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Aufbau eines Motor/Generators mit zugehöriger Leistungselektronik für die kontrollierte Versorgung eines Zweispannungsbordnetzes mit Leistung.
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Stand der Technik
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Einspannungsbordnetze wie im PKW-Bereich das 12V Bordnetz oder im LKW-Bereich das 24V Bordnetz sind hinlänglich bekannt. Des Weiteren gibt es in vielen Anwendungen von Einspannungsbordnetzen im Niedervoltbereich. Weitere Anwendungen sind beispielsweise:
- • Landwirtschaftliche Maschinen (z.B. Traktoren)
- • Motorräder
- • Baumaschinen
- • UTV’s (Utiltiy Task Vehicle)
- • ATV (All Tarain Vehicle)
- • Segel- und Motorboote
- • Wohnmobile
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Zusammengefasst finden Einspannungsbordnetze im Niedervoltbereich im Wesentlichen in mobilen Geräten Anwendung.
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Zur Versorgung der Einspannungsbordnetze werden verschiedenste Generatortechnologien eingesetzt. Aus dem PKW und LKW Bereich ist beispielsweise die Klauenpolmaschine (Synchronmaschine mit Erregerwicklung) bekannt. Seit der Einführung von Riemen-Starter-Generatoren im PKW-Bereich werden diese
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Maschinen mit aktiven Brückengleichrichtern betrieben, wie es u.a. aus
WO 2013/131680 A1 vorbekannt ist.
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Im ATV/UTV Bereich findet man auch permanenterregte Synchronmaschinen, die mit einer Thyristorschaltung, wie sie z.B. aus
US 8,681,521 B2 vorbekannt ist, geregelt und betrieben werden.
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In allen Fällen ist der Aufbau Generator/Motor und Stromrichter auf die Versorgung von einem einzigen Stromkreis bezogen.
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Da die Leistungsfähigkeit der aktuellen Einspannungsbordnetze, welche häufig ein 12V oder 24V Spannungsniveau haben, mit dem steigenden Energieverbrauch in den Fahrzeugen langsam an ihre Grenzen kommen, führen die Autobauer derzeit das sog. 48V-Bordnetz ein. In einer Veröffentlichung des ZVEI-Zentralverband Elektrotechnik und Elektronikindustrie e.V. mit dem Titel „48-Volt-Bordnetz – Schlüsseltechnologie auf dem Weg zur Elektromobilität“ werden die Gründe und die Ausführungsformen des 48V Bordnetzes näher erläutert. Da sehr viele Verbraucher mit geringem Strombedarf in 12V vorhanden und bereits fertig entwickelt sind, macht die komplette Umstellung auf 48V jedoch wenig Sinn. Es wird sich daher statt dem 48V Bordnetz ein Zweispannungsbordnetz mit 12V und 48V etablieren. Hierbei setzen die Autobauer auf ein Bordnetz mit einem 48V Starter/Generator mit Inverter und einem DC/DC-Wandler zwischen den beiden Spannungsebenen, welcher die 12V Verbraucher und die 12V Batterie mit Energie versorgt. In manchen Fällen ist dieser DC/DC-Wandler als bidirektionaler DC/DC-Wandler ausgeführt und kann somit in speziellen Betriebssituationen das 48V Bordnetz mit Leistung aus der 12V Batterie versorgen.
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Die Energie, welche im 12V Bordnetz benötigt wird, gelangt somit über die unnötig lange Wirkungsgradkette 48V-Generator, 48V-Inverter, DC/DC-Wandler in das 12V Bordnetz und belastet zusätzlich den 48V Kabelbaum. Dieser könnte evtl. kleiner dimensioniert werden, wenn er nicht auch die 12V Versorgung übernehmen müsste. Einen zweiten Generator für 12V anzubauen ist ebenfalls sehr aufwändig und aufgrund der Zusatzkosten nicht darstellbar. Allerdings würde man sich dann den Einbau des DC/DC-Wandlers ersparen.
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Aus den ATV’s und UTV’s ist bekannt, dass sich Endnutzer tatsächlich einen zweiten Generator anbauen, um letztlich ausreichend Generatorleistung für diverse Anbaugeräte zu bekommen. Insbesondere umgerüstete UTV’s und ATV’s erfordern dies, da mehr Leistung für elektronische Geräte benötigt wird. Die Abgabeleistung des Standard-Generators ist hier häufig nicht ausreichend, da die Leistung physikalisch durch die Spannungsebene von 12V begrenzt ist.
