DE102014210627A1 - Electric drive system and method for operating an electric drive system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem, mit einem Gleichspannungszwischenkreis, einem ersten n-phasigen Wechselrichter, n > 1, welcher durch den Gleichspannungszwischenkreis mit Gleichspannung gespeist wird, und welcher dazu ausgelegt ist, eine erste n-phasige Wechselspannung zu erzeugen, einem zweiten n-phasigen Wechselrichter, welcher durch den Gleichspannungszwischenkreis mit Gleichspannung gespeist wird, und welcher dazu ausgelegt ist, eine zweite n-phasige Wechselspannung zu erzeugen, einer 2n-phasigen elektrische Maschine, deren erste n Phasenanschlüsse mit Ausgangsanschlüssen des ersten Wechselrichters und deren zweite n Phasenanschlüsse mit Ausgangsanschlüssen des zweiten Wechselrichters verbunden sind, und einer Steuerschaltung, welche mit dem ersten n-phasigen Wechselrichter und dem zweiten n-phasigen Wechselrichter gekoppelt ist. Dabei weist die 2n-phasige elektrische Maschine zwei n-phasige Wicklungssätze jeweils entgegengesetzter Polarität auf. Die Steuerschaltung ist dazu ausgelegt, jeweils eine Halbbrücke des ersten n-phasigen Wechselrichters und eine dazu korrespondierende Halbbrücke des zweiten n-phasigen Wechselrichter derart pulsweitenmoduliert anzusteuern, dass die durch die Halbbrücken des ersten n-phasigen Wechselrichters erzeugte Phasenspannung zu der durch die dazu jeweils korrespondierenden Halbbrücken des zweiten n-phasigen Wechselrichters erzeugten Phasenspannung entgegengesetzt gepolt sind, und dass die Schaltflanken der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbbrücken des ersten n-phasigen Wechselrichters mit den Schaltflanken der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbbrücken des zweiten n-phasigen Wechselrichters zeitlich zusammenfallen.The invention relates to an electric drive system with a DC intermediate circuit, a first n-phase inverter, n> 1, which is fed by the DC voltage intermediate circuit with DC voltage, and which is designed to generate a first n-phase AC voltage, a second n-phase inverter. phase inverter, which is fed by the DC intermediate circuit with DC voltage and which is adapted to generate a second n-phase AC voltage, a 2n-phase electric machine, the first n phase terminals with output terminals of the first inverter and the second n phase terminals with output terminals of the second inverter, and a control circuit coupled to the first n-phase inverter and the second n-phase inverter. In this case, the 2n-phase electric machine has two n-phase winding sets each of opposite polarity. The control circuit is designed to control in each case a half-bridge of the first n-phase inverter and a corresponding half-bridge of the second n-phase inverter such pulse width modulated, that the phase voltage generated by the half-bridges of the first n-phase inverter to the respective corresponding thereto Half bridges of the second n-phase inverter phase voltage generated are oppositely poled, and that the switching edges of the pulse width modulated control of the half-bridges of the first n-phase inverter coincide in time with the switching edges of the pulse width modulated driving the half-bridges of the second n-phase inverter.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems, insbesondere für den Einsatz in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug wie einem Elektroauto oder einem Hybridfahrzeug.The invention relates to an electric drive system and to a method for operating an electric drive system, in particular for use in an electrically operated vehicle such as an electric car or a hybrid vehicle.
Stand der TechnikState of the art
In einem elektrischen Antriebssystem erfolgt die Einspeisung von mehrphasigem Strom in eine elektrische Maschine üblicherweise durch einen Umrichter, beispielsweise in Form eines Pulswechselrichters. Dazu kann eine Energiespeichereinrichtung wie etwa eine Hochvoltbatterie einen Gleichspannungszwischenkreis speisen, der seinerseits eine Gleichspannung bereitstellt, die in eine mehrphasige Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet werden kann. Der Gleichspannungszwischenkreis kann dabei von einem Strang aus seriell verschalteten Batteriemodulen oder beliebigen Gleichspannungsquellen gespeist werden.In an electric drive system, the feeding of multi-phase current into an electric machine usually takes place by means of a converter, for example in the form of a pulse-controlled inverter. For this purpose, an energy storage device such as a high-voltage battery can feed a DC intermediate circuit, which in turn provides a DC voltage that can be converted into a multi-phase AC voltage, for example, a three-phase AC voltage. The DC intermediate circuit can be fed by a string of serially connected battery modules or any DC voltage sources.
