DE102015113798A1 - Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug, Elektrofahrzeug und Verfahren zum Antreiben eines solchen - Google Patents

Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug, Elektrofahrzeug und Verfahren zum Antreiben eines solchen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung stellt ein Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug mit den folgenden Merkmalen bereit: Das Antriebssystem (10) umfasst eine Drehstrom-Synchronmaschine (12) und einen Umrichter; die Drehstrom-Synchronmaschine (12) umfasst eine Ständerwicklung mit drei offen ausgeführten Wicklungssträngen (14); der Umrichter umfasst drei vollständige H-Brücken (22a, 22b, 22c); jeder Wicklungsstrang (14) weist beidseitig aus der Drehstrom-Synchronmaschine (12) herausgeführte Wicklungsenden (20) auf; und die herausgeführten Wicklungsenden (20) jedes Wicklungsstranges (14) verzweigen zu einer der H-Brücken (22a, 22b, 22c). Die Erfindung stellt ferner ein entsprechendes Elektrofahrzeug sowie ein entsprechendes Verfahren zum Antreiben eines Elektrofahrzeuges bereit.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein entsprechendes Elektrofahrzeug sowie ein entsprechendes Verfahren zum Antreiben eines Elektrofahrzeuges.
  • Stand der Technik
  • In der elektrischen Energietechnik wird eine rotierende elektrische Maschine (E-Maschine, EM), die mechanische Energie in Dreiphasenwechselstrom oder Dreiphasenwechselstrom in mechanische Energie umwandelt, gemeinhin als Drehstrommaschine bezeichnet. Eine gattungsgemäße Drehstrommaschine kann wahlweise als elektrischer Generator oder als Elektromotor betrieben werden. Als Drehstrom-Synchronmaschine wird insbesondere eine Drehstrommaschine bezeichnet, deren Läufer synchron zum Drehfeld des Ständers läuft. Drehstrom-Synchronmotoren nach dem Stand der Technik finden vielseitigen Einsatz als Antriebsmaschinen in der Industrie sowie in Antriebssystemen für Fahrzeuge, Schiffe und Züge.
  • Das für den Betrieb derartiger Drehstrommaschinen benötigte Mehrphasendrehstromsystem wird mitunter durch ein auf Pulsweitenmodulation basierendes Verfahren nachgebildet, welches auf dem Gebiet der Leistungselektronik als Raumzeigermodulation (space vector pulse width modulation, SVPWM, SVM) bekannt ist.
  • In US 2008/0169780 A1 wird eine Methode zur Bestimmung des Tastgrads – also des Verhältnisses von Impulsdauer zu Periodendauer – für pulsweitenmodulierte oder raumzeigermodulierter Signale eines Motorumrichters mit Halbbrücken-Topologie beschrieben.
  • In US 2008/0298096 A1 wird ein sterngeschalteter Motorumrichter mit H-Brücken-Topologie beschrieben, der an jeder H-Brücke mindestens eine Überbrückung zwischen der Verbindung zum Elektromotor und der Verbindung zu den anderen H-Brücken besitzt, die bei Bedarf zugeschaltet werden kann.
  • In US 2008/0298098 A1 wird eine Methode zur Umschaltung eines sterngeschalteten Motorumrichters mit H-Brücken-Topologie beschrieben. Dabei soll die Umschaltung in der Nähe des Null-Durchgangs des Netzstroms des Elektromotors erfolgen, wozu kurz vor und kurz nach dem Null-Durchgang zwei Spannungsspitzen gesendet werden sollen.
  • In US 2012/0091935 A1 wird eine Methode zur Kontrolle der Steuerung eines zweiphasigen Elektromotors beschrieben, der einen Motorumrichter mit drei Halbbrücken besitzt.
  • In WO 2014/080486 A1 wird ein Stromgenerator für einen Elektromotor beschrieben, der eine verschiedene Anzahl an dreiphasigen Spulensystemen und jeweils dazugehörigen dreiphasigen Halbbrücken-Stromkreisläufen besitzt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt ein Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
  • Der erfindungsgemäße Ansatz basiert somit auf einer dreiphasigen E-Maschine mit herausgeführten Wicklungsenden, was eine neue Art der Modulation durch den Umrichter ermöglicht. Der Umrichter wird dabei in Form von zwei Halbbrücken an jedem Wicklungsende aufgebaut. Eine derartige Struktur ist in Energie-, Mess- und Nachrichtentechnik gleichermaßen als H-Brücke bekannt.
