringem Gewicht erreicht werden. Besonders Scheibenläufermotoren können durch ihre hohe verfügbare aktive Fläche vorteilhaft eingesetzt werden. Bei gleicher Baugröße wie andere Maschinentypen kann mit dem Einsatz von Scheibenläufermotoren die Investition in kostenintensives Magnetmaterial deutlich reduziert werden.
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Die Druckschrift
WO 2009/115247 A1 beispielsweise offenbart einen derartigen Transversalfluss-Scheibenläufermotor, welcher einen Rotor aus Carbon mit segmentierten Permanentmagneten sowie aus weichmagnetischen Komponenten gepressten und gesinterten Statorgehäusen aufweist.
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Die Speisung von Transversalflussmaschinen erfordert bei der Verwendung herkömmlicher Wechselrichter eine Leistungselektronik mit zwei Brückenzweigen bzw. einer Vollbrückenschaltung pro Phase, so dass für mehrphasige Transversalflussmaschinen mindestens zwei Vollbrückenschaltungen, d.h. mindestens eine B8-Brückenschaltung notwendig wird. Ein Anschluss an den Sternpunkt der Transversalflussmaschine ist bei derartigen Wechselrichtern nicht möglich, da Wechselrichter mit B8-Brückenschaltungen keinen Mittelabgriff aufweisen bzw. nur unter erheblichen Mehraufwand zu implementieren sind.
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In der Druckschrift
US 5,642,275 A1 ist ein Batteriesystem mit integrierter Wechselrichterfunktion beschrieben. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Multilevel Cascaded Inverter oder auch Battery Direct Inverter (Batteriedirektumrichter, BDI) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in mehreren Energiespeichermodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine oder ein elektrisches Netz anschließbar sind. Dabei können einphasige oder mehrphasige Versorgungsspannungen generiert werden. Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsbreitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der Phasenausgangsspannung bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der Phasenausgangsspannung erforderliche Pulswechselrichter ist damit in die Batterie integriert.
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BDIs weisen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Ausfallsicherheit gegenüber herkömmlichen Systemen auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Überbrückungsansteuerung der Koppeleinheiten aus den Energieversorgungssträngen herausgeschaltet werden können.
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Es besteht ein Bedarf an Lösungen für die Energieversorgung von Transversalflussmaschinen, mithilfe derer das Spannungsniveau an den Eingangsklemmen der Transversalflussmaschine erhöht werden kann und die einen verbesserten Wirkungsgrad bei der Ansteuerung der Transversalflussmaschine gewährleisten kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein elektrisches Antriebssystem, mit einer Transversalflussmaschine, welche n Phaseneingangsanschlüsse für n Phasen der Transversalflussmaschine aufweist, wobei n ≥ 2, und einer Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer n-phasigen Versorgungsspannung für die Transversalflussmaschine. Die Energiespeichereinrichtung weist dabei n parallel geschaltete Energieversorgungszweige mit jeweils einem ersten Ausgangsanschluss, welche jeweils mit einem der n Phasenanschlüsse der Transversalflussmaschine gekoppelt sind, und einer Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf. Die Energiespeichermodule umfassen dabei jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit aktiven Koppelelementen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder in dem Energieversorgungszweig zu umgehen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Transversalflussmaschine, mit dem Schritt des Verbindens von ersten Ausgangsanschlüssen von n parallel geschalteten Energieversorgungszweigen einer Energiespeichereinrichtung mit jeweils einem von n Phaseneingangsanschlüssen einer Transversalflussmaschine, wobei die n parallel geschalteten Energieversorgungszweige jeweils eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen aufweisen, und wobei die Energiespeichermodule jeweils umfassen: ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit aktiven Koppelelementen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder in dem Energieversorgungszweig zu umgehen. Das Verfahren umfasst weiterhin die Schritte des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen eines Teils der Energiespeichermodule zum Umgehen der Energiespeicherzellenmodule in dem jeweiligen Energieversorgungszweig und des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen eines anderen Teils der Energiespeichermodule zum Schalten der Energiespeicherzellenmodule in den jeweiligen Energieversorgungszweig zum Bereitstellen von Phasenspannungen für die Phasenanschlüsse der Transversalflussmaschine.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, eine Transversalflussmaschine mit einer als Batteriedirektinverter (BDI) ausgebildeten Energiespeichereinrichtung zu speisen, so dass für jede Phase der Maschine ein flexibel anpassbarer Energieversorgungszweig mit variabler Anzahl an Energiespeichermodulen eingesetzt werden kann.