Der Umrichter arbeitet üblicherweise mit pulsweitenmodulierten Ansteuersignalen um die mehrphasige Ausgangsspannung zu erzeugen. Durch die Taktung der einzelnen Halbbrücken in dem Umrichter werden transiente elektrische Gleichtaktgrößen erzeugt, die sich über die Phasenanbindungen in Richtung der elektrischen Maschine im Antriebssystem ausbreiten. In der elektrischen Maschine können diese transienten Gleichtaktgrößen kapazitiv oder in geringerem Maße auch induktiv auf elektrisch leitfähige Teile der elektrischen Maschine oder das Gehäuse der elektrischen Maschine koppeln. In der Folge kann es durch diese unerwünschten Auskopplungen zu dielektrischen Zusammenbrüchen des Schmierfilms in den Lagern der elektrischen Maschine, zur Emission von elektromagnetischen Störgrößen in die Umwelt über den Antriebsstrang, zum Beispiel über Wellen und Achsen, und zur leitungsgebundenen Störemissionen in das speisende Gleichspannungsnetz des Umrichters kommen.The inverter usually operates with pulse width modulated drive signals to produce the multi-phase output voltage. By the timing of the individual half-bridges in the inverter transient electrical common mode quantities are generated, which spread over the phase connections in the direction of the electric machine in the drive system. In the electrical machine, these transient common-mode quantities can also capacitively or to a lesser extent inductively couple to electrically conductive parts of the electrical machine or the housing of the electrical machine. As a result, these unwanted outcouplings may cause dielectric breakdowns of the lubricating film in the bearings of the electric machine, emission of electromagnetic disturbances to the environment via the powertrain, for example via shafts and axles, and conducted interference emissions into the DC supply system of the converter come.
Eine Möglichkeit diesen unerwünschten Effekten entgegenzuwirken besteht darin, eine adäquate Wellenerdung durch entsprechende galvanische Verbindungen der Welle der elektrischen Maschine mit dem Gehäuse bereitzustellen. Weiterhin können Abschirmmaßnahmen an den Phasenleitern der elektrischen Maschine getroffen werden. Darüber hinaus können leitungsgebundene Störemissionen durch den Einsatz von Y-Kondensatoren oder andere aktive oder passive Filter gemindert werden. Schließlich besteht die Möglichkeit, isolierende Lager (beispielsweise Keramiklager) für die elektrische Maschine zu verwenden.One way to counteract these undesirable effects is to provide adequate shaft grounding by appropriate galvanic connections of the shaft of the electric machine to the housing. Furthermore, shielding measures can be taken on the phase conductors of the electrical machine. In addition, conducted noise emissions can be reduced by using Y capacitors or other active or passive filters. Finally, it is possible to use insulating bearings (for example, ceramic bearings) for the electric machine.
Da derartige Maßnahmen jedoch aufwändig und kostenintensiv sind und lediglich die Symptomatik von auftretenden transient elektrischen Gleichtaktgrößen bekämpfen, ist es wünschenswert transiente elektrische Gleichtaktgrößen bei der Ansteuerung von Umrichtern in einem elektrischen Antriebssystem erst gar nicht entstehen zu lassen.However, since such measures are complicated and expensive and only combat the symptoms of transient electrical common mode variables occurring, it is desirable not to let arise transient electrical common mode variables in the control of converters in an electric drive system in the first place.
