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Technisches Gebiet
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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.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Druckschrift
US 2010/0071970 A1 schlägt beispielsweise vor, einen mehrphasigen Motor mit zwei elektrisch voneinander isolierten Wicklungssätzen entgegengesetzter Polarität pro Phase auszustatten, und die Wicklungssätze entgegengesetzter Polarität jeweils paarweise über zwei korrespondiere Halbbrücken eines Umrichters über eine gemeinsame Phasenansteuerung mit einer Phasenspannung zu versorgen.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 013 885 A1 offenbart einen elektrischen Antrieb mit einem Rotor, einem Stator und einer ersten Spulenanordnung, die dazu ausgebildet ist, den Rotor mittels eines ersten Drehfeldes anzutreiben, und mit einer ersten Motorsteuerungsanordnung, die dazu ausgebildet ist die erste Spulenanordnung zur Erzeugung eines ersten Drehfeldes mit elektrischem Strom zu versorgen. Der Stator weist eine zweite Spulenanordnung zur Erzeugung eines zweiten Drehfeldes auf. Die zweite Spulenanordnung ist separat von der ersten Spulenanordnung ansteuerbar und derart bestrombar und die zweite Spulenanordnung beliebiger Kommutierungsfolge anzusteuern.
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Die Druckschrift
EP 1 052 769 A2 offenbart einen Motor mit einem Stator, der ein rotierendes Magnetfeld entsprechend der Erregung mehrerer Gruppen von Spulen erzeugt, und einem Rotor, der durch das rotierende Magnetfeld des Stators rotiert, sowie einen Wechselrichter, der so angesteuer wird, dass die Summe der Klemmenspannungen der Spulen jeder der Gruppen des Stators konstant ist.
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Offenbarung der Erfindung
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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, mindestens einer Gleichtaktdrossel, welche zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis und den Eingangsanschlüssen der ersten und zweiten Wechselrichter oder zwischen den Ausgangsanschlüssen der ersten und zweiten Wechselrichter und der elektrischen Maschine angeordnet ist, einer Stromwandlerschaltung, welche mit der mindestens einen Gleichtaktdrossel gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, einen zwischen den Ausgangsanschlüssen der ersten und zweiten Wechselrichter und der elektrischen Maschine fließenden Phasenstrom zu überwachen, 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. Dabei ist die Steuerschaltung dazu ausgelegt, ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal zum Ansteuern der Halbbrücken des zweiten n-phasigen Wechselrichters durch Invertieren eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignals zum Ansteuern der Halbbrücken des ersten n-phasigen Wechselrichters zu bilden.
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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, eine 2n-phasige elektrische Maschine, 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, mindestens eine Gleichtaktdrossel, welche zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis und den Eingangsanschlüssen der ersten und zweiten Wechselrichter oder zwischen den Ausgangsanschlüssen der ersten und zweiten Wechselrichter und der elektrischen Maschine angeordnet ist, und eine Stromwandlerschaltung aufweist, welche mit der mindestens einen Gleichtaktdrossel gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, einen zwischen den Ausgangsanschlüssen der ersten und zweiten Wechselrichter und der elektrischen Maschine fließenden Phasenstrom zu überwachen. 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. Das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal zum Ansteuern der Halbbrücken des zweiten n-phasigen Wechselrichters wird hierbei durch Invertieren des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals zum Ansteuern der Halbbrücken des ersten n-phasigen Wechselrichters gebildet.
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Vorteile der Erfindung
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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. Diese Auslöschung soll durch geeignete Gleichtaktunterdrückungsmaßnahmen, insbesondere mit Gleichtaktdrosseln unterstützt werden.
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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.
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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 eine Gleichtaktdrossel auf der Gleichspannungsleitung 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.
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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.
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Die Gleichtaktdrosseln können dabei vorteilhafterweise mit vergleichsweise hoher Permeabilität implementiert werden, da Sättigungseffekte und thermische Probleme aufgrund der bereits durch topologiebedingte Auslöschung der transienten Gleichtaktströme vermieden werden können. Die Gleichtaktdrosseln und die Schaltungstopologie mit der gezielten Ansteuerung der Wechselrichter wirken dabei in vorteilhafter Weise zusammen, um eine optimale Störstromdämpfung erzielen zu können.