  • Durch die offen ausgeführten Motorstränge bei der vorgeschlagenen H-Brücken-Topologie kann an diese die Zwischenkreisspannung direkt angelegt werden. Bei der herkömmlichen B6-Topologie ist dieser Wert auf Grund der Sternpunktschaltung der EM um den Faktor reduziert. Bei der H-Topologie kann für eine identische Leistung folglich die Stromstärke um Faktor reduziert werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann die Drehstrom-Synchronmaschine eine Permanentmagnet-Synchronmaschine (permanent magnet synchronous machine, PMSM) sein. Mit dem Einsatz von Permanentmagneten ergibt sich ein konstantes Erregerfeld, und eine Beeinflussung des Blind leistungsverhaltens der Maschine ist nicht möglich. Ein großer Vorteil dieser Variante ist der Wegfall der Erregereinrichtung, und es braucht keine Erregerleistung aufgebracht zu werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kommt als Schalter jeder H-Brücke ein Bipolar-Transistor mit isolierter Gate-Elektrode (insulated-gate bipolar transistor, IGBT) zum Einsatz. Eine entsprechende Ausgestaltung vereint die bekannten Vorteile eines herkömmlichen Bipolar-Transistors mit der nahezu leistungslosen Ansteuerung eines Feldeffekttransistors und verleiht dem Antriebssystem durch die Begrenzung des Laststromes zugleich eine gewisse Robustheit gegenüber Kurzschlüssen.
  • Zur Verwendung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug lässt sich das vorgeschlagene Antriebssystem vorteilhaft über einen geeigneten Gleichspannungszwischenkreis mit einer Hochvoltbatterie verbinden, sodass der Umrichter als Gleichspannungszwischenkreisumrichter oder Pulsumrichter dient.
  • Die als Elektromotor eines solchen Fahrzeuges dienende Drehstrom-Synchronmaschine kann im Wege der Raumzeigermodulation besonders vorteilhaft gesteuert werden. Durch die offen ausgeführten Motorstränge bei der vorgeschlagenen H-Brücken-Topologie ergeben sich in diesem Fall 27 Schaltzustände und damit 27 Grundvektoren für die Raumzeigermodulation. Mit diesen kann eine schalteffizientere Raumzeigermodulation als bei der bekannten B6-Topologie mit Sternpunkt umgesetzt werden.
  • Mit der ausgearbeiteten Raumzeigermodulation für die H-Brücken-Topologie des Umrichters lassen sich die Schaltverluste im Umrichter deutlich verringern. Gegenüber einer vergleichbaren Raumzeigermodulation bei der B6-Topologie empfiehlt es sich hierzu, die Anzahl an Schalterbetätigungen pro Schaltperiode von 12 auf 6 zu reduzieren. Auf diese Weise ergibt sich gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bei einer angenommenen Vollleistung von 320 kW eine vorteilhaft niedrige Verlustleistung von lediglich 8 kW.
  • Die Raumzeigermodulation des H-Brücken-Umrichters vermeidet dabei einen entstehenden Nullstrom ohne zusätzliche Schaltungen. Außerdem kann ein von der E-Maschine erzeugter Nullstrom mit diesem Verfahren ohne zusätzlichen Schaltaufwand auf den Wert Null ausgeregelt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
  • 1 zeigt den vereinfachten Schaltplan eines mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem ausgerüsteten Elektrofahrzeuges.
  • 2 zeigt die Raumzeiger eines vom Antriebssystem umfassten H-Brücken-Umrichters in einer zweidimensionalen Ansicht.
  • 3 zeigt die Raumzeiger des H-Brücken-Umrichters für vier Vektorfamilien gleicher Spannungsbeträge gemäß 2.
  • 4 zeigt die Schaltsequenz des erfindungsgemäßen Modulationsverfahrens anhand des Ablaufes einer Schaltperiode.
  • 5 zeigt die im Rahmen des Verfahrens an die H-Brücken gesendeten Schaltsignale.