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Zudem werden bei Off-Road-Fahrzeugen (ATV, UTV, Landwirtschaftliche Maschinen, etc.) und im Camping-Bereich (Wohnmobile) für größere Leistungen Stromgeneratoren eingesetzt, die durch einen weiteren Verbrennungsmotor (1-Zylinder) angetrieben werden. Mit dem Verbrennungsmotor wird ein Generator und Inverter angetrieben, um Leistungen von typischerweise 1kW bis 2kW für handelsübliche Geräte auf der Basis 110V/220V Wechselspannung zu erzeugen (z.B. Honda Inverter Generator EU2000i). Derartige portable Geräte sind sehr teuer. Einfacher wäre es, eine derartige Spannung durch das Bordnetz des Fahrzeuges bereitzustellen. Bei Niederspannungsbordnetzen bis 60V könnten Leistungen bis zu ca. 10 KW abgedeckt werden. Eine Umstellung des Bordnetzes nur für diesen Bedarf ist jedoch zu aufwändig.
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Im Camping-Bereich werden Solarmodule eingesetzt, die ebenfalls Verbraucher mit Strom versorgen können und die Batterie z.B. eines Wohnmobiles damit zu entlasten. Dazu muss jedoch ein Speicher miteingesetzt werden, da verändernde Wetterbedingungen keinen kontinuierlich konstanten Strom liefern können.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Motor/Generatorkonzept zu entwickeln, welches es ermöglicht in einem sog. Zweispannungsbordnetz oder Mehrspannungsbordnetz mehrere bzw. beide Kreise kontrolliert mit Energie zu versorgen, Energie zu entnehmen, Energie durch Transformation zu verschieben und aufbauend auf dem Motor/Generatorkonzept vereinfachte Bordnetze mit niedrigeren Kosten zu gestalten.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäße mit einem Bordnetz mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die elektrische Maschine, welche wahlweise nur als Generator oder aber auch als Motor/Generator verwendet werden, mit mindestens zwei galvanisch voneinander getrennten Wicklungssystemen auszubilden. Hierdurch ergeben sich vorteilhaft viele zusätzliche Einsatzmöglichkeiten und Funktionen der elektrischen Maschine und für das Bordnetz. So kann jedes Wicklungssystem jeweils mit einem eigenen Stromrichter verbunden sein, welcher jeweils einem Verbraucherkreis zugeordnet ist. So kann jeder Verbraucherkreis eine eigene Spannungslage aufweisen. Bei zwei Wicklungssystemen ist sind somit in einfacher Weise ein Zweispannungsbordnetz mit z.B. 12V/24V oder 12V/48V realisierbar. Die Stromrichter können entweder in getrennten Gehäusen oder in einem einzigen Gehäuse angeordnet sein.
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Jeder Stromrichter kann auch als Inverter ausgebildet sein. Die Stromrichter bzw. Inverter können im Sinne der Erfindung sowohl aktive als auch passive Brückengleichrichter sein. Ebenso ist die im Stand der Technik beschriebene Thyristorschaltung denkbar und somit jede Art von Leistungselektronik welche im Stande ist eine Wechselspannung in eine Geleichspannung zu wandeln. Für den Grundgedanken ist es unwesentlich, ob der Motor/Generator eine Sternschaltung oder eine Dreieckschaltung enthält. Typischerweise wird ein 3-phasiger bürstenloser Gleichstrommotor eingesetzt, wobei jeder Motor/Generatoranschluss jeweils 3-phasig ausgeführt ist. Anstatt 3-phasigen Wicklungen sind Motoren/Generatoren mit 2-phasigen bzw. mehrphasigen Wicklungen ebenso denkbar. Auch kann die elektrische Maschine eine permanenterregte Synchronmaschine, eine fremderregte Synchronmaschine, eine permanenterregte Synchronmaschine mit zusätzlicher Fremderregung, eine Reluktanzmaschine und in Einschränkungen auch eine Asynchronmaschine sein.
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Durch die Versorgung eines Zwei-Spannungsbordnetzes aus einem Generator mit zwei getrennten Stromrichtern stehen die nachfolgend aufgeführten Optionen zur Verfügung:
- • Leistungssteigerung des Motor/Generators durch gleichzeitigen Betrieb des Generators bei unterschiedlichen Niederspannungen (z.B. 12V + 48V bzw. 12V + 24V). Der Betrieb bei mit zwei Ausgangsspannungen kann mehr Leistung liefern als ein Generator, der nur auf das Niedrigspannungsniveau 12V ausgelegt ist;
- • Vermeidung der Verluste der Versorgung des zweiten Bordnetzes bzw. Verbraucherkreises über einen DC/DC-Wandler (z.B. 12V Versorgung über DC/DC-Wandler aus dem 48V-Netz) durch bedarfsgerechte Versorgung beider Bordnetze über den Generator;
- • Vereinfachte Realisierung eines geeigneten Bordnetzes mit direkten Steckdosenanschluss für handelsübliche Geräte über einen DC/AC-Wandler (z.B. 24V/48V -> 110V/220V an den Generator zur Versorgung externer Verbraucher;
- • Nutzung der elektrischen Maschine als Transformator anstatt eines DC/DC-Wandlers zur Energieverschiebung von einem Bordnetzspeicher in den Bordnetzspeicher des anderen Bordnetzes (12V -> 48V, 48V -> 12V) bzw. Aufteilung der Leistung einer externen Stromversorgung 220V/110V über den AC/DC-Wandler und den Generator;
- • Redundanz der Stromversorgung bei Ausfall eines Stromrichters bzw. Inverters mit vorzugsweiser Nutzung eines kleinen DC/DC-Wandlers zur Notversorgung der nicht versorgten zweiten Spannungsebene;
- • Nutzung der Vorteile der unterschiedlichen Leistungen der als Generator betriebenen elektrischen Maschine mit beiden Spannungsebenen für eine maximierte Rekuperationsleistung im Vergleich zu einem 12V-Generator bzw. bedarfsgerechte Rekuperation in die Speicher abhängig vom jeweiligen Ladezustand;
- • Maximierung der Starter/Booster-Leistung des Motor/Generators durch Nutzung von zwei Spannungsebenen;
- • Downsizing eines DC/DC-Wandlers durch Nutzung der Flexibilität der optimierten Energieversorgung beider Kreise, d.h. Nutzung DC/DC-Wandler nur für Notbetriebsfunktion ohne laufenden Verbrennungsmotor.