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Gleichzeitig können die Gleichtaktdrosseln eine weitere Funktion übernehmen, nämlich die der effizienten Strommessung. Dazu können die Gleichtaktdrosseln über Messwicklungen für eine Summenstrommessung bzw. -überwachung an eine Stromwandlerschaltung angeschlossen werden. Die Stromwandlerschaltung kann dann in vorteilhafter Weise gemeinsam als ein Strommessgerät für die Überwachung der Fehlerfreiheit des Gleichtaktströme unterdrückenden Antriebssystems dienen.
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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.
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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.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems können die Leistungshalbleiterschalter der Wechselrichter jeweils MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems können n erste Gleichtaktdrosseln vorgesehen werden, welche die Phasenleitungen der Wechselrichter jeweils phasengleich untereinander koppeln. Gemäß einer dazu alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen kann eine Gleichtaktdrossel vorgesehen werden, welche alle n Phasenleitungen des ersten Wechselrichters mit den n Phasenleitungen des zweiten Wechselrichters koppelt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann die Stromwandlerschaltung einen Impedanzwandler mit einem nachgeschalteten Tiefpassfilter aufweisen. Dabei kann die Stromwandlerschaltung dazu ausgelegt sein, ein Fehlersignal auszugeben, falls der durch den Impedanzwandler und Tiefpassfilter in der Gleichtaktdrossel gemessene Summenstrom einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet.
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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 elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ein schematisches Diagramm für einen beispielhaften Spannungsverlauf einer durch eine erste Halbbrücke des ersten Wechselrichters in dem elektrischen Antriebssystem nach 1 erzeugte Phasenspannung;
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3 ein schematisches Diagramm für einen beispielhaften Spannungsverlauf einer durch eine erste Halbbrücke des zweiten Wechselrichters in dem elektrischen Antriebssystem nach 1 erzeugte Phasenspannung;
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4 ein schematisches Diagramm für einen beispielhaften Spannungsverlauf einer durch eine zweite Halbbrücke des ersten Wechselrichters in dem elektrischen Antriebssystem nach 1 erzeugte Phasenspannung;
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5 ein schematisches Diagramm für einen beispielhaften Spannungsverlauf einer durch eine zweite Halbbrücke des zweiten Wechselrichters in dem elektrischen Antriebssystem nach 1 erzeugte Phasenspannung;
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6 eine schematische Darstellung des elektrischen Antriebssystems nach 1 mit zusätzlichen Gleichtaktunterdrückungsmaßnahmen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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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.
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Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 10 mit einer sechsphasigen elektrischen Maschine 8, welche beispielsweise eine geschaltete Reluktanzmaschine oder eine Drehfeldmaschine sein kann. Die elektrische Maschine 8 weist zwei dreiphasige Wicklungsstränge 8a und 8b auf, die in ihrem Sternpunkt jeweils miteinander gekoppelt sein können. Das elektrische Antriebssystem 10 weist zudem einen ersten Umrichter bzw. Wechselrichter 7a, der an seinen Ausgangsanschlüssen 6a einen ersten der dreiphasigen Wicklungsstränge 8a der elektrischen Maschine 8 im motorischen Betrieb speist, sowie einen zweiten Umrichter bzw. Wechselrichter 7b auf, der an seinen Ausgangsanschlüssen 6b einen zweiten der dreiphasigen Wicklungsstränge 8b der elektrischen Maschine 8 im motorischen Betrieb speist.