  • 6 zeigt die Schaltzustände einer H-Brücke für die Strangspannungen +UZK, –UZK und 0 V.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 illustriert schematisch die zum Antrieb eines erfindungsgemäßen Elektrofahrzeuges vorgeschlagene Schaltung. Das in Form eines Personenkraftwagens ausgeführte Elektrofahrzeug umfasst dabei eine als Traktionsbatterie dienende Hochvoltbatterie (HV-Batterie) 18. Diese Hochvoltbatterie 18 versorgt ihrerseits einen Gleichspannungszwischenkreis 16 mit einer Zwischenkreisgleichspannung UZK von näherungsweise 800 Volt. Das erfindungswesentliche Antriebssystem 10 ist über den Gleichspannungszwischenkreis 16 elektrisch mit der Hochvoltbatterie 18 verbunden und umfasst neben der als Elektromotor dienenden Permanentmagnet-Synchronmaschine 12 einen Umrichter mit drei vollständigen Brückenschaltungen (H-Brücken) 22a, 22b, 22c, deren Äquivalenz zur üblichen Realisierungsform der B6-Brücke an dieser Stelle besonders hervorzuheben ist
  • Im Gegensatz zur herkömmlicherweise verwendeten Sternschaltung weist die Ständerwicklung der Permanentmagnet-Synchronmaschine 12 offen ausgeführte Wicklungsstränge 14 auf, deren beidseitige Wicklungsenden 20 abbildungsgemäß aus der Permanentmagnet-Synchronmaschine 12 herausgeführt werden und bei jedem der drei Wicklungsstränge 14 zu einer der besagten H-Brücken 22a, 22b, 22c des Umrichters verzweigen, wo sie beidseitig den Brückenzweig zwischen deren beispielsweise mit IGBT-Schaltern bestückten Halbbrücken bilden. Es versteht sich, dass anstelle von IGBT-Schaltern generell anderweitige Halbleiterschalter zum Einsatz kommen können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Aus den 33 = 27 Schaltzuständen des H-Brücken-Umrichters folgen im 0-α-β-System 27 Grundspannungsraumzeiger V1 bis V27, welche in 2 in zweidimensionaler Ansicht dargestellt sind. Die nicht dargestellte 0-Richtung steht dabei senkrecht auf der α-β-Ebene. Die jeweiligen Nullstromkomponenten der Vektoren V3, V7, V9, V18, V19, V21, V24, V25, V26 und V27 sind positiv, jene der Vektoren V2, V4, V5, V10, V11, V13, V14, V15, V17 und V23 negativ und jene der Vektoren V1, V6, V8, V12, V16, V20 und V22 null. Drei der 27 Vektoren sind Nullvektoren (V1, V14, V27). Von den zwölf kürzesten Richtungsvektoren haben jeweils zwei dieselbe Richtung und unterscheiden sich lediglich in Betrag und Vorzeichen der Nullstrom-Komponente.
  • Die dargestellten Vektoren lassen sich in mehrere Familien unterteilen:
    Figure DE102015113798A1_0002
  • Dabei haben alle Vektoren einer Familie denselben Spannungsbetrag |V(α, β)| sowie denselben Betrag V0 des Nullwerts. Bei der Angabe der Spannungsvektoren in obiger Tabelle ist mit einem Plus- oder Minuszeichen im oberen Index das Vorzeichen der Nullkomponente angegeben. Zusätzlich zu den 27 Vektoren sind in 2 die zwölf Sektoren S1 bis S12 eingetragen, welche von den Grundspannungsraumzeigern aufgespannt werden. Im Gegensatz zu den sechs planaren Sektoren beim Raumzeigermodell der B6-Topologie werden bei der H-Brücken-Variante durch die zusätzliche Nullstrom-Komponente dreidimensionale Sektoren aufgespannt.
  • Bei Verwendung der Vektoren der Familien I, II, III und V für die Pulsweitenmodulation wird die Steuerung der Halbleiter (HL) wesentlich komplexer und die Nullstrom-Komponente muss betrachtet werden. Allerdings werden pro Schaltperiode TSP nur sechs Halbleiterschaltbewegungen für die Erzeugung eines beliebigen Vektors benötigt, was einen höheren Wirkungsgrad zur Folge hat.
  • In 3 sind nur die Grundspannungsraumzeiger dargestellt, welche für die vorgeschlagene Raumzeigermodulation verwendet werden. Jeder der Sektoren S1 bis S12 wird dabei von vier Vektoren aufgespannt – von drei Richtungsvektoren und dem Nullvektor V1.
  • Eine Schaltperiode TSP zur Erzeugung eines beliebigen Vektors innerhalb eines Sektors besteht typischerweise aus zwei identischen Halbperioden der Dauer
    Figure DE102015113798A1_0003
    die vorwärts und rückwärts aneinandergehängt sind. Dabei werden, wie in 4 dargestellt, pro Halbperiode vier Vektoren geschaltet (Bezugszeichen 24).