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Durch die o.g. Funktionen können u.a. folgende Bordnetzkonfigurationen vorteilhaft umgesetzt werden:
- System 1: Aufbau eines kostengünstigen Zwei-Spannungsbordnetzes mit Anschluss vorzugsweise eines bidirektionalen DC/AC-Wandlers an einen Verbraucherkreis bzw. den Stromrichter, welcher an das Wicklungssystem der elektrischen Maschine mit der höheren Spannungsebene (24V/48V) angeschlossen ist, um die Versorgung externer Verbraucher über eine Steckdose, siehe 3a, mit Wechselspannung 110/220V zu ermöglichen.
- System 2: Wie System 1, mit dem Unterschied, dass zusätzlich über den Verbraucherkreis mit höherer Spannungsebene (24V/48V) ein Energiespeicher und/oder mindestens ein Verbraucher versorgt wird – siehe 3b.
- System 3: Aufbau eines kostengünstigen Zwei-Spannungsbordnetzes mit Verbrauchern und Speichern in der jeweiligen Spannungsebene bzw. dem jeweiligen Verbraucherkreis durch Leistungssteigerung eines bestehenden 12V-Generators durch 2 × 3-Phasenanschlüsse und Modifikation des Stators und evtl. des Rotors und Verzicht bzw. Downsizing eines DC/DC-Wandler – siehe 3c.
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System 1 stellt die einfachste Ausführungsform eines elektrischen Systems mit der erfindungsgemäßen Nutzung von 2 Stromrichtern einer elektrischen Maschine mit zwei Wicklungssystemen für unterschiedliche Spannungsebenen dar. Dieses System kann sinnvoll z.B. bei Off-road-Fahrzeugen eingesetzt werden, um für die Nutzung von 110V/220V-Wechselstrom Verbrauchern einen sonst notwendigen separaten Strom-Generator (z.B Honda) zu ersetzen. Dazu muss der Verbrennungsmotor des Fahrzeuges, der den Generator antreibt, betrieben werden. Der Anschluss des DC/AC-Wandlers an die 24V/48V-Ebene hat den Vorteil, dass der Wirkungsgrad höherer ist als bei 12V und dass der Generator insgesamt mehr Leistung liefert. Sofern das Fahrzeug bei niedrigen Drehzahlen betrieben wird, ist das Betriebsgeräusch akzeptabel und vergleichbar mit einem mobilen Stromerzeuger, z.B. Honda EU2000i. Insbesondere bei ATV/UTV ist die Nutzung des Fahrzeuges als Stromquelle kaum einschränkend.
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Wird der DC/AC-Wandler bidirektional ausgeführt, siehe 3a, Variante B, kann über eine externe Stromquelle sogar die 12V-Batterie geladen werden, wobei die elektrische Maschine in diesem Fall als Transformator eingesetzt wird. Dies hat den Vorteil, dass die 12V-Batterie extern über einen Anschluss geladen und auch schwer zugänglich verbaut werden kann.