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Der erste und der zweite Wechselrichter 7a bzw. 7b weisen dabei jeweils eine B6-Vollbrückentopologie auf, das heißt, die Wechselrichter 7a bzw. 7b weisen einen dreiphasigen selbstgeführten Wechselrichter auf, der drei symmetrische Halbbrücken B1, B2, und B3 bzw. B4, B5 und B6 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. An einem Mittelabgriff einer ersten Halbbrücke B1 des ersten Umrichters 7a ist eine erste der Phasen der elektrischen Maschine 8, an einem Mittelabgriff einer zweiten Halbbrücke B2 des ersten Wechselrichters 7a eine zweite der Phasen der elektrischen Maschine 8, und an einem Mittelabgriff einer dritten Halbbrücke B3 des ersten Wechselrichters 7a eine dritte der Phasen der elektrischen Maschine 8 gekoppelt. In analoger Weise ist an einem Mittelabgriff einer ersten Halbbrücke B4 des zweiten Wechselrichters 7a ist eine vierte der Phasen der elektrischen Maschine 8, an einem Mittelabgriff einer zweiten Halbbrücke B5 des zweiten Wechselrichters 7a eine fünfte der Phasen der elektrischen Maschine 8, und an einem Mittelabgriff einer dritten Halbbrücke B6 des zweiten Wechselrichters 7a eine sechste der Phasen der elektrischen Maschine 8 gekoppelt.
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Die Phasen der elektrischen Maschine 8 sind so angeordnet, dass die sechsphasige elektrische Maschine 8 zwei dreiphasige Wicklungssätze 8a und 8b jeweils entgegengesetzter Polarität aufweist, das heißt, dass je zwei der Wicklungen antiparallel zueinander angeordnet sind.
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Für die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter H1 bis H6 beider Wechselrichter 7a und 7b kann eine Steuerschaltung 5 eingesetzt werden, welche beispielsweise auf einer gemeinsamen Steuerplatine mit den Wechselrichtern 7a und 7b implementiert werden kann.
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Die Wechselrichter 7a und 7b werden aus einem Gleichspannungszwischenkreis 2 gespeist, der wiederum durch eine Energiespeichereinrichtung 1 wie etwa eine Gleichspannungsquelle 1, beispielsweise eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs mit elektrischer Gleichspannung versorgt wird. Die Gleichspannungsquelle 1 kann dazu beispielsweise eine Serienschaltung aus Batteriemodulen 1a bis 1k aufweisen, deren Anzahl in 1 nur beispielhaft mit drei dargestellt ist – jede andere Anzahl an Batteriemodulen 1a bis 1k kann ebenso möglich sein. Weiterhin ist klar, dass auch die Anzahl der Phasen der Wechselrichter 7a und 7b von der in 1 dargestellten beispielhaften Anzahl von drei abweichen kann, je nach erforderlicher Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine 8, deren Phasenanzahl jede beliebige (gerade) Zahl annehmen kann.
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In dem Antriebssystem 10 der 1 kann die elektrische Maschine 8 beispielsweise eine Synchron- oder Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine oder ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC, „brushless DC motor“) eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs wie etwa eines Elektroautos oder eines Hybridfahrzeugs sein. Es kann dabei auch möglich sein, das elektrische Antriebssystem 10 der 1 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 Antriebssystems 10 der 1 sind Personen- oder Gütertransportfahrzeuge, welche zur Fortbewegung auf oder unter dem Wasser ausgelegt sind, beispielsweise Schiffe, Motorboote oder dergleichen.
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Die Steuerschaltung 5, welche mit dem ersten Wechselrichter 7a und dem zweiten Wechselrichter 7b gekoppelt ist, dient der Erzeugung von Ansteuersignalen für den Betrieb der Wechselrichter 7a bzw. 7b. Dabei kann die Steuerschaltung insbesondere das Prinzip der Pulsweitenmodulation nutzen, beispielsweise einer mittenzentrierten Pulsweitenmodulation, um Ansteuersignale für die einzelnen Halbbrücken B1, B2, B3 bzw. B4, B5, B6 der Wechselrichter 7a und 7b zu erzeugen. Korrespondierende Halbbrücken der Wechselrichter 7a und 7b sind dabei jeweils Halbbrücken, deren Ausgangsanschlüsse mit Phasenanschlüssen von zwei antiparellel bzw. in entgegengesetzter Polarität verschalteter Wicklungen der Wicklungssätze 8a, 8b verbunden sind. Im Beispiel der 1 sind in entgegengesetzter Polarität verschaltete Wicklungen jeweils in paarweisen Gruppen dargestellt – die beiden oberen Wicklungen sind jeweils in entgegengesetzter Polarität verschaltet, ebenso wie die beiden mittleren Wicklungen und die beiden unteren Wicklungen. Dementsprechend sind korrespondierende Halbbrücken im Sinne dieser Offenbarung die Halbbrücken B1 und B4, die Halbbrücken B2 und B5 sowie die Halbbrücken B3 und B6.