Die Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft daher gemäß einem ersten Aspekt ein elektrisches Antriebssystem, mit einem Gleichspannungszwischenkreis, einem ersten n-phasigen Wechselrichter, n > 1, welcher durch den Gleichspannungszwischenkreis mit Gleichspannung gespeist wird, und welcher dazu ausgelegt ist, eine erste n-phasige Wechselspannung zu erzeugen, einem zweiten n-phasigen Wechselrichter, welcher durch den Gleichspannungszwischenkreis mit Gleichspannung gespeist wird, und welcher dazu ausgelegt ist, eine zweite n-phasige Wechselspannung zu erzeugen, einer 2n-phasigen elektrische Maschine, deren erste n Phasenanschlüsse mit Ausgangsanschlüssen des ersten Wechselrichters und deren zweite n Phasenanschlüsse mit Ausgangsanschlüssen des zweiten Wechselrichters verbunden sind, und einer Steuerschaltung, welche mit dem ersten n-phasigen Wechselrichter und dem zweiten n-phasigen Wechselrichter gekoppelt ist. Dabei weist die 2n-phasige elektrische Maschine zwei n-phasige Wicklungssätze jeweils entgegengesetzter Polarität auf. Die Steuerschaltung ist dazu ausgelegt, jeweils eine Halbbrücke des ersten n-phasigen Wechselrichters und eine dazu korrespondierende Halbbrücke des zweiten n-phasigen Wechselrichter derart pulsweitenmoduliert anzusteuern, dass die durch die Halbbrücken des ersten n-phasigen Wechselrichters erzeugte Phasenspannung zu der durch die dazu jeweils korrespondierenden Halbbrücken des zweiten n-phasigen Wechselrichters erzeugten Phasenspannung entgegengesetzt gepolt sind, und dass die Schaltflanken der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbbrücken des ersten n-phasigen Wechselrichters mit den Schaltflanken der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbbrücken des zweiten n-phasigen Wechselrichters zeitlich zusammenfallen.The present invention therefore according to a first aspect provides an electric drive system with a DC intermediate circuit, a first n-phase inverter, n> 1, which is fed by the DC voltage intermediate circuit with DC voltage, and which is adapted to a first n-phase AC voltage a second n-phase inverter, which is fed by the DC voltage intermediate circuit with DC voltage and which is adapted to generate a second n-phase AC voltage, a 2n-phase electric machine whose first n phase terminals with output terminals of the first inverter and whose second n phase terminals are connected to output terminals of the second inverter, and a control circuit which is coupled to the first n-phase inverter and the second n-phase inverter. In this case, the 2n-phase electric machine has two n-phase winding sets each of opposite polarity. The control circuit is designed to control in each case a half-bridge of the first n-phase inverter and a corresponding half-bridge of the second n-phase inverter such pulse width modulated, that the phase voltage generated by the half-bridges of the first n-phase inverter to the respective corresponding thereto Half bridges of the second n-phase inverter phase voltage generated are oppositely poled, and that the switching edges of the pulse width modulated control of the half-bridges of the first n-phase inverter coincide in time with the switching edges of the pulse width modulated driving the half-bridges of the second n-phase inverter.
Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems, welches einen Gleichspannungszwischenkreis, einen ersten n-phasigen Wechselrichter, n>1, welcher durch den Gleichspannungszwischenkreis mit Gleichspannung gespeist wird, und welcher dazu ausgelegt ist, eine erste n-phasige Wechselspannung zu erzeugen, einen zweiten n-phasigen Wechselrichter, welcher durch den Gleichspannungszwischenkreis mit Gleichspannung gespeist wird, und welcher dazu ausgelegt ist, eine zweite n-phasige Wechselspannung zu erzeugen, und eine 2n-phasige elektrische Maschine aufweist, deren erste n Phasenanschlüsse mit Ausgangsanschlüssen des ersten Wechselrichters, deren zweite n Phasenanschlüsse mit Ausgangsanschlüssen des zweiten Wechselrichters verbunden sind, und welche zwei n-phasige Wicklungssätze jeweils entgegengesetzter Polarität umfasst. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des Ansteuerns der Halbbrücken des ersten n-phasigen Wechselrichters mit einem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal zum Erzeugen von ersten Phasenspannungen, und des Ansteuerns der Halbbrücken des zweiten n-phasigen Wechselrichters mit einem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal zum Erzeugen von zweiten Phasenspannungen. Dabei sind die ersten Phasenspannungen zu den zweiten Phasenspannungen entgegengesetzt gepolt sind, und die Schaltflanken bei dem pulsweitenmodulierten Ansteuern der Halbbrücken des ersten n-phasigen Wechselrichters mit den Schaltflanken bei dem pulsweitenmodulierten Ansteuern der Halbbrücken des zweiten n-phasigen Wechselrichters fallen zeitlich zusammen. According to a second aspect, the present invention provides a method for operating an electric drive system which has a DC intermediate circuit, a first n-phase inverter, n> 1, which is supplied with DC voltage by the DC voltage intermediate circuit and which is designed to generate a first n-phase