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System 2 stellt eine weitere mögliche Ausbauform dar, in der das zweite Bordnetz bzw. der zweite Verbraucherkreis zusätzlich einen Speicher, z.B. Batterie, und optional Verbraucher aufweist. Mit dieser Erweiterung können Verbraucher welche über DC/AC-Wandler an der Steckdose hängen nur durch die Batterie des gleichen Verbraucherkreises versorgt werden, wodurch ein Betrieb des Generators im Stillstand vermieden werden kann. Ist der Ladezustand der Batterie niedrig, wird der Verbrennungsmotor zugeschaltet. Ebenfalls kann der Verbrennungsmotor zugeschaltet werden, um externe Verbraucher mit höherem Leistungsbedarf zu versorgen und damit Spitzenlasten abzudecken. Die Batterien können während des Betriebs des Fahrzeuges auch sinnvollerweise geladen werden, so dass bei Stillstand immer eine volle bzw. weitestgehend geladene Batterie für den Anschluss von externen Verbrauchern zur Verfügung steht. Zudem kann der DC/AC-Wandler in einer bidirektionalen Ausführung dazu genutzt werden, um beide Speicher beider Verbraucherkreise zu laden, wobei der eine Speicher direkt und der zweite Speicher über die als Transformator arbeitende elektrische Maschine geladen wird. Dies bietet gegenüber aktuellen Systemen noch mehr Komforteigenschaften, da mit einem externen Anschluss das gesamte Bordnetz geladen werden kann. Im Ladebetrieb und bei der Nutzung der elektrischen Maschine als Transformator ist ein Betrieb des Verbrennungsmotors nicht zwingend erforderlich.
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System 2 stellt ein komfortables Bordnetz, insbesondere für Off-road-Fahrzeuge und Wohnmobile dar, da bei Betrieb im Stillstand immer ausreichend Energie zur Verfügung steht. Durch die Nutzung des Verbrennungsmotors zum Laden bietet das System eine weitestgehend autarke Energieversorgung. Mit fortschreitender Entwicklung der Batterietechnik steigt zudem die Energiedichte von Batterien, so dass das System weiter an Vorteilen gewinnt.
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System 3 stellt eine weitergehende Ausbaustufe des Bordnetzes dar, wie es typischerweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird. Dort macht es Sinn, die zweite Spannungsebene auf die Obergrenze des Niederspannungsbereiches zu erhöhen (< 60V, d.h. typischerweise 48V) und Verbraucher in beiden Bordnetzen vorzusehen. So werden im 48V-Netz Hochstromverbraucher, wie z.B. Lenkung, Klimaanlage, etc., angeschlossen und im Niederspannungs-Verbraucherkreis Niederspannungsverbraucher, wie z.B. Beleuchtung, Radio, etc.. Der Anschluss eines AC/DC-Wandlers ist dabei optional (E-Fahrzeuge, Plug-In-Hybride). Das System wird dabei vorteilhaft genutzt, um ein optimales Energiemanagement zu realisieren und indem die elektrische Maschine im Generatorbetrieb beide Bordnetze bzw. Verbraucherkreise bedarfsgerecht mit Energie versorgt. Durch das optimierbare Energiemanagement bzw. Batterielademanagement, welches zentral von den beiden Invertern übernommen werden kann, ist es möglich auf den DC/DC-Wandler zu verzichtet, bzw. diesen sehr kostengünstig und klein für den Notbetrieb auszuführen. Zudem kann die elektrische Maschine als Transformator genutzt werden, um Energie von einem Verbraucherkreis in den anderen Verbraucherkreis zu verschieben. Auch können beide Spannungsebenen zum Betrieb der elektrischen Maschine als Motor genutzt werden, z.B. zum Starten des Verbrennungsmotors bzw. Boosten im Fahrbetrieb, wodurch eine Erhöhung der Beschleunigungsleistung des Fahrzeugs erreicht wird.
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Die Leistungssteigerung sowie die flexible Gestaltung durch Nutzung von vorzugsweise 2 × 3 Phasen in der elektrischen Maschine wird wie folgenden erläutert physikalisch realisiert.
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Am Beispiel einer Synchronmaschine mit Sternschaltung und einer 3-phasigen Wicklung resultieren durch das Auftrennen in zwei getrennte Kreise zwei getrennte Sternschaltungen (im Folgenden Wicklungssystem 1 und Wicklungssystem 2 genannt) mit insgesamt 6 Phasenanschlüssen zu den beiden Stromrichtern bzw. Invertern – je 3 pro Inverter.
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Nun könnte man annehmen, dass sich durch die Auftrennung in die zwei Wicklungssystem die Leistungsfähigkeit jedes einzelnen halbiert, wenn man davon ausgeht, dass beide Wicklungssystem genau das halbe Wickelfenster erhalten, was nicht zwingend erforderlich ist, da auch Wickelfensteraufteilungen im Verhältnis 1:n denkbar sind. Solange man allerdings darauf achtet, dass jedes der zwei Wicklungssysteme vollen Zugriff auf den gesamten Magnetkreis der elektrischen Maschine (Motor/Generator) hat und diesen bis in den Sättigungsbereich hinein aussteuern kann, ergibt sich für jeden Wicklungskreis als Nachteil lediglich, dass er nur noch die Hälfte des Wickelfensters nutzen kann und damit die Kupferverluste steigen.
