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Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für eine elektrische Maschine. Die Schaltvorrichtung weist zum Betreiben der elektrischen Maschine einen Wechselrichter auf, der durch eine Steuerschaltung gesteuert wird. Zu der Erfindung gehören auch eine Klimakompressoranordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine und eines Heizelements, wie sie beide in der besagten Klimakompressoranordnung bereitgestellt sein können.
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Der Betrieb einer elektrischen Maschine kann in einigen Fällen einhergehen mit der Notwendigkeit des Betriebs eines Heizelements. So kann ein Betrieb des Heizelements mit einem elektrischen Motorbetrieb kombiniert werden, beispielsweise bei einer Wankstabilisierung, einer elektrischen Lenkung oder einem Steuerantrieb eines Ruders bei einem Schiff, um beispielsweise eine Beweglichkeit von Bauteilen bei Temperaturen unter 0°C zu gewährleisten, wenn ansonsten durch Vereisung eine Blockade der Beweglichkeit möglich wäre.
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Eine weitere Kombination aus einer elektrischen Maschine und einem Heizelement ergibt sich bei der Fahrzeugklimatisierung mittels elektrischem Klimakompressor. Ein solcher Klimakompressor kann eine elektrische Maschine zum Bereitstellen der Kompressorleistung vorsehen - und zwar sowohl für eine Kühlwirkung also auch für eine Wärmepumpenfunktion. Zur Wärmeproduktion kann zusätzlich oder alternativ zur Wärmepumpenfunktion des Kältemittelkreises des Klimakompressors auch zumindest ein elektrisches Heizelement vorgesehen sein.
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Sowohl eine elektrische Maschine als auch ein elektrisches Heizelement benötigen eine Leistungsregelung, die eine technisch aufwendige Ansteuerelektronik darstellt. Im Falle einer elektrischen Maschine ist dies der Wechselrichter zusammen mit seiner Steuerschaltung. Im Falle eines Heizelements kann die Leistungsregelung zum Beispiel durch eine Chopper-Steuerung bewirkt sein.
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Aus der
WO 2015/071045 A1 ist ein Inverter für einen elektrischer Antriebsmotor bekannt, der über einen elektrischen Zwischenkreis mit elektrischer Energie versorgt wird. An diesem Zwischenkreis ist zusätzlich ein weiterer Inverter angeschlossen, über welchen abwechselnd ein Klimakompressor oder ein elektrischer Heizer betrieben werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem technischem Aufwand einen Doppelbetrieb einer elektrischen Maschine zusammen mit einem elektrischen Heizelement zu realisieren.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist eine Schaltvorrichtung für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die Schaltvorrichtung weist einen Inverter oder Wechselrichter auf, der dazu eingerichtet ist, bei der elektrischen Maschine in deren elektrischen Phasenleitungen einen jeweiligen Phasenstrom zu schalten. Der Wechselrichter kann hierzu in an sich bekannter Weise beispielsweise H-Brückenschaltungen aufweisen. Die elektrische Leistung empfängt der Wechselrichter über einen Versorgungsanschluss der Schaltvorrichtung, über welchen elektrische Gesamtleistung eingespeist werden kann. Der Versorgungsanschluss kann also elektrische Kontakte zum Anschließen einer elektrischen Spannungsquelle aufweisen. Der Wechselrichter kann durch eine Steuerschaltung gesteuert werden, die dazu eingerichtet ist, den Wechselrichter in Abhängigkeit von einem externen Anforderungssignal zu steuern. Das Anforderungssignal gibt vor, welche Leistung mittels der elektrischen Maschine bereitgestellt oder umgesetzt werden soll.