inverter. To generate phase AC voltage, a second n-phase inverter, which is fed by the DC voltage intermediate circuit with DC voltage, and which is adapted to generate a second n-phase AC voltage, and a 2n-phase electric machine having its first n phase terminals with Output terminals of the first inverter whose second n phase terminals are connected to output terminals of the second inverter, and which comprises two n-phase winding sets each having opposite polarity. The method comprises the steps of driving the half bridges of the first n-phase inverter with a pulse width modulated drive signal for generating first phase voltages, and driving the half bridges of the second n-phase inverter with a pulse width modulated drive signal for generating second phase voltages. In this case, the first phase voltages are opposite polarity to the second phase voltages, and the switching edges in the pulse width modulated driving the half-bridges of the first n-phase inverter with the switching edges in the pulse width modulated driving the half-bridges of the second n-phase inverter coincide in time.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, transiente Gleichtaktströme, die bei einem Schalten eines Umrichters bzw. Wechselrichters kurzzeitig auftreten, dadurch zu unterbinden, dass zwei antisymmetrisch arbeitende Umrichtermodule verwendet werden, die beim Schalten gleich große, aber entgegengesetzt fließende transiente Gleichtaktströme erzeugen. Die Halbbrücken der Umrichtermodule können dann synchron angesteuert werden, so dass Gleichtaktströme verursachende Schaltflanken beider Umrichtermodule gleichzeitig auftreten und sich die entstehenden Gleichtaktströme beider Umrichtermodule gegenseitig auslöschen.One idea of the present invention is to prevent transient common-mode currents, which occur briefly when a converter is switched, by using two antisymmetric converter modules which generate equal but opposite-flowing transient common-mode currents when switching. The half bridges of the converter modules can then be controlled synchronously so that common mode currents causing switching edges of both converter modules occur simultaneously and the resulting common mode currents of both converter modules cancel each other out.
Durch die Auslöschung der transienten Gleichtaktströme können mehrere Vorteile verwirklicht werden: Lagerschädigende elektrostatische Entladungen und Abstrahlung elektromagnetischer Störgrößen durch die mechanischen Komponenten der elektrischen Maschine können erheblich reduziert bzw. vollständig vermieden werden. Weiterhin wird auch die Abstrahlung elektromagnetischer Störgrößen entlang der Maschinenwelle und somit die Auskopplung solcher Störgrößen in die Umwelt durch Achs- oder Getriebeteile in Hybrid- und Elektrofahrzeugen wirksam unterdrückt. Es ist zudem möglich, auf aktive oder passive Filterelemente zur Wellenerdung zu verzichten oder den Einsatz solcher zumindest stark zu reduzieren. Außerdem muss nicht auf elektrisch isolierende Lager wie etwa Keramik-Lager zurückgegriffen werden, wodurch die Kosten für die Herstellung der elektrischen Maschine erheblich vermindert werden können.By extinguishing the transient common mode currents, several advantages can be realized: Storage-damaging electrostatic discharges and radiation of electromagnetic interference by the mechanical components of the electric machine can be significantly reduced or completely avoided. Furthermore, the emission of electromagnetic disturbances along the machine shaft and thus the decoupling of such disturbances in the environment by axle or gear parts in hybrid and electric vehicles is effectively suppressed. It is also possible to dispense with active or passive filter elements for wave grounding or at least greatly reduce the use of such. In addition, it is not necessary to resort to electrically insulating bearings such as ceramic bearings, whereby the cost of manufacturing the electrical machine can be significantly reduced.
Rückströme von der elektrischen Maschine in das Gleichspannungsnetz werden ebenfalls effizient unterbunden, wodurch auf Y-Kondensatoren gegebenenfalls komplett verzichtet werden kann. Unter Umständen kann auch auf toroidale Gleichtaktfilter wie etwa Drosselklappenfilter in den Gleichspannungsleitung und den Phasenleitung zur elektrischen Maschine verzichtet werden. Durch den Entfall oder die Reduzierung von Filtermaßnahmen können ebenfalls elektrische Leistungsverluste durch die Filter verringert werden, so dass das elektrische Antriebssystem eine verbesserte Energiebilanz bzw. Energieeffizienz aufweist.Reverse currents from the electric machine into the DC voltage network are likewise prevented efficiently, as a result of which Y capacitors may possibly be completely dispensed with. Under certain circumstances, it is also possible to dispense with toroidal common mode filters such as throttle valve filters in the DC voltage line and the phase line to the electrical machine. By eliminating or reducing filter measures, electrical power losses through the filters can also be reduced, so that the electric drive system has an improved energy balance or energy efficiency.