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Wenn nun ein Wicklungssystem alleine den gesamten Magnetkreis aussteuern soll, hat es in diesen Betriebspunkt natürlich einen schlechteren Wirkungsgrad, als ein Motor/Generator mit einer Standardwicklung. Ein Wicklungssystem des zwei-kreisigen Motor/Generators kann somit im Generatorbetrieb nicht nur die halbe Leistungsabgabe eines Motor/Generators mit Standardwicklung erzielen, sondern bei einer angenommen Wirkungsgradverschlechterung durch die erhöhten Kupferverluste von 85% auf 70% immerhin noch 82% davon erreichen.
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Steuern nun beide Wicklungssysteme den Magnetkreis zu gleichen Teilen aus, so erhält man auf das Gesamtsystem gesehen wieder genau den Wirkungsgrad, den ein Motor/Generator mit Standardwicklung auch erzielen würde. Voraussetzung hierfür ist, dass man den gleichen Füllfaktor erzielt.
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Da aufgrund der zwei Wicklungssystem, bei gleicher Windungszahl jeder Kreis nur noch die halbe induzierte Spannung sieht, kann der Motor/Generator im Grunddrehzahlbereich nun doppelt so hohe Drehzahlen fahren, was auch einer Leistungsverdoppelung gleich kommt.
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In einer Ausführung könnte man diese zusätzlich gewonnene Freiheit dafür nutzen, die Anzahl der Windungen pro Zahn zu verdoppeln und dadurch die Phasenströme zu halbieren. Dies reduziert dann die Verluste in der Leistungselektronik und in den Zuleitungen und führt daher zu einem besseren Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Darauf basierend wäre natürlich auch ein Downsizing der Stromrichter bzw. Inverter und des Kabelbaums denkbar. Da die Leistungshalbleiter im Stand der Technik mittlerweile auch bei hohen Phasenströmen nur noch sehr geringe Verluste haben, verschwindet dieser Vorteil mit fortschreitender Halbleiterentwicklung allerdings zunehmend.
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Gesamt kann somit festgehalten werden, dass der vorgestellte Ansatz abhängig von den Auslegungsprioritäten eine erhöhte Leistungsabgabe und bzw. oder einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht. Jeder Wicklungskreis für sich alleine kann dabei in der Zeit in der der jeweilige andere Kreis bei geringerer Leistung betrieben wird, seine Leistungsabgabe weit über die Hälfte der Abgabe eines Motor/Generators mit Standardwicklung erhöhen.
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Für den Betrieb der Stromrichter bzw. Inverter ist es dabei wichtig, dass diese gegenseitig über die aktuelle Betriebssituation des jeweils anderen Bescheid wissen. Hierfür sollte entweder eine geeignete Schnittstelle implementiert werden oder die Ansteuerung der beiden Stromrichter bzw. Inverter erfolgt zentral von einer Steuereinheit aus. Hintergrund ist die Tatsache, dass die Phasenlage des einen Wicklungssystems mit Stromrichter/Inverter auch die Gesamtphasenlage im Statorfeld der elektrischen Maschine beeinflusst. Dies muss in der jeweiligen Ansteuerung der Stromrichter-Endstufen berücksichtigt werden. Sollte die vorbeschriebene elektrische Maschine wie vorerwähnt als Transformator eingesetzt werden, ist ohnehin eine Abstimmung der Betriebssituation von beiden Stromrichtern notwendig. Dies muss dann von einer höheren Instanz im Softwareverbund vorgegeben werden.
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Grundsätzlich macht der beschriebene Ansatz nur dann Sinn, wenn man über die Versorgung eines Zweispannungsbordnetzes nachdenkt, hohe Leistungen erzielen will oder Redundanzanforderungen eine Rolle spielen, was beispielsweise beim oben erwähnten 48V-Bordnetz im PKW vorliegt. Hier würde man den DC/DC-Wandler signifikant verkleinern (nur Notbetrieb) bzw. komplett einsparen, müsste dafür allerdings den Inverter für die 12V Linie zusätzlich vorsehen. Der Stromrichter für die 48V-Versorgung könnte dabei etwas verkleinert werden. Im Gesamten wäre die Wirkungsgradkette verbessert. Die Wirkungsgradverluste für die Energiewandlung im DC/DC-Wandler würden somit komplett entfallen. Der Energiefluss für das 12V Bordnetz würde den 48V Kabelbaum und auch die 48V-Batterie, welche auch Lade- und Entladewirkungsgrade aufweist, nicht mehr belasten. Möglicherweise könnte man sogar die Querschnitte des 48V Kabelbaumes reduzieren und somit Gewicht einsparen.