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Um nun parallel zur elektrischen Maschine mit geringem Aufwand auch eine zusätzliche Heizfunktion bereitzustellen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schaltvorrichtung auch zumindest einen Heizeranschluss zum Anschließen eines jeweiligen passiven Heizelements vorsieht. Mit passiv ist hierbei gemeint, dass das Heizelement keine eigene Elektronik zum Einstellen oder Regeln der Heizleistung des Heizelements aufweist. Bei dem passiven Heizelement kann es sich beispielsweise um ein PTC-Element (PCT - Positive Temperature Coefficient) handeln. Im Folgenden ist zum einfacheren Verständnis nur von einem Heizelement die Rede. Die Erfindung umfasst aber auch den Betrieb mehrerer Heizelemente.
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Der Heizeranschluss kann z.B. elektrische Kontakte aufweisen, über welche elektrische Leistung passend für die vom Heizelement zu erzeugende Heizleistung an das Heizelement übertragen wird. Die elektrische Leistung wird von dem Versorgungsanschluss geliefert. Der Heizeranschluss ist hierzu über eine Schaltereinheit mit dem Versorgungsanschluss verschaltet oder gekoppelt. Mittels der Schaltereinheit kann der elektrische Heizstrom an dem Heizeranschluss geschaltet werden kann. Die besagte Steuerschaltung, die den Wechselrichter steuern kann, ist des Weiteren dazu eingerichtet, den über den Heizeranschluss abgegebenen Heizstrom durch Schalten der Schaltereinheit ebenfalls in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal einzustellen. Mit anderen Worten stellt oder regelt ein und dieselbe Steuerschaltung sowohl die elektrische Maschine als auch das Heizelement. Damit sind keine zwei unabhängigen Steuerungen nötig, was den Schaltungsaufwand der Schaltvorrichtung reduziert.
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Die Schaltvorrichtung kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, als elektrische Maschine einen Wankstabilisator oder eine elektrische Lenkung oder einen Aktuator eines Lastkraftwagens oder einer Baumaschine zu steuern oder zu betreiben. Es kann auch eine Kühlerlüftung eines Passagierzuges oder Güterzuges gesteuert werden. Auch ein Steuerantrieb für ein Ruder bei einem Schiff kann als elektrische Maschine durch die Schaltvorrichtung gesteuert werden. In der beschriebenen Weise kann eine Blockade durch Vereisung mittels des Heizelements verhindert werden.
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Zu der Erfindung gehören auch optionale Merkmale, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Die Schaltvorrichtung ist bevorzugt als eine kompakte elektronische Schaltung realisiert, bei welcher die Steuerschaltung, die Schaltereinheit und der Wechselrichter auf einer gemeinsamen Schaltungsplatine bereitgestellt sind. Insbesondere ist vorgesehen, die Steuerschaltung als einzelnen Mikrocontroller zum Steuern sowohl des Wechselrichters als auch der Schaltereinheit auszugestalten. Durch Bereitstellen einer einzelnen Schaltungsplatine kann die Schaltvorrichtung mit einer einzelnen gemeinsamen Kühlung und/oder mit einem gemeinsamen Netzteil für die Steuerschaltung realisiert oder bereitgestellt werden, was Bauteilkosten reduziert.
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Die besagte Schaltereinheit zum Regeln oder Stellen des Heizstroms oder des Leistungsflusses für die Heizleistung des Heizelements ist bevorzugt als Chopper-Schaltung realisiert. Alternativ dazu kann die eingangs beschriebene Schaltungsanordnung aus dem Stand der Technik verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ist besonders vorteilhaft in der Kombination mit einem elektrischen Klimakompressor ausgestaltet, wobei die besagte elektrische Maschine dann einen Kompressor antreiben kann. Die Steuerschaltung ist in diesem Fall dazu eingerichtet, eine durch das Anforderungssignal angeforderte Klimatisierungsleistung nicht immer ausschließlich mittels des Klimakompressors, sondern durch Aufteilen der angeforderten Klimatisierungsleistung auf den Klimakompressor einerseits und das Heizelement andererseits bereitzustellen, falls dies leistungstechnisch oder energietechnisch günstiger ist. Hierzu ist in der Steuerschaltung eine Aufteilungseinrichtung bereitgestellt, die zum Beispiel auf der Grundlage eines Programmcodes für einen Mikrocontroller realisiert sein kann.
