DE102014203563A1 - Elektrisches Antriebssystem - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem, mit einer 3n-phasigen elektrischen Maschine, n > 1, welche mindestens zwei merhphasige Wicklungsstränge aufweist, einem ersten Wechselrichter, dessen Ausgangsanschlüsse mit den Phasenanschlüssen eines ersten der dreiphasigen Wicklungsstränge der elektrischen Maschine verbunden sind, einem zweiten, parallel zu dem ersten Wechselrichter geschalteten zweiten Wechselrichter, dessen Ausgangsanschlüsse mit den Phasenanschlüssen eines zweiten der mehrphasigen Wicklungsstränge der elektrischen Maschine verbunden sind, einer Gleichspannungsquelle, die mit einem ersten Ausgangsanschluss mit einem ersten Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters und mit einem zweiten Ausgangsanschluss mit einem ersten Eingangsanschluss des zweiten Wechselrichters verbunden ist, einem ersten Gleichspannungszwischenkreis, welcher zwischen die Eingangsanschlüsse des ersten Wechselrichters gekoppelt ist, und einem zweiten Gleichspannungszwischenkreis, welcher zwischen die Eingangsanschlüsse des zweiten Wechselrichters gekoppelt ist, wobei ein zweiter Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters und ein zweiter Eingangsanschluss des zweiten Wechselrichters untereinander massefrei verbunden sind, so dass der erste Wechselrichter und der zweite Wechselrichter in Reihenschaltung angeordnet sind.
Description
- Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem, insbesondere für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug wie ein Elektroauto oder ein Hybridfahrzeug.
- Stand der Technik
- Wie in
1 beispielhaft dargestellt, erfolgt in einem elektrischen Antriebssystem100 die Einspeisung von mehrphasigem Strom in eine elektrische Maschine101 üblicherweise durch einen Wechselrichter102 in Form eines Pulswechselrichters. Dazu kann eine von einem Gleichspannungszwischenkreis103 bereitgestellte Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet werden. Der Gleichspannungszwischenkreis103 wird dabei von einem Strang104 aus seriell verschalteten Batteriemodulen105 oder beliebigen Gleichspannungsquellen gespeist. - Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule oder Batteriezellen in einem Energiespeichersystem in Serie geschaltet. Wenn jedoch hohe Leistungen an der elektrischen Maschine benötigt werden, kann es notwendig werden, Maßnahmen in der Implementierung des elektrischen Antriebssystems
100 zu treffen, die den erhöhten Leistungsanforderungen gerecht werden. - Beispielsweise kann es möglich sein, mehrere Stränge
104 aus seriell verschalteten Batteriemodulen105 parallel zu schalten. Dies kann jedoch zu unerwünschten Ausgleichsströmen zwischen den Strängen104 führen. - Zusätzlich dazu kann es auch notwendig sein, die Stromtragfähigkeit der Komponenten des Wechselrichters
102 und der elektrischen Maschine101 zu erhöhen. Alternativ könnte auch die Zwischenkreisspannung angehoben werden. In jedem Fall werden umfangreiche Anpassungsentwicklungen und Änderungen in der Implementierung des elektrischen Antriebssystems nötig, die wiederum zu erhöhtem Implementierungsaufwand und -kosten führen. - Die Druckschrift
US 2007/0070667 A1 DE 10 2011 085 731 A1 offenbart ein elektrisches Antriebssystem für einen sechsphasigen Motor mit zwei parallel geschalteten Wechselrichtern. Die DruckschriftDE 10 2008 008 978 A1 offenbart modulare Antriebsstromrichter. Die DruckschriftDE 10 2010 001 250 A1 offenbart ein elektrisches Antriebssystem für eine elektrische Maschine mit zwei Phasensystemen, die über getrennte Wechselrichter gespeist werden. - Offenbarung der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt ein elektrisches Antriebssystem, mit einer n-phasigen elektrischen Maschine, n>1, welche mindestens zwei mehrphasige Wicklungsstränge aufweist, einem ersten Wechselrichter, dessen Ausgangsanschlüsse mit den Phasenanschlüssen eines ersten der mehrphasigen Wicklungsstränge der elektrischen Maschine verbunden sind, einem zweiten, parallel zu dem ersten Wechselrichter geschalteten zweiten Wechselrichter, dessen Ausgangsanschlüsse mit den Phasenanschlüssen eines zweiten der mehrphasigen Wicklungsstränge der elektrischen Maschine verbunden sind, und einer Gleichspannungsquelle, die mit einem ersten Ausgangsanschluss mit einem ersten Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters und mit einem zweiten Ausgangsanschluss mit einem ersten Eingangsanschluss des zweiten Wechselrichters verbunden ist, wobei ein zweiter Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters und ein zweiter Eingangsanschluss des zweiten Wechselrichters untereinander massefrei verbunden sind, so dass der erste Wechselrichter und der zweite Wechselrichter in Reihenschaltung angeordnet sind. Das Antriebssystem umfasst weiterhin einen ersten Gleichspannungszwischenkreis, welcher zwischen die Eingangsanschlüsse des ersten Wechselrichters gekoppelt ist, und einen zweiten Gleichspannungszwischenkreis aufweisen, welcher zwischen die Eingangsanschlüsse des zweiten Wechselrichters gekoppelt ist.