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Sobald sich ein derartiger Bordnetzaufbau etabliert hat, kann man den Startvorgang und den Boostvorgang zur Unterstützung der Beschleunigungsleistung des Fahrzeugs jeweils mit der Leistung aus zwei Bordnetzen vornehmen, nicht wie bisher nur mit dem 12V Bordnetz oder nur mit dem 48V Bordnetz. Dazu müsste dann das 12V Bordnetz innerhalb des Zweispannungsbordnetzes wieder mit einer leistungsfähigeren Batterie ausgestattet werden. Die höhere Rekuperationsfähigkeit und die höhere Boostleistung, die ja letztlich nur fiktiv einem 48V + 12V = 60V Bordnetz entsprechen, könnten den Einsatz einer leistungsfähigeren 12V Batterie mit Bezug auf den geringeren CO2-Verbrauch allerdings rechtfertigen.
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Nachfolgend werden einige mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bordnetzes anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Figurenbeschreibung
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Es zeigen:
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1: Blockschaltbild für die Versorgung eines Zweispannungsbordnetzes über einen Generator mit 2 Wicklungskreisen und angeschlossenen Invertern
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2a: Ausführungsbeispiel für einen Generator mit zwei Wicklungskreisen am Beispiel eines Motor/Generators mit 12 Nuten und 10 bzw. 14 Polen.
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2b: Unsymmetrische Aufteilung des Wickelfenster auf zwei Wicklungskreise am Beispiel einer Einzelzahnwicklung
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3a: Blockschaltbild zur Ausführung eines Zweispannungsbordnetzes mit
- • einem Motor/Generator welcher zwei Wicklungskreise enthält
- • je einem Stromrichter bzw. Inverter
- • Energiespeicher
- • Verbraucher
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3b: Erweiterung des Konzepts aus 3a um
- • einen Speicher
- • Verbraucher
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3c: Erweiterung des Konzepts aus 3b um einen DC/DC-Wandler um Energieflüsse aus der Spannungsebene U2 in die Spannungsebene U2 und zurück zu ermöglichen
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Die 1 zeigt ein Blockschaltbild für die Versorgung eines Zweispannungsbordnetzes mit zwei DC Spannungslevel (U1) und (U2). Dargestellt ist eine elektrische Maschine, welche nachfolgend als Motor-Generator (M/G) bezeichnet wird und vorzugsweise als permanenterregte Synchronmaschine ausgeführt ist, welche zwar nur einen Rotor aber zwei getrennte Wicklungssysteme WK1 und WK2 aufweist.
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Über die Phasenanschlüsse 1 und 2 die hier 3-phasig dargestellt sind, werden die Wicklungssysteme WK1 und WK2 mit den Stromrichtern IN1 und IN2 verbunden. Der Energiefluss im Generatorbetrieb geht somit abgehend von der Antriebswelle des Motor/Generators über die Wicklungssysteme, die Phasenanschlüsse und die Stromrichter in die Verbraucherkreise U1, U2 mit den unterschiedlichen DC-Spannungsleveln. Im Motorbetrieb verläuft der Energiefluss in umgekehrter Richtung. Die Fahrzeugmasse 3 kann für beide Verbraucherkreise galvanisch verbunden sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Masseanschlüsse der beiden Verbraucherkreise U1 und U2 galvanisch voneinander getrennt sind.
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Um den Leistungsfluss optimal regeln zu können, ist es wichtig, dass die Stromrichter IN1, IN2 über die Betriebssituation des jeweils andern Stromrichters und damit des Teilmotors bzw. Wicklungssystems Bescheid wissen. Dafür ist eine geeignete Kommunikationsschnittstelle 4 vorgesehen. Über diese bidirektionale Schnittstelle 4 tauschen die Stromrichter Informationen zur aktuellen Phasenlage bzw. am Beispiel der Synchronmaschine die Anteile des momentenbildenden Phasenstroms und des feldschwächenden Phasenstroms aus. Diese Information ermöglicht es den Stromrichtern bzw. Invertern die jeweilige Betriebssituation bestmöglich einzuregeln.
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Die 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine elektrische Maschine mit zwei Wicklungssystemen.
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Links ist ein Schnitt des Stators dargestellt, welcher 12 Zähne bzw. Nuten Z1 bis Z12 aufweist. Der Rotor könnte hier beispielsweise 10 oder 14 Pole aufweisen.
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Im Folgenden wird beschrieben wie man zwei getrennte Wicklungssysteme in einer elektrischen Maschine realisiert. Eine Bedingung ist, dass beide Wicklungssysteme WK1 und WK2 vollen Zugriff auf den gesamten Magnetkreis haben sollten. Dies ist notwendig da ansonsten die Leistungsfähigkeit und Effizienz des Systems nicht gegeben ist.
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Ein erster Ansatz, welcher in 2a nicht dargestellt ist, besteht darin, die Wicklungen bifilar auszuführen und die Enden der Wicklungen nicht wie üblich zu verbinden sondern den einzelnen Wicklungssystemen zuzuführen. Nachteilig ist hier, dass man mit einer bifilaren Wicklung nicht bei jeder Wickeltechnik den Füllfaktor einer monofilaren Wicklung erreicht. Auch ist die bifilare Wickeltechnik aufwendiger. Betrachtet man das Thema Wicklungskurzschlüsse, so ist bei einer bifilaren Wicklung das Risiko des Kurzschlusses der beiden Stromkreise und damit der Ausfall von beiden Spannungsebenen sehr groß.