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Mittels der Aufteilungseinrichtung wird durch die Steuerschaltung die angeforderte Klimatisierungsleistung in einen ersten Anteil und in einen zweiten Anteil aufgeteilt. Der erste Anteil legt die elektrische Heizleistung fest, die in dem Heizelement durch Einstellen des Heizstroms mittels der Schaltereinheit einzustellen ist. Der zweite Anteil legt die Kompressorleistung fest, die in dem elektrischen Klimakompressor durch Einstellen der Phasenströme der elektrischen Maschine mittels des Wechselrichters einzustellen ist. Die Anteile ergeben zusammen die angeforderte Klimatisierungsleistung. Ein Anteil, d.h. der erste Anteil oder der zweite Anteil, kann auch 0 sein. Die beiden Anteile können auch gleichzeitig ungleich 0 sein. Die Steuerschaltung ist dazu eingerichtet, die Schaltereinheit (für das Heizelement) und den Wechselrichter (für die elektrische Maschine des Klimakompressors) zum Ausgeben der Heizleistung und der Kompressorleistung zu betreiben.
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Der Wechselrichter und die Schaltereinheit können auch getrennt von der Schaltvorrichtung bereitgestellt sein und mit dieser über elektrische Steuerkabel verbunden sein. Hierbei können aber sowohl der elektrische Klimakompressor also das Heizelement jeweils ohne eigene Steuerelektronik ausgestaltet sein, da diese ja durch die Schaltvorrichtung in Form der Steuerschaltung bereitgestellt wird.
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Um eine Klimaregelung durch die Schaltvorrichtung bereitstellen zu können, ist bevorzugt vorgesehen, dass deren Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, über einen Signaleingang zumindest ein Sensorsignal zu empfangen und die Heizleistung und die Kompressorleistung, d.h. die beiden Anteile an der angeforderte Klimatisierungsleistung, in Abhängigkeit von dem zumindest einen Sensorsignal einzustellen. Somit ist eine einzige, kombinierte Regelung durch die Steuerschaltung realisiert, die zwei Klimatisierungselemente, nämlich das Heizelement und den Klimakompressor, steuern und hierbei durch Aufteilen der angeforderten Klimatisierungsleistung einen nach einem Optimierungskriterium günstigen Betrieb der beiden Klimatisierungselemente bewirken kann.
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Bevorzugt ist die Steuerschaltung hierbei dazu eingerichtet, durch ein jeweiliges Sensorsignal eine Außentemperatur und/oder eine Luftfeuchtigkeit und/oder eine Uhrzeit zu erfassen und die beiden Anteile (Kompressorleistung und Heizleistung) in Abhängigkeit von einer Leistungskennlinie des Klimakompressors festzulegen. Somit kann durch die Leistungskennlinie für unterschiedliche Betriebspunkte betreffend Außentemperatur und/oder Luftfeuchtigkeit und/oder Zeitdauer, mittels der Leistungskennlinie ein optimaler Betrieb gemäß dem Optimierungskriterium vorgesehen oder gewährleistet werden. So kann beispielsweise als Optimierungskriterium vorgesehen sein, dass die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, die beiden Anteile dahingehend festzulegen, dass die über den Versorgungsanschluss empfangende elektrische Gesamtleistung und/oder eine Anfahrdauer, die bis zum endgültigen Bereitstellen der angeforderten Klimatisierungsleistung nötig ist, zu minimieren. Das hierzu nötige Kennfeld oder die Leistungskennlinie kann auf Grundlage einfacher Versuche ermittelt werden. Hierbei kann auch ein Bautyp oder Baumodell des Heizelements berücksichtigt werden. So kann die zum Bereitstellen der angeforderten Klimatisierungsleistung benötigte Gesamteingangsleistung und/oder eine Anfahrdauer oder Rüstzeit zum Bereitstellen der Klimatisierungsleistung minimiert werden.