Darüber hinaus können steilere Schaltflanken gefahren werden, ohne die Ausbildung von Gleichtaktströmen zu begünstigen. Dies führt zu verminderten Schaltverlusten sowie der Möglichkeit zur Einstellung höherer Phasenströme bei gleicher Halbleiterfläche in den Leistungshalbleiterschaltern.In addition, steeper switching edges can be driven without favoring the formation of common mode currents. This leads to reduced switching losses and the possibility of setting higher phase currents for the same semiconductor area in the power semiconductor switches.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin eine Energiespeichereinrichtung umfassen, welche mit dem Gleichspannungszwischenkreis gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, den Gleichspannungszwischenkreis mit einer Gleichspannung zu versorgen.According to one embodiment of the drive system according to the invention, the drive system may further comprise an energy storage device which is coupled to the DC intermediate circuit and which is adapted to supply the DC intermediate circuit with a DC voltage.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann der erste Wechselrichter einen selbstgeführten Wechselrichter mit einer Mehrzahl an symmetrischen Halbbrücken aus jeweils zwei Leistungshalbleiterschaltern in Serienschaltung, und der zweite Wechselrichter einen selbstgeführten Wechselrichter mit einer Mehrzahl an symmetrischen Halbbrücken aus jeweils zwei Leistungshalbleiterschaltern in Serienschaltung umfassen.According to one embodiment of the drive system according to the invention, the first inverter may comprise a self-commutated inverter having a plurality of symmetrical half-bridges of two power semiconductor switches in series, and the second inverter comprising a self-commutated inverter with a plurality of balanced half-bridges of two power semiconductor switches in series.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems können die Leistungshalbleiterschalter der Wechselrichter jeweils MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter aufweisen.According to a further embodiment of the electric drive system according to the invention, the power semiconductor switches of the inverters may each comprise MOSFET switches or IGBT switches.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal zum Ansteuern der Halbbrücken des zweiten n-phasigen Wechselrichters durch Invertieren des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals zum Ansteuern der Halbbrücken des ersten n-phasigen Wechselrichters gebildet wird.According to one embodiment of the method according to the invention, the pulse width modulated drive signal for driving the Half bridges of the second n-phase inverter is formed by inverting the pulse width modulated drive signal for driving the half-bridges of the first n-phase inverter.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigen:Show it:
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.Like reference numerals generally designate like or equivalent components. The schematic representations shown in the figures are only exemplary in nature, which are idealized for reasons of clarity. It is understood that the illustrated components are merely illustrative of principles and functional aspects of the present invention.
Ausführliche Beschreibung von AusführungsformenDetailed description of embodiments
Der erste und der zweite Wechselrichter
Die Phasen der elektrischen Maschine
Für die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter H1 bis H6 beider Wechselrichter
Die Wechselrichter
In dem Antriebssystem
Die Steuerschaltung
Korrespondierende Halbbrücken werden jeweils von der Steuerschaltung
Die zu den Schaltflanken Sa und Sb entstehenden transienten Gleichtaktströme in der Phasenleitung der Halbbrücke B4 sind durch die Invertierung der High-Low-Schaltflanken bzw. Low-High-Schaltflanken gerade so dimensioniert, dass sie sich mit den transienten Gleichtaktströmen in der Phasenleitung der Halbbrücke B1 auslöschen.The transient common-mode currents in the phase line of the half-bridge B4, which are produced at the switching edges Sa and Sb, are just dimensioned by the inversion of the high-low switching edges or low-high switching edges such that they match the transient common-mode currents in the phase line of the half-bridge B1 extinguish.
In ähnlicher Weise zeigen die
Jeder Schaltflanke Sa bzw. Sb, die in dem ersten Wechselrichter
In einem ersten Schritt
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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