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Eine derartige Energiespeichereinrichtung eignet sich insbesondere für die Spannungsversorgung von Transversalflussmaschine, da keine Anpassungen von herkömmlichen Wechselrichtertopologien, und kein damit verbundener Mehraufwand hinsichtlich leistungselektronischer Bauteile, zusätzlicher Aufbau- und Verbindungstechnik, erforderlicher Zwischenkreiskapazität und Bauraum für die Energieversorgung der Maschine notwendig wird.
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Darüber hinaus kann die Schaltfrequenz der in der Energiespeichereinrichtung eingesetzten aktiven Schaltelemente gegenüber herkömmlichen Wechselrichtern deutlich gesenkt werden, indem einfach die Anzahl der Energiespeichermodule erhöht wird. Dies macht sich insbesondere bei den ohnehin hohen Grundfrequenzen von Transversalflussmaschinen bemerkbar, die aufgrund der wesentlich höheren Anzahl von elektrischen Polen gegenüber Drehfeldmaschinen größere Grundfrequenzen der elektrischen Stellgrößen aufweist. Die Senkung der Schaltfrequenzen in der Energiespeichereinrichtung kann die Schaltverluste in der Leistungselektronik senken, die Eisenverluste in der Maschine reduzieren und damit die erforderliche Kühlleistung des Kühlkreislaufs der Maschine verringern.
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Durch die Verwendung einer modularen Energiespeichereinrichtung kann die elektromagnetische Auslegung der Transversalflussmaschine optimiert werden, da mit der modularen Energiespeichereinrichtung die maximale Klemmenspannung der Transversalflussmaschine deutlich erhöht werden kann. Dadurch sinkt bei gleichbleibender Leistung die Größe der Phasenströme, und damit einhergehend die Sicherheitsreserven in der thermischen Auslegung der Maschine. Weiterhin muss die Maschine durch die ausreichenden Stellspannungsreserven in der modularen Energiespeichereinrichtung besonders im Bereich hoher Drehzahlen nicht im Feldschwächbereich betrieben werden – dies ermöglicht einen wesentlich besseren Wirkungsgrad, eine Optimierung des cos-φ-Faktors der Transversalflussmaschine sowie eine Verringerung der Stromaufnahme. Diese Verbesserungen wiederum erhöhen auch den Wirkungsgrad der Energiespeichereinrichtung durch Verringerung der Schaltverluste in den leistungselektronischen Bauteilen sowie der Optimierung der Leistungsabgabe der Batteriezellen.
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Der modulare Aufbau der Energiespeichereinrichtung macht zudem eine äußerst feine Stufung der Gesamtausgangsspannung möglich. Dadurch können in vorteilhafter Weise höhere Freiheitsgrade in der Ansteuerung von Transversalflussmaschinen erreicht werden, da er Sicherheitsfaktor zur Dimensionierung des magnetischen Kreises der Transversalflussmaschine erheblich verringert werden kann. Daraus resultiert wiederum eine Erhöhung des Wirkungsgrades und der Leistungsdichte der Maschine.
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Bei gleicher Ausgangsleistung der Transversalflussmaschine kann alternativ auch die Windungszahl der Phasendrosseln angepasst werden, so dass die Durchflutung der Maschine reduziert werden kann. Dadurch können in bestimmten Einsatzgebieten statt teurer und schwer verfügbarer Magnete auf der Basis von seltenen Erden günstigere und leichter verfügbare Magnete auf der Basis von Ferriten oder gebondeten Materialien verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems können die aktiven Koppelelemente Leistungshalbleiterschalter aufweisen. Beispielsweise können die aktiven Koppelelemente gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren, MOSFETs, oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate, IGBT, aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems können die Energiespeicherzellen Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Lithium-Polymer-Akkumulatoren, Lithium-Titanat-Akkumulatoren, Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren, Lithium-Schwefel-Akkumulatoren, Nickel-Eisen-Akkumulatoren, Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Nickel-Wasserstoff-Akkumulatoren oder Nickel-Zink-Akkumulatoren aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems können die Energieversorgungszweige jeweils einen zweiten Ausgangsanschluss aufweisen, welcher jeweils mit separaten Phasenausgangsanschlüssen der n Phasen der Transversalflussmaschine verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass die n Phasen der Transversalflussmaschine separat voneinander aus separaten Energiespeicherzellen gespeist werden können. Ferner können für die n Phasen der Transversalflussmaschine unterschiedliche Nullniveaus der Spannungslevel gewählt werden, je nach Anforderung.