- Vorteile der Erfindung
- Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, elektrische Maschinen mithilfe von standardisierten Leistungsbaugruppen, wie etwa Wechselrichtern, beispielsweise in B6-Topologie, anzusteuern. Derartige Wechselrichter sind als standardisierte Modultypen verfügbar, die durch Skaleneffekte kostengünstig zu beschaffen und implementieren sind. Durch die Modularisierung der Leistungsbaugruppen wird die Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebssystems vorteilhafterweise erhöht, ohne dass die Ausführung der elektrischen Maschine oder der einzelnen Leistungsbaugruppen an sich aufwändiger oder kostenintensiver wird. Für alle Leistungsbaugruppen können zudem einfache mechanische Verbindungsmittel vorgesehen werden, durch die die Systemmodule zusammengeschaltet werden können. Außerdem kann eine zentrale Steuereinrichtung, beispielsweise auf einer zentralen Steuerplatine, für alle Leistungsbaugruppen gleichermaßen vorgesehen werden.
- Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems können der erste und der zweite Wechselrichter jeweils einen dreiphasigen selbstgeführten Wechselrichter aufweisen, der drei symmetrische Halbbrücken aus jeweils zwei Leistungshalbleiterschaltern in Serienschaltung umfasst.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems können die Schaltelemente jeweils Leistungshalbleiterschalter, vorzugsweise MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter, aufweisen. Diese Schalter sind besonders belastbar und zuverlässig anzusteuern.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin eine Steuereinrichtung aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, die Leistungshalbleiterschalter des ersten Wechselrichters und des zweiten Wechselrichters anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung auf einer zentralen Steuerplatine für den ersten Wechselrichter und den zweiten Wechselrichter angeordnet ist.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann die Gleichspannungsquelle eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen aufweisen.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin einen parallel zu dem ersten Wechselrichter geschalteten dritten Wechselrichter, dessen Eingangsanschlüsse jeweils mit Eingangsanschlüssen des ersten Wechselrichters gekoppelt sind, und einen parallel zu dem zweiten Wechselrichter geschalteten vierten Wechselrichter aufweisen, dessen Eingangsanschlüsse jeweils mit Eingangsanschlüssen des zweiten Wechselrichters gekoppelt sind. Dabei kann das Antriebssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform weiterhin einen dritten Gleichspannungszwischenkreis, welcher zwischen die Eingangsanschlüsse des dritten Wechselrichters gekoppelt ist, und einen vierten Gleichspannungszwischenkreis, welcher zwischen die Eingangsanschlüsse des vierten Wechselrichters gekoppelt ist, umfassen.
- Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften konventionellen elektrischen Antriebssystems; -
2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
3 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleich wirkende Komponenten. Die in den Figuren gezeigten schematischen Darstellungen sind nur beispielhafter Natur, die aus Gründen der Übersichtlichkeit idealisiert abgebildet sind. Es versteht sich, dass die dargestellten Komponenten lediglich zur Veranschaulichung von Prinzipien und funktionellen Aspekten der vorliegenden Erfindung dienen.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems20 mit einer sechsphasigen elektrischen Maschine6 , welche beispielsweise eine geschaltete Reluktanzmaschine oder eine Drehfeldmaschine sein kann. Die elektrische Maschine6 weist zwei dreiphasige Wicklungsstränge6a und6b auf, die in ihrem Sternpunkt miteinander gekoppelt sein können. Das elektrische Antriebssystem20 weist zudem ein Wechselrichtersystem aus mindestens einem ersten Wechselrichter3a und und einem zweiten Wechselrichter3b auf. Dabei speist der erste Wechselrichter3a an seinen Ausgangsanschlüssen den ersten dreiphasigen Wicklungsstrang6a der elektrischen Maschine6 . Der zweite Wechselrichter3b speist an seinen Ausgangsanschlüssen den zweiten dreiphasigen Wicklungsstrang6b der elektrischen Maschine6 . - Die Wechselrichter
3a und3b weisen dabei jeweils eine B6-Vollbrückentopologie auf, das heißt, jeder der Wechselrichter weist einen dreiphasigen selbstgeführten Wechselrichter auf, der drei symmetrische Halbbrücken aus jeweils zwei Leistungshalbleiterschaltern H1 und H2, H3 und H4 bzw. H5 und H6 in Serienschaltung umfasst. Die Leistungshalbleiterschalter können beispielsweise MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter sein. Es ist dabei jedoch auch möglich, jede andere Art von Schaltelementen als Schalter H1 bis H6 zu verwenden und dabei parallel zu jedem Schaltelement H1 bis H6 eine Freilaufdiode zu schalten. - Der erste Wechselrichter
3a und der zweite Wechselrichter3b können dabei entweder als separate Wechselrichtereinheiten oder auch in einem gemeinsamen Wechselrichtermodul implementiert sein. In letzterem Fall kann ein einziges Wechselrichtermodul mit sechs symmetrischen Halbbrücken vorgesehen werden, dass in entsprechender Weise mit der elektrischen Maschine6 gekoppelt wird. Für die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter H1 bis H6 kann eine (nicht explizit dargestellte) Steuereinrichtung eingesetzt werden, welche beispielsweise auf einer gemeinsamen Steuerplatine implementiert werden kann. - Die Wechselrichter
3a und3b müssen jeweils aus einem Gleichspannungszwischenkreis2a bzw.2b gespeist werden. In dem elektrischen Antriebssystem20 ist eine gemeinsame Gleichspannungsquelle1 , beispielsweise eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs zur Versorgung beider Gleichspannungszwischenkreise2a und2b mit elektrischer Gleichspannung vorgesehen. Die Gleichspannungsquelle1 kann dazu beispielsweise eine Serienschaltung aus Batteriemodulen5 aufweisen, deren Anzahl in2 nur beispielhaft mit3 dargestellt ist – jede andere Anzahl an Batteriemodulen5 kann ebenso möglich sein. Weiterhin ist klar, dass auch die Anzahl der Phasen der Wechselrichter3a und3b von der in2 dargestellten beispielhaften Anzahl von drei abweichen kann, je nach erforderlicher Anzahl der Phasen der Wicklungsstränge6a und6b der elektrischen Maschine6 , deren Phasenanzahl jede beliebige Zahl annehmen kann. Ebenso ist es möglich, mehr als zwei Wechselrichter3a und3b parallel zu schalten, insbesondere wenn die elektrische Maschine6 mehr als zwei mehrphasige Wicklungsstränge6a und6b aufweist. Dazu kann jeder der Wechselrichter einem der mehrphasigen Wicklungsstränge zugeordnet und mit selbigem elektrisch verbunden werden. - Die Gleichspannungsquelle