  • Die Schaltzeiten sind in folgendem Gleichungssystem enthalten:
    Figure DE102015113798A1_0004
  • Die letzte Zeile dieses linearen Gleichungssystems (LGS) normiert die Zeiten auf das Intervall
    Figure DE102015113798A1_0005
  • Für einen Vektor in Sektor S12 ist in 5 ein beispielhaftes PWM-Schaltsignal (auf H-Brücken-Ebene) dargestellt. Diese Darstellung soll noch einmal verdeutlichen, dass jede der drei H-Brücken 22a, 22b, 22c drei verschiedene Schaltzustände einnehmen kann und nicht nur zwei, wie es beim B6-Umrichter der Fall ist.
  • Außerdem wird verdeutlicht, dass die Zeitintervalle Δt1 bis Δt4 nicht äquidistant sind.
  • Während der Schaltzustand der einzelnen Halbleiterschalter einer H-Brücke für die Strangspannungen +UZK und –UZK eindeutig ist, gibt es für die Strangspannung 0 V, wie in 6 dargestellt, verschiedene Möglichkeiten.
  • In der schematisch vereinfachten Darstellung einer H-Brücke gemäß 6 ist jeder Zweipol durch eine waagerechte oder senkrechte Linie symbolisiert, wobei ein geöffneter Halbleiterschalter durch eine die jeweilige Linie kreuzende Diagonale angedeutet wird. Bei Verwendung der Null-Schaltzustände 0+ bzw. 0– gemäß 6 kann der Schaltzustand +UZK bzw. –UZK mit nur einer Schaltzustandsänderung erreicht werden. Somit kann mit dem entsprechenden Null-Schaltzustand der jeweiligen H-Brücke jeder Zustandsübergang für die Erzeugung eines Vektors in Sektor S12 realisiert werden. Pro Halbperiode werden also drei Halbleiterschalter geschaltet, insgesamt genau sechs.
  • 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 2008/0169780 A1 [0004]
    • US 2008/0298096 A1 [0005]
    • US 2008/0298098 A1 [0006]
    • US 2012/0091935 A1 [0007]
    • WO 2014/080486 A1 [0008]

Claims (7)

  1. Antriebssystem (10) für ein Elektrofahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – das Antriebssystem (10) umfasst eine Drehstrom-Synchronmaschine (12) und einen Umrichter, – die Drehstrom-Synchronmaschine (12) umfasst eine Ständerwicklung mit drei offen ausgeführten Wicklungssträngen (14), – der Umrichter umfasst drei vollständige H-Brücken (22a, 22b, 22c), – jeder Wicklungsstrang (14) weist beidseitig aus der Drehstrom-Synchronmaschine (12) herausgeführte Wicklungsenden (20) auf und – die herausgeführten Wicklungsenden (20) jedes Wicklungsstranges (14) verzweigen zu einer der H-Brücken (22a, 22b, 22c).
  2. Antriebssystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstrom-Synchronmaschine (12) eine Permanentmagnet-Synchronmaschine (12) ist.
  3. Antriebssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die H-Brücken (22a, 22b, 22c) Bipolar-Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode umfassen.
  4. Elektrofahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – das Elektrofahrzeug umfasst eine Hochvoltbatterie (18), einen Gleichspannungszwischenkreis (16) und ein Antriebssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und – das Antriebssystem (10) ist über den Gleichspannungszwischenkreis (16) elektrisch mit der Hochvoltbatterie (18) verbunden.
  5. Verfahren zum Antreiben eines Elektrofahrzeuges nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die Hochvoltbatterie (18) versorgt das Antriebssystem (10) bedarfsweise über den Gleichspannungszwischenkreis (16) mit einer Zwischenkreisgleichspannung (UZK), – der Umrichter speist die Drehstrom-Synchronmaschine (12) mit der Zwischenkreisgleichspannung (UZK) und – die Drehstrom-Synchronmaschine (12) wird mittels einer Raumzeigermodulation durch den Umrichter gesteuert.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – die Raumzeigermodulation umfasst innerhalb einer Schaltperiode (TSP) des Umrichters sechs Schaltbetätigungen (24) der H-Brücken (22a, 22b, 22c).
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – die Zwischenkreisgleichspannung (UZK) beträgt 800 Volt.
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