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Alternativ dazu können die Energieversorgungszweige jeweils einen zweiten Ausgangsanschluss aufweisen, welche gemeinsam mit einem Sternpunkt der Transversalflussmaschine verbunden sind. Dadurch können in vorteilhafter Weise die Schnittstellen für die Verbindung der Transversalflussmaschine mit der Energiespeichereinrichtung reduziert werden, wodurch der Verkabelungsaufwand erheblich reduziert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems können die Energieversorgungszweige die Koppeleinrichtungen aktive Koppelelemente in Halbbrückenschaltung umfassen. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Anzahl der notwendigen Koppelelemente, was insbesondere im Fall der separaten Phasenverschaltung für die Transversalflussmaschine von Vorteil ist. Dann nämlich entfällt die Notwendigkeit der Möglichkeit einer Umpolung des jeweiligen Energieversorgungszweigs, das heißt der Möglichkeit, negative Spannungsniveaus für die Phasen bereitzustellen.
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Alternativ dazu können die Koppeleinrichtungen aktive Koppelelemente in Vollbrückenschaltung umfassen. Dadurch steigt zwar die Anzahl der notwendigen aktiven Koppelelemente, jedoch können auch negative Spannungsniveaus erzeugt werden, wodurch die Verschaltung der Ausgangsanschlüsse der Energieversorgungszweige in einem gemeinsamen Sternpunkt der Transversalflussmaschine möglich wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann die Transversalflussmaschine eine Transversalfluss-Scheibenläufermaschine umfassen. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da bei Scheibenläufern die verfügbare aktive Fläche für Permanentmagnete maximiert werden kann.
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Dabei kann gemäß einer Ausführungsform die Transversalfluss-Scheibenläufermaschine als permanenterregte Maschine mit Magneten aus seltenen Erden, aus Ferriten oder aus gebondeten Magneten aufgebaut sein. Diese Materialien sind besonders gut verfügbar und kostengünstig.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Scheibenläufers einer Transversalflussmaschine;
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2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus einer Transversalflussmaschine;
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3 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Energiespeichermoduls für eine Energiespeichereinrichtung in einem elektrischen Antriebssystem nach einer der 3 und 4 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Energiespeichermoduls für eine Energiespeichereinrichtung in einem elektrischen Antriebssystem nach einer der 3 und 4 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer Transversalflussmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Scheibenläufers R einer Transversalflussmaschine. Der Scheibenläufer bzw. Rotor R besteht beispielsweise aus einem Trägerring aus amagnetischem Material, zum Beispiel faserverstärktem Kunststoff (FVK), in welches Permanentmagnete PM in konzentrischer Anordnung um den Mittelpunkt des Rotors R herum angeordnet sind. Als Permanentmagnete PM können beispielsweise Ferrite, gebondete Materialien oder auch magnetische Materialien aus seltenen Erden eingesetzt werden.
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2 zeigt die Verwendung eines in 1 dargestellten Scheibenläufers R in einer Transversalflussmaschine. Der Scheibenläufer R ist dabei zwischen zwei Statorblöcken Sa und Sb eingebettet, welche beispielsweise aus weichmagnetischem Material hergestellt werden können, zum Beispiel durch Pressen und Sintern. Die Statorblöcke Sa und Sb decken dabei in einer vorteilhaften Variante die aktive Fläche des Scheibenläufers R komplett oder nahezu komplett ab, das heißt, die Statorblöcke Sa und Sb haben eine kreisrunde Querschnittsfläche. In nutartige Ausnehmungen der Statorblöcke Sa und Sb eingebettet sind Wicklungen des Stators, die Induktivitäten La und Lb der Transversalflussmaschine bilden. Im Beispiel der 2 sind zwei Phasenwicklungen dargestellt, wobei jedoch auch mehr Wicklungen möglich sind. Es kann dabei möglich sein, dass zwischen den Statorblöcken Sa und Sb eine Winkelverschiebung von einer halben Polteilung implementiert wird, indem die nutartigen Ausnehmungen der Statorblöcke Sa und Sb jeweils entsprechend versetzt zueinander angeordnet sind.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 100 mit einer Energiespeichereinrichtung 1, welche eine Transversalflussmaschine 6 speist, beispielsweise eine Transversalflussmaschine 6 wie im Zusammenhang mit 1 und 2 erläutert. Die Transversalflussmaschine 6 kann dabei sowohl als Synchron- als auch als Asynchronmaschine oder geschaltete Reluktanzmaschine ausgeführt sein.