1 ist dabei mit jeweils einem ihrer zwei Ausgangsanschlüsse mit jeweils einem Eingangsanschluss der beiden Wechselrichter3a und3b verbunden. Die jeweils anderen Eingangsanschlüsse der beiden Wechselrichter3a und3b sind untereinander massefrei verbunden, so dass die Wechselrichter3a und3b in Reihenschaltung angeordnet sind. Dabei wird für die Gleichspannungsquelle1 kein Mittelabgriff benötigt. - Durch die Verschaltung von prinzipiell gleichartigen Wechselrichtern
3a und3b in Reihe kann die Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebssystems20 bei einer Beibehaltung des gewünschten Ausgangsspannungslevels erheblich gesteigert werden. Die mittlere Spannungsebene zwischen den beiden Wechselrichtern3a und3b kann dabei in geeigneter Weise über die Steuereinrichtung des Wechselrichtersystems symmetriert werden. Dadurch muss die Stromtragfähigkeit der Leistungshalbleiterschalter H1 bis H6 der Wechselrichter3a und3b gegenüber herkömmlichen Leistungshalbleiterschaltern H1 bis H6 nicht erhöht werden. Zudem kann durch die Modularisierung ein redundantes System geschaffen werden, in dem im Fehlerfall eines einzelnen Wechselrichters3a bzw.3b eine Notbetriebsfunktion mit eingeschränkter Leistungsfähigkeit eingerichtet werden kann. Dazu kann der defekte oder fehlerhafte Teil des Wechselrichtersystems deaktiviert und durch geeignete Umgehungsschalter in der Reihenschaltung der Wechselrichter überbrückt bzw. umgangen werden, und die elektrische Maschine6 wird zumindest temporär durch die übrigen Wechselrichterteile mit reduzierter Leistung versorgt. -
3 zeigt eine Weiterbildung des elektrischen Antriebssystems20 der2 . In3 können zwei oder mehr Wechselrichter3a und3c bzw.3b und3d in jedem der in Reihe geschalteten Wechselrichterteilsysteme des Wechselrichtersystems parallel geschaltet werden. Dadurch können mehrere Wechselrichter3a und3c bzw.3b und3d pro Spannungsebene implementiert werden, die beispielsweise versetzt getaktet werden können, um Spannungs- und/oder Stromschwankungen („ripple“) in den Phasenspannungen bzw. den Phasenströmen, die in die elektrische Maschine6 eingespeist werden, zu verringern. Jeder der Wechselrichter3a ,3b ,3c und3d wird eingangsseitig über einen eigenen Gleichspannungszwischenkreis2a ,2b ,2c und2d stabilisiert. Weiterhin speist jeder der Wechselrichter3a ,3b ,3c und3d einen dreiphasigen Wicklungsstrang6a ,6b ,6c ,6d der elektrischen Maschine. Im Beispiel der3 ist die elektrische Maschine6 daher eine zwölfphasige Maschine. - Die Anzahl der Spannungsebenen sowie die Anzahl der Wechselrichter
3a und3c bzw.3b und3d pro Spannungsebene sind in3 nur beispielhaft mit jeweils zwei dargestellt – es ist ohne weiteres möglich, mehr als zwei Spannungsebenen bzw. mehr als zwei Wechselrichter pro Spannungsebene zu implementieren. Dazu kann bei mehr als zwei Spannungsebenen gegebenenfalls ein Mittelabgriff der Gleichspannungsquelle1 zwischen zwei Untergruppen der Batteriemodule5 genutzt werden, um die massefreien Spannungszwischenebenen zwischen den jeweils in Reihe liegenden Eingangsanschlüssen der einzelnen Wechselrichtergruppen pro Spannungsebene zu stabilisieren. - Die einzelnen Wechselrichter
3a und3c bzw.3b und3d müssen nur auf einen Bruchteil der gesamten Gleichspannung der Gleichspannungsquelle1 ausgelegt werden, je nach Anzahl der verwendeten Spannungszwischenebenen. Dadruch können auch Standardleistungsbaugruppen für hohe Ausgangsspannungen der Gleichspannungsquelle1 genutzt werden. - In dem gezeigten Antriebssystem
20 der2 bis3 kann die elektrische Maschine6 beispielsweise eine Synchron- oder Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine oder ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC, „brushless DC motor“) sein. Es kann dabei auch möglich sein, das elektrische Antriebssystem20 der2 bis3 in stationären Systemen einzusetzen, 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 des elektrischen Antriebssystems20 der2 bis3 sind Personen- oder Gütertransportfahrzeuge, welche zur Fortbewegung auf oder unter dem Wasser ausgelegt sind, beispielsweise Schiffe, Motorboote oder dergleichen. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 2007/0070667 A1 [0006]