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Ein zweiter Ansatz ist bei einer Einzelzahnwicklung die Wicklungssysteme auf die Zähne aufzuteilen wie in 2a dargestellt. Nimmt man beispielsweise einen Motor/Generator mit 12 Zähnen und 10 oder 14 Polen an, so kann man diesen mit einer 2-Schichtwicklung – jeder Zahn Z1 bis Z12 wird bewickelt – oder mit einer 1-Schichtwicklung, bei der nur jeder zweite Zahn Z1 bis Z12 bewickelt wird, ausführen. Beide Varianten arbeiten gleich effektiv und können den gesamten Magnetkreis, sofern man mit der jeweiligen Wickeltechnik den gleichen Füllfaktor erreicht, komplett aussteuern.
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In der hier vorgeschlagenen Lösung wird nun der Stator mit einer 1-Schichtwicklung – nur jeder zweite Zahn – bewickelt. Die nun bewickelten Zähne bzw. Spulen werden zu einem Wicklungssystem – Stern oder Dreieck – verschaltet und bilden das Wicklungssystem WK1. Die nun übrigen Zähne können nun wiederum als 1-Schichtwicklung ausgeführt bewickelt werden, und bilden das Wicklungssystem WK2. Beide Wicklungssysteme haben nun vollen Zugriff auf den gesamten Magnetkreis. Mit dieser Methode lässt sich der Füllfaktor von Standardwicklungen bei gleicher Wickeltechnik und geringen Zusatzaufwand stets erzeugen. Zudem besteht der Vorteil, dass die beiden Wicklungssysteme im Stator räumlich voneinander getrennt sind. Mit geeignetem Isoliermaterial kann man also einen Kurzschluss der beiden Wicklungssysteme weitgehend ausschließen.
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Diese Verteilung der Wicklungssysteme auf die Statorzähne ist auch bei vielen anderen Pol/Nut-Kombinationen möglich.
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Auf der rechten Seite in 2a sind die Wicklungssysteme WK1 und WK2 als Sternschaltung dargestellt. Hieraus ist die Zuordnung der Einzelspulen auf den Zähnen zu den Wicklungssystemen ersichtlich. Die Spulen Z1 und Z7 bilden beispielsweise eine erste Phase im Wicklungssystem WK1. Die Spulen Z3 und Z9 bilden eine weitere Phase im Wicklungssystem WK1. Zusammen mit der dritten Phase bestehend aus Z5 und Z11 und im Stern verschalter ergibt sich das gesamte Wicklungssystem WK1. Gleiches gilt analog für das Wicklungssystem WK2. Durch diese Verschaltung hat jedes Wicklungssystem den vollen Zugriff auf den gesamten Magnetkreis.
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Bei der Pol/Nut-Kombination 20/18, 16/18 oder 22/18 ist auch eine ungleichmäßige Zahnaufteilung denkbar. In diesem Fall könnte man für das erste Wicklungssystem nur jeden 3ten Zahn bewickeln und für das zweite Wicklungssystem dann die restlichen Zähne.
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Die 2b zeigt einen Teilschnitt eines Stators mit Einzelzahnwicklung und unsymmetrischer Aufteilung des Wickelfensters auf die Wicklungssysteme WK1 und WK2.
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Benötigt man für die Vorgesehene Anwendung eine ungleichmäßige Leistungsverteilung auf die zwei Spannungsebenen so kann auch über ein ungleichmäßig verteiltes Wickelfenster W1 und W2 das Problem gelöst werden. Somit würde ein Zahn SZ, der zu dem Wicklungssystem WK1 mit der höheren Leistungsanforderung gehört, ein größeres Wickelfenster W1 und der Zahn SZ, welcher dem Wicklungssystem WK2 mit der geringeren Leistungsanforderung angehört, das kleinere Wickelfenster W2 erhalten. Diese Auslegung bewirkt wie gewollt geringere Kupferverluste im Wicklungssystem WK1 und somit auch einen höheren Wirkungsgrad verglichen mit dem Wicklungssystem WK2.
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Die 3a zeigt ein Blockschaltbild für eine Ausführungsform eines Zweispannungsbordnetzes. Dargestellt ist hier zentral eine als Motor/Generator M/G betreibbare elektrische Maschine, bestehend aus einem Rotor, angebunden über die Antriebswelle AW, und einem Stator mit zwei Wicklungssystemen wie zuvor erläutert. Diese Wicklungssysteme sind hier, wie in 1 bereits dargestellt und erläutert, an die Stromrichter IN1 und IN2 angeschlossen. Stromrichter IN1 versorgt hier den Verbraucherkreis bzw. den DC-Spannungslevel U1 mit beispielsweise 12V. In diesem Verbraucherkreis U1 befinden sich ein Speicher bzw. eine Batterie S1 und Verbraucher V1, welche über den Stromrichter IN1 und dem Motor/Generator mit Energie versorgt werden.