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Korrespondierende Halbbrücken werden jeweils von der Steuerschaltung 5 so pulsweitenmoduliert angesteuert, dass die durch die jeweilige Halbbrücke B1, B2 oder B3 des ersten Wechselrichters 7a erzeugte Phasenspannung Ua zu der durch die dazu jeweils korrespondierende Halbbrücken B4, B5 bzw. B6 des zweiten Wechselrichters 7b erzeugten Phasenspannungen Ub entgegengesetzt gepolt sind. Die 2 bis 5 zeigen jeweils ein schematisches Spannungs-Zeit-Diagramm für einen beispielhaften Spannungsverlauf an einer ersten oder zweiten Halbbrücke des ersten bzw. zweiten Wechselrichters 7a, 7b des elektrischen Antriebssystems 10 in 1.
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2 zeigt den beispielhaften Spannungsverlauf UB1 einer durch eine erste Halbbrücke B1 des ersten Wechselrichters 7a erzeugte Phasenspannung Ua. Diese Phasenspannung ist eine mittenzentrierten Pulsweitenmodulation unterworfen, das heißt nach einem anfänglich niedrigen Potential T–, welches zu Beginn eingestellt ist, wird mit einer ersten Schaltflanke Sa („Low-High-Schaltflanke“) das Potential von dem niedrigen Potential T– auf ein hohes Potential T+ eingestellt. Durch diesen Schaltvorgang entstehen transiente Gleichtaktströme in der der Halbbrücke B1 zugeordneten und mit dieser verbundenen Phasenleitung zur elektrischen Maschine 5. In analoger Weise wird nach Beibehaltung des hohen Potentials T+ gemäß der Vorgabe der Pulsweitenmodulation mit einer zweiten Schaltflanke Sb („High-Low-Schaltflanke“) das Potential von dem hohen Potential T+ auf das niedrige Potential T+ wieder abgesenkt. Auch durch diesen Schaltvorgang entstehen transiente Gleichtaktströme in der der Halbbrücke B1 zugeordneten und mit dieser verbundenen Phasenleitung zur elektrischen Maschine 5.
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3 zeigt den beispielhaften Spannungsverlauf UB4 einer durch eine erste Halbbrücke B4 des zweiten Wechselrichters 7b erzeugte Phasenspannung Ub. Diese Phasenspannung ist ebenfalls einer mittenzentrierten Pulsweitenmodulation unterworfen. Die Halbbrücke B4 jedoch ist eine zu der Halbbrücke B1 korrespondierende Halbbrücke, die durch die Steuerschaltung 5 so angesteuert wird, dass die Schaltflanken Sa, Sb der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbbrücke B4 mit den Schaltflanken Sa bzw. Sb der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Halbbrücke B1 zeitlich zusammenfallen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die pulsweitenmodulierte Ansteuersignale zum Ansteuern der Halbbrücken B4, B5 und B6 des zweiten Wechselrichters 7b durch Invertieren der pulsweitenmodulierten Ansteuersignale zum Ansteuern der Halbbrücken B1, B2, und B3 des ersten Wechselrichters 7a gebildet werden.
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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.
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In ähnlicher Weise zeigen die 4 und 5 schematische Diagramm für beispielhafte Spannungsverläufe von durch korrespondierende Halbbrücken B2 und B5 des ersten bzw. zweiten Wechselrichters 7a, 7b in dem elektrischen Antriebssystem 10 nach 1 erzeugte Phasenspannungen Ua und Ub. Hierbei ist durch die mittenzentrierte Pulsweitenmodulation jeweils eine geringere Dauer der die Phasenspannungen erzeugenden Pulse vorgesehen. Durch geeignete Staffelung der Pulsweitenmodulation in allen der n Halbbrücken der Wechselrichter 7a und 7b kann eine n-phasige Wechselspannung in den Phasenleitungen der elektrischen Maschine 8 bereitgestellt werden, wobei jeweils zwei der Phasenspannungen paarweise invertiert gebildet werden.