- DE 102011085731 A1 [0006]
- DE 102008008978 A1 [0006]
- DE 102010001250 A1 [0006]
Claims (7)
- Elektrisches Antriebssystem (
20 ), mit: einer n-phasigen elektrischen Maschine (6 ), n > 1, welche mindestens zwei mehrphasige Wicklungsstränge (6a ,6b ) aufweist; einem ersten Wechselrichter (3a ), dessen Ausgangsanschlüsse mit den Phasenanschlüssen eines ersten der mehrphasigen Wicklungsstränge (6a ,6b ) der elektrischen Maschine (6 ) verbunden sind; einem zweiten Wechselrichter (3b ), dessen Ausgangsanschlüsse mit den Phasenanschlüssen eines zweiten der mehrphasigen Wicklungsstränge (6a ,6b ) der elektrischen Maschine (6 ) verbunden sind; einer Gleichspannungsquelle (1 ), die mit einem ersten Ausgangsanschluss mit einem ersten Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters (3a ) und mit einem zweiten Ausgangsanschluss mit einem ersten Eingangsanschluss des zweiten Wechselrichters (3b ) verbunden ist; einem ersten Gleichspannungszwischenkreis (2a ), welcher zwischen die Eingangsanschlüsse des ersten Wechselrichters (3a ) gekoppelt ist; und einem zweiten Gleichspannungszwischenkreis (2b ), welcher zwischen die Eingangsanschlüsse des zweiten Wechselrichters (3b ) gekoppelt ist, wobei ein zweiter Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters (3a ) und ein zweiter Eingangsanschluss des zweiten Wechselrichters (3b ) untereinander massefrei verbunden sind, so dass der erste Wechselrichter (3a ) und der zweite Wechselrichter (3b ) in Reihenschaltung angeordnet sind. - Elektrisches Antriebssystem (
20 ) nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Wechselrichter (3a ,3b ) jeweils einen dreiphasigen selbstgeführten Wechselrichter aufweisen, der drei symmetrische Halbbrücken aus jeweils zwei Leistungshalbleiterschaltern (H1, H2; H3, H4; H5, H6) in Serienschaltung umfasst. - Elektrisches Antriebssystem (
20 ) nach Anspruch 2, wobei die Leistungshalbleiterschalter (H1, H2; H3, H4; H5, H6) MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter aufweisen. - Elektrisches Antriebssystem (
20 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, weiterhin mit: einer Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die Leistungshalbleiterschalter (H1, H2; H3, H4; H5, H6) des ersten Wechselrichters (3a ) und des zweiten Wechselrichters (3b ) anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung auf einer zentralen Steuerplatine für den ersten Wechselrichter (3a ) und den zweiten Wechselrichter (3b ) angeordnet ist. - Elektrisches Antriebssystem (
20 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gleichspannungsquelle (1 ) eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen (5 ) aufweisen. - Elektrisches Antriebssystem (
20 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin mit: mindestens einem parallel zu dem ersten Wechselrichter (3a ) geschalteten dritten Wechselrichter (3c ), dessen Eingangsanschlüsse jeweils mit Eingangsanschlüssen des ersten Wechselrichters (3a ) gekoppelt sind; und mindestens einem parallel zu dem zweiten Wechselrichter (3b ) geschalteten vierten Wechselrichter (3d ), dessen Eingangsanschlüsse jeweils mit Eingangsanschlüssen des zweiten Wechselrichters (3b ). - Elektrisches Antriebssystem (
20 ) nach Anspruch 5, weiterhin mit: mindestens einem dritten Gleichspannungszwischenkreis (2c ), welcher zwischen die Eingangsanschlüsse des dritten Wechselrichters (3c ) gekoppelt ist; und mindestens einem vierten Gleichspannungszwischenkreis (2d ), welcher zwischen die Eingangsanschlüsse des vierten Wechselrichters (3d ) gekoppelt ist.
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