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Die Energieeinrichtung 1 dient zur Wandlung von durch Energiespeichermodule 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Die Energiespeichermodule 3 sind dabei in parallel geschalteten Energieversorgungszweigen 10 in Serie geschaltet. Beispielhaft sind in 3 zwei Energieversorgungszweige 10 gezeigt, welche zur Erzeugung einer zweiphasigen Wechselspannung, beispielsweise für die zweiphasige Transversalflussmaschine 6, geeignet sind. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen 10 ebenso möglich sein kann, ebenso wie für die Transversalflussmaschine 6 eine andere Anzahl n von Phasen ebenso möglich ist. Die Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem Energieversorgungszweig 10 über einen ersten Ausgangsanschluss 1a, 1b, welche jeweils an Phaseneingangsanschlüsse 6a bzw., 6b der Transversalflussmaschine 6 angeschlossen sind. Beispielhaft kann die Transversalflussmaschine 6 eine Scheibenläufer-Transversalflussmaschine 6 umfassen.
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Das Antriebssystem 100 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 11 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mithilfe derer die Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschten Ausgangsspannungen an den jeweiligen ersten Ausgangsanschlüssen 1a, 1b der Energieversorgungszweige 10 bereitzustellen.
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Die Energieversorgungszweige 10 können an zweiten Ausgangsanschlüssen 4a und 4b mit Phasenausgangsanschlüssen der Transversalflussmaschine 6 gekoppelt werden. Dadurch entsteht für jede Phase ein separater Stromkreis. Für den Betrieb einer Transversalflussmaschine 6 in einem elektrischen Antriebssystem 100 sind daher doppelt so viele separate Motorkabel vonnöten wie Phasen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 100 mit einer Energiespeichereinrichtung 1, deren Energieversorgungszweige an ihren zweiten Ausgangsanschlüssen 4a, 4b mit einem Sternpunkt S der Transversalflussmaschine 6 gekoppelt sind. In diesem Fall kann die nötige Anzahl an Motorkabeln in einem elektrischen Antriebssystem 100 auf n + 1 reduziert werden, wobei n die Anzahl der Phasen der Transversalflussmaschine 6 darstellt.
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In beiden Fällen der 3 und 4 weist jeder der Energieversorgungszweige 10 mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig 10 in 1 zwei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist. Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungszweige 10 die gleiche Anzahl an Energiespeichermodulen 3, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden Energieversorgungszweig 10 eine unterschiedliche Anzahl an Energiespeichermodulen 3 vorzusehen.
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Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Ausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann. Da die Energiespeichermodule 3 primär in Reihe geschaltet sind, summieren sich die Ausgangsspannungen der Energiespeichermodule 3 zu einer Gesamt-Ausgangsspannung, welche an dem jeweiligen der ersten Ausgangsanschlüsse 1a, 1b der Energiespeichereinrichtung 1 bereitgestellt werden kann.
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Eine beispielhafte Aufbauform der Energiespeichermodule 3 ist in 5 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen dabei jeweils eine Koppeleinrichtung 7 mit aktiven Koppelelementen 7a, 7b, 7c und 7d, die in einer Vollbrückenschaltung zwischen die zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b gekoppelt sind. Die aktiven Koppelelemente 7a und 7c sowie die aktiven Koppelelemente 7b und 7d bilden dabei jeweils einen Halbbrückenzweig der Vollbrückenschaltung. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die aktiven Koppelelemente 7a, 7b, 7c und 7d als Leistungshalbleiterschalter, beispielsweise als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor-(MOSFET)-Schalter, ausgebildet sind, welche bereits eine intrinsische Diode aufweisen.