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Jeder Schaltflanke Sa bzw. Sb, die in dem ersten Wechselrichter 7a erzeugt wird, steht eine invertierte und zeitlich mit der jeweils betrachteten Schaltflanke Sa bzw. Sb des ersten Wechselrichters 7a zusammenfallende Schaltflanke Sa bzw. Sb in dem zweiten Wechselrichter 7b entgegen. Die jeweils resultierenden transienten Gleichtaktströme löschen sich daher in den Phasenleitungen und damit auch in der elektrischen Maschine 8 gegenseitig aus. Der Gleichtaktstörstrom wird somit jederzeit auf Null oder zumindest auf sehr niedrigem Niveau gehalten. Zur vollständigen Eliminierung der transienten Gleichtaktströme ist es notwendig symmetrische Maschinenstreugrößen und gleiche Streukapazitäten sicherzustellen. Dies kann in der Auslegung der 2n-phasigen elektrischen Maschine 8 berücksichtigt werden.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 10 mit einer sechsphasigen elektrischen Maschine 8, die durch einen ersten und einen zweiten Wechselrichter 7a bzw. 7b im motorischen Betrieb gespeist wird. Insbesondere kann das elektrische Antriebssystem 10 der 7 alle Merkmale des im Zusammenhang mit den 1 bis 5 erläuterten elektrischen Antriebssystems 10 aufweisen.
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In dem elektrischen Antriebssystem 10 ist es trotz der erfindungsgemäßen Ansteuerung nicht vollständig auszuschließen, dass sich die Gleichtaktstörströme vollkommen kompensieren lassen. Beispielsweise können Bauteiltoleranzen bei den Leistungshalbleiterschaltern H1 bis H6 und/oder bei den Gatetreibern für diese Leistungshalbleiterschalter H1 bis H6, Jitter in der Ansteuerung, bedingt durch unterschiedliche Ansteuersignallaufzeiten oder die Spannungsumsetzung, unsymmetrische Streugrößen in den HV-Zuleitungen oder den Leistungshalbleiterschaltern H1 bis H6 sowie unterschiedliche Schaltverhalten der Leistungshalbleiterschalter H1 bis H6 dazu führen, dass residuale Gleichtaktstörströme nach wie vor auftreten.
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Um den Grad der Störstromdämpfung noch weiter zu erhöhen, können Gleichtaktdrosseln an geeigneten Positionen nach den Anschlüssen der Wechselrichter 7a, 7b vorgesehen werden. Zum Beispiel kann, wie in 7 beispielhaft illustriert, eine Gleichtaktdrossel 3 vorgesehen werden, welche alle n Phasenleitungen des ersten Wechselrichters 7a mit den n Phasenleitungen des zweiten Wechselrichters 7b koppelt.
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Zusätzlich oder alternativ dazu können auch mehrere (nicht explizite dargestellte) Gleichtaktdrosseln auf den Zuleitungen zwischen den Ausgangsanschlüssen 6a, 6b der Wechselrichter 7a, 7b zu den Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine 8 aufgebracht werden. Diese Gleichtaktdrosseln koppeln die Phasenleitungen der Wechselrichter 7a, 7b jeweils phasengleich untereinander, so dass die Gleichtakt auslöschenden Phasen noch weiter in der Störstromunterdrückung unterstützt werden können.
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In beiden Fällen können die Gleichtaktdrosseln an eine Stromwandlerschaltung angeschlossen werden. Dazu können Sekundärwicklungen auf die Kerne der Gleichtaktdrosseln aufgebracht werden, über die mithilfe einer Stromwandlerschaltung der zwischen den Ausgangsanschlüssen 6a, 6b der ersten und zweiten Wechselrichter 7a, 7b und der elektrischen Maschine 8 fließenden Phasenstrom überwacht werden kann. Im Falle einer einzelnen Gleichtaktdrossel 3 kann die Stromwandlerschaltung dazu genutzt werden, alle 2n Phasen gemeinsam zu überwachen. Im alternativen Fall von je n phasengleich koppelnden Gleichtaktdrosseln können die jeweils konkurrierenden Phasen separat überwacht werden.