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Links vom Motor/Generator ist die Anbindung des zweiten Verbraucherkreises U2 mit beispielsweise 24VDC oder 48VDC über den Stromrichter IN2 zu sehen. Dieser versorgt aus einem Wicklungssystem des Motor/Generators einen DC/AC-Wandler mit Energie. Somit kann ein Steckdosenanschluss mit 110V bzw. 230V Wechselspannung realisiert werden. Es wäre auch vorstellbar, dass man über den Stromrichter IN1 Energie aus dem Speicher S1 zieht, diese dem Motor/Generator zuführt, mit dem Stromrichter IN2 wieder aus dem Magnetkreis des Motor/Generators entnimmt und dem DC/AC-Wandler zuführt. Der Motor/Generator arbeitet in diesem Fall als Transformator.
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Führt man den DC/AC bidirektional, aus so besteht sogar die Möglichkeit den Speicher S1 über den Stromrichter IN2, den Motor/Generator, welcher in diesem Fall als wiederum als Transformator genutzt wird und den Stromrichter IN1 mit Energie zu versorgen bzw. zu laden.
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Für all diese Fälle ist eine gut abgestimmte Kommunikation Schnittstelle zwischen den Stromrichtern IN1 und IN2 notwendig.
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3b zeigt eine Erweiterung der 3a. Dabei wurde der Verbraucherkreis U2 um einen Speicher S2 und optional um einen bzw. mehrere Verbraucher V2 erweitert. Der Speicher S2 ermöglicht zum einen höhere Spitzenlasten im Bordnetz U2 und zudem den DC/AC-Wandler auch bei deaktiviertem Motor/Generator zu betreiben, um Energie an der Steckdose zur Verfügung zu stellen. Dies ist natürlich nur begrenzt möglich.
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Des Weiteren ist es denkbar in einer Betriebssituation das DC Spannungslevel U1 und die angeschlossenen Baugruppen über den bereits beschriebenen Weg IN2, M/G, IN1 mit Energie aus dem Speicher S2 zu versorgen und umgekehrt. Die zu 3a beschriebenen Funktionen sind hier natürlich ebenso realisierbar.
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Die 3c zeigt im Wesentlichen eine Erweiterung der Funktionalitäten aus 3b um einen optionalen DC/DC-Wandler. Der DC/AC-Wandler ist hier ebenfalls nur als Option dargestellt. Die Funktionen des DC/AC-Wandlers wurden zuvor schon detailliert erläutert.
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Der DC/DC-Wandler wurde in diesem Bordnetz optional hinzugefügt da Betriebssituationen denkbar sind, in denen bei einem Ausfall einer Komponente die gegenseitige Versorgung der Verbraucherkreise bzw. Bordnetze U1 oder U2 aus den jeweiligen anderen Bordnetz U2 oder U1 notwendig werden kann. Hintergrund könnte z.B. eine Sicherheitskritische Anwendung sein, bei der das Bordnetz möglichst viele Redundanzen aufweisen sollte um Komplettausfälle zu vermeiden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Phasenanschlüsse des Wicklungssystems 1 für Verbraucherkreis U1
- 2
- Phasenanschlüsse des Wicklungssystems 2 für Verbraucherkreis U2
- 3
- Masseanschluss
- 4
- Kommunikationsschnittstelle zwischen den Stromrichtern bzw. Invertern zur gegenseitigen Übermittlung der Betriebssituation
- U1
- DC Spannungslevel 1 bzw. Bordnetz 1
- U2
- DC Spannungslevel 2 bzw. Bordnetz 2
- M/G
- Motor / Generator
- IN 1
- Stromrichter bzw. Inverter für Wicklungskreis 1
- IN 2
- Stromrichter bzw. Inverter für Wicklungskreis 2
- WK1
- Wicklungssystem 1 des Motor / Generators
- WK2
- Wicklungssystem 2 des Motor / Generators
- Z1–Z12
- Statorzähne 1–12
- W1
- Wickelfenster einer Einzelzahnwicklung für Wicklungssystem 1
- W2
- Wickelfenster einer Einzelzahnwicklung für Wicklungssystem 2
- SZ
- Statorzahn (hier als Einzelzahn ausgeführt)
- AW
- Antriebswelle des Motor/Generators
- V1, V2
- Verbraucher
- S1, S2
- Speicher, z.B. Batterie oder UCap
- A
- unidirektionaler Energiefluss im DC/AC-Wandler
- B
- bidirektionaler Energiefluss im DC/AC-Wandler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2013/131680 A1 [0005]
- US 8681521 B2 [0006]