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Alternativ können die aktiven Koppelelemente 7a, 7b, 7c und 7d auch durch Bipolartransistoren mit isoliertem Gateanschluss (IGBTs) gebildet werden, zu denen jeweils eine Diode parallel geschaltet ist.
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Die Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 5a bis 5k. Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Batterien 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Lithium-Polymer-Akkumulatoren, Lithium-Titanat-Akkumulatoren, Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren, Lithium-Schwefel-Akkumulatoren, Nickel-Eisen-Akkumulatoren, Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Nickel-Wasserstoff-Akkumulatoren, Nickel-Zink-Akkumulatoren oder andere geeignete Akkumulatortypen aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in dem in 5 gezeigten Energiespeichermodul 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 5a bis 5k ebenso möglich ist.
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Die Energiespeicherzellenmodule 5 sind über Verbindungsleitungen mit Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 verbunden, so dass die aktiven Koppelelemente 7a, 7b, 7c und 7d derart angesteuert werden können, beispielsweise mithilfe der in 3 und 4 dargestellten Steuereinrichtung 11, dass das jeweilige Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 in dem Energieversorgungszweig 10 überbrückt bzw. umgangen wird. Mit Bezug auf 5 kann das Energiespeicherzellenmodul 5 beispielsweise in Vorwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das aktive Schaltelement des Koppelelements 7d und das aktive Schaltelement des Koppelelements 7a in einen geschlossenen Zustand versetzt werden. Ein Überbrückungszustand bzw. Umgehungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b oder die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7c und 7d in geschlossenen Zustand versetzt werden. Ein Freilaufzustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass eines der beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7d in offenen Zustand und das andere in geschlossenen Zustand versetzt wird.
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Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt in die Reihenschaltung eines Energieversorgungszweigs 10 integriert werden.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Energiespeichermoduls 3 für eine Energiespeichereinrichtung 1 in einem elektrischen Antriebssystem, beispielsweise dem Antriebssystem 100 in 3 und 4. Der Unterschied zu dem Energiespeichermodul 3 besteht darin, dass die Koppeleinrichtung 7 lediglich zwei aktive Koppelelemente 7a und 7c aufweist, die in Halbbrückenschaltung verschaltet sind. Dadurch kann das Energiespeicherzellenmodul 5 nur in einer Polungsrichtung in den jeweiligen Energieversorgungszweig 10 integriert werden.
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Für Transversalflussmaschinen 6 ist es vorteilhaft, über eine möglichst hohe Spannungsreserve zu verfügen, um gerade bei hohen Drehzahlen der Maschine 6 ausreichend Einfluss auf die Stromformung nehmen zu können. Mit den in den Antriebssystemen 100 der 3 und 4 eingesetzten Energiespeichereinrichtungen 1 ist dies besonders einfach möglich, da zum einen kein Zwischenkreiskondensator nötig ist und zum anderen jeder der aktiven Halbleiterschalter nur eine begrenzte Maximalspannung aufnehmen muss. Dadurch kann die Anzahl der Energiespeichermodule 3 flexibel an die Anforderungen der Transversalflussmaschine 6 angepasst werden, ohne dass die grundlegende Topologie der Energiespeichereinrichtungen 1 oder die Spannungsfestigkeit der verwendeten Halbleiterschalter verändert werden müsste.
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Die Anzahl der Energiespeichermodule 4 kann auf diese Weise angepasst werden, um die Klemmenspannung an den Phasenanschlüssen 6a, 6b der Transversalflussmaschine 6 zu erhöhen. Dies führt dazu, dass der Feldschwächbereich der Transversalflussmaschine 6 insbesondere im hohen Drehzahlbereich reduziert werden kann. Dadurch erhöht sich bei gleichbleibendem Ausgangsdrehmoment an der Welle der Transversalflussmaschine 6 der Leistungsfaktor cos φ, so dass die Phasenströme in den Phasen der Transversalflussmaschine 6 verringert werden. Insgesamt kann so der Wirkungsgrad der Transversalflussmaschine 6 optimiert werden.