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Die Stromwandlerschaltung kann dabei – wie exemplarisch in 7 dargestellt – einen Impedanzwandler 4a mit einem nachgeschalteten Tiefpassfilter 4b aufweisen. Der Impedanzwandler sollte dabei möglichst hochohmig sein, um die Störstromunterdrückung der Gleichtaktdrossel(n) nicht zu beeinträchtigen. Mit dem Tiefpassfilter können die nicht relevanten transienten Spannungspulse aus dem Überwachungssignal herausgefiltert werden, um ein Fehlersignal auszugeben, falls der durch den Impedanzwandler 4a und Tiefpassfilter 4b in der Gleichtaktdrossel bzw. den Gleichtaktdrosseln gemessene Summenstrom einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet.
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Einer der Vorteile der Nutzung von Gleichtaktdrosseln als Messdrosseln für Summenstromwandler ist die Reduktion der notwendigen Strommesseinrichtungen. Im Gegensatz zur Strommessung jeder einzelnen der 2n Phasen kann die Anzahl der Strommesseinrichtungen auf mindestens die Hälfte gesenkt werden.
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Die Gleichtaktdrosseln können stromkompensierte Drosseln (CMCs, „common mode chokes“) mit einer Vielzahl gleicher Wicklungen sein, die in den jeweils gekoppelten Stromleitungen gegensinnig durchflossen werden. Dadurch entstehen magnetische Felder im Kern der Drossel, die sich gegenseitig aufheben und so zur Dämpfung von gleichsinnigen Gleichtaktstörströmen beitragen. Für diese Gleichtaktdrosseln spielen thermische Probleme im Vergleich zu CMCs über Phasenleiter hinweg eine untergeordnete Rolle, da die erfindungsgemäße Ansteuerung der Wechselrichter 7a, 7b bereits eine intrinsische Vordämpfung der Störströme bewirkt. Der Grad der Vordämpfung kann in Systemen mit Arbeitsfrequenzen von bis zu 3 MHz im Bereich von bis zu 40 dB liegen. Die Gleichtaktdrosseln können deshalb eine sehr hohe Permeabilität und damit sehr hohe Längsimpedanzen aufweisen, ohne dass thermische Probleme oder Sättigungseffekte auftreten können.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems, insbesondere eines elektrischen Antriebssystems 10, wie im Zusammenhang mit den 1 bis 5 erläutert. Das Verfahren 20 kann dabei durch die Steuerschaltung 5 bei der Genererierung von pulsweitenmodulierten Ansteuersignalen für die Umrichter 7a bzw. 7b des elektrischen Antriebssystems 10 in 1 bzw. 7 implementiert werden.
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In einem ersten Schritt 21 erfolgt ein Ansteuern 21 der Halbbrücken B1, B2 und B3 des ersten Wechselrichters 7a mit einem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal zum Erzeugen von ersten Phasenspannungen Ua. In einem zweiten Schritt 22 erfolgt ein Ansteuern 22 der Halbbrücken B4, B5 und B6 des zweiten Wechselrichters 7b mit einem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal zum Erzeugen von zweiten Phasenspannungen Ub. Die ersten Phasenspannungen Ua sind dabei zu den zweiten Phasenspannungen Ub entgegengesetzt gepolt. Die Ansteuersignale können dabei so erzeugt werden, dass das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal zum Ansteuern der Halbbrücken B4, B5, B6 des zweiten Wechselrichters 7b durch Invertieren des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals zum Ansteuern der Halbbrücken B1, B2, B3 des ersten Wechselrichters 7a gebildet wird. Dadurch kann erreicht werden, dass die Schaltflanken Sa bei der Ansteuerung des ersten Wechselrichters 7a jeweils mit den Schaltflanken Sb bei der Ansteuerung des zweiten Wechselrichters 7b zeitlich zusammenfallen, das heißt, dass korrespondierende Halbbrückenpaare des ersten und zweiten Wechselrichters 7a, 7b jeweils zur selben Zeit geschaltet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0071970 A1 [0006]
- DE 102011013885 A1 [0007]
- EP 1052769 A2 [0008]