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Alternativ kann bei gleichbleibender Ausgangsleistung die Windungszahl der Induktivitäten La und Lb der Transversalflussmaschine 6 verringert werden, so dass die Durchflutung der Transversalflussmaschine 6 vermindert wird. Die Windungszahl kann ferner derart an das Spannungsverhältnis angepasst werden, dass die Flussverkettung im Stator sowie die benötigte Koerzitivfeldstärke im Luftspalt der Transversalflussmaschine 6 ein Optimum bildet. Die Qualität der verwendeten Permanentmagnete PM kann dadurch auch geringer gewählt werden, so dass wesentlich günstigere Magnete wie Ferrite oder gebondete Magnete gegenüber teureren Alternativen wie seltenen Erden eingesetzt werden können.
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Die Schaltfrequenz der Koppeleinrichtungen 7 der einzelnen Energiespeichermodule 3 nimmt proportional mit dem Quadrat der Anzahl der Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig 10 ab. Dies bedeutet zum einen eine wesentlich geringere Amplitude und Anzahl von Oberschwingungen, die in die Phasen der Transversalflussmaschine 6 eingespeist werden, zum Anderen steigt dadurch der Wirkungsgrad der Energiespeichereinrichtung 1.
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Die erfindungsgemäße Kopplung von Energiespeichereinrichtung 1 und Transversalflussmaschine 6 kann neben mobilen Systemen wie beispielsweise in Elektro- oder Hybridfahrzeugen auch in stationären Systemen eingesetzt werden, beispielsweise in Kraftwerken, in elektrischen Energiegewinnungsanlagen wie zum Beispiel Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder Kraftwärmekopplungsanlagen, in Energiespeicheranlagen wie zum Beispiel Druckluftspeicherkraftwerken, Batteriespeicherkraftwerken, Schwungradspeichern, Pumpspeichern oder ähnlichen Systemen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit sind Personen- oder Gütertransportfahrzeuge, welche zur Fortbewegung auf oder unter dem Wasser ausgelegt sind, beispielsweise Schiffe, Motorboote oder dergleichen.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum Betreiben einer Transversalflussmaschine 6. Das Verfahren 20 kann dabei beispielsweise in einem elektrischen Antriebssystem 100 wie im Zusammenhang mit den 1 bis 6 erläutert eingesetzt werden.
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In einem ersten Schritt 21 erfolgt ein Verbinden von ersten Ausgangsanschlüssen 1a und 1b von n parallel geschalteten Energieversorgungszweigen 10 einer Energiespeichereinrichtung 1 mit jeweils einem von n Phaseneingangsanschlüssen 6a, 6b einer Transversalflussmaschine 6, wobei die n parallel geschalteten Energieversorgungszweige 10 jeweils eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen 3 aufweisen. Die Energiespeichermodule 3 umfassen dabei jeweils ein Energiespeicherzellenmodul 5, welches mindestens eine Energiespeicherzelle 5a, 5k aufweist, und eine Koppeleinrichtung 7 mit aktiven Koppelelementen 7a bis 7d, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig 10 zu schalten oder in dem Energieversorgungszweig 10 zu umgehen bzw. zu überbrücken.
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In weiteren Schritten 22 und 23 erfolgt dann ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 eines Teils der Energiespeichermodule 3 zum Umgehen der Energiespeicherzellenmodule 5 in dem jeweiligen Energieversorgungszweig 10 und ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 eines anderen Teils der Energiespeichermodule 3 zum Schalten der Energiespeicherzellenmodule 5 in den jeweiligen Energieversorgungszweig 10 zum Bereitstellen von Phasenspannungen für die Phasenanschlüsse 6a; 6b der Transversalflussmaschine 6.
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Dieses Ansteuern kann einerseits ein temporäres dauerhaftes Integrieren einer bestimmten Anzahl von Energiespeichermodulen 3 in den jeweiligen Energieversorgungszweig 10 umfassen, um eine bestimmte Zweigausgangsspannung bereitzustellen. Durch gezieltes periodisches Ändern der integrierten Energiespeichermodule 3 kann ein periodisch schwankender Verlauf der Zweigausgangsspannung, beispielsweise ein sinusförmiger Verlauf approximiert werden. Zusätzlich dazu können beispielsweise einzelne Energiespeichermodule 3 gemäß einem Pulsbreitenmodulationsverfahren angesteuert werden, um feinere Abstufungen der Zweigausgangsspannung zu erzielen und den sinusförmigen Verlauf noch besser zu approximieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/115247 A1 [0004]
- US 5642275 A1 [0006]