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Besonders kompakt ist die Schaltvorrichtung bereitstellbar, indem ein Gehäuse vorgesehen ist, welches zumindest einen Heizeranschluss für jeweils ein Heizelement und den Versorgungsanschluss zum Empfangen der Eingangsleistung oder Gesamtleistung aufweist und in welches die Steuerschaltung und der Wechselrichter integriert sind.
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Durch die Kombination der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung mit einem elektrischen Klimakompressor ergibt sich die erfindungsgemäße Klimakompressoranordnung, die den Kompressor, eine elektrische Maschine zum Antreiben des Kompressors sowie eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung aufweist. Der Wechselrichter der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ist hierbei an Phasenleiter der elektrischen Maschine angeschlossen. Diese Phasenleiter stellen die Enden von elektrischen Spulen der elektrischen Maschine dar. Somit ergibt die erfindungsgemäße Klimakompressoranordnung einen elektrischen Klimakompressor mit integriertem Elektromotor und zugehörigem Inverter oder Wechselrichter, wobei zusätzlich ein Leistungsausgang in Form des zumindest einen Heizeranschlusses für jeweils ein passives Heizelement vorgesehen ist.
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Besonders bevorzugt ist der Kompressor sowohl für einen Kühlbetrieb zum Kühlen als auch für eine Wärmepumpenfunktion zum Gewinnen von Wärme vorgesehen. Hierzu ist die Schaltvorrichtung bevorzugt dazu eingerichtet, den Kompressor zum Erzeugen einer Heizleistung und einer Kühlleistung/Trockenleistung zu betreiben. Bei Erzeugen der Trockenleistung kann sich ein überschüssiger Anteil an Trockenleistung ergeben, der zum Trocken der zu klimatisierenden Umgebungsluft benötigt wird. Die klimatisierte Umgebungsluft ist dann kälter als vorgegeben oder gewünscht. Die Schaltvorrichtung ist dazu eingerichtet, den in Bezug auf die durch das Anforderungssignal angeforderte Gesamtkühlleistung überschüssigen und zum Trocken der Umgebungsluft benötigten Anteil der Trockenleistung durch Ausgeben eines Heizstroms am Heizeranschluss zu kompensieren. Muss also die Umgebungsluft zunächst gekühlt werden, um eine durch das Anforderungssignal vorgegebene Luftfeuchtigkeit einzustellen, und kühlt hierbei die Umgebungsluft zu weit ab, so wird die getrocknete, gekühlte Umgebungsluft mittels des passiven Heizelements über den Heizeranschluss wieder auf die gewünschte Solltemperatur erwärmt. Somit wird der erfindungsgemäße Klimakompressor als Kaskade aus Kältequelle und elektrischer Heizquelle betrieben.
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Bei der Klimakompressoranordnung ist das besagte passive Heizelement an den Heizeranschluss angeschlossen, wobei das Heizelement in ein Gehäuse des Kompressors integriert sein kann. Somit sind dann ein elektrisches Heizelement und ein Klimakompressor in einem gemeinsamen Gehäuse bereitgestellt. Dies weist den Vorteil auf, dass die zu klimatisierende Umgebungsluft bei Passieren oder Durchströmen des Gehäuses mit der gewünschten oder angeforderten Klimatisierungsleistung beaufschlagt wird, ohne noch zu einem externen Heizelement umgeleitet werden zu müssen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben einer elektrischen Maschine und eines Heizelements mittels einer einzigen Steuerschaltung einer Schaltvorrichtung, wie sie durch die Erfindung bereitgestellt ist. Über den Versorgungsanschluss der Schaltvorrichtung wird die elektrische Gesamtleistung empfangen und durch die Steuerschaltung in Abhängigkeit von dem externen Anforderungssignal (für eine Klimatisierungsleistung und/oder eine Luftfeuchtigkeit und/oder eine Solltemperatur) aufgeteilt. Mittels eines mit dem Versorgungsanschluss gekoppelten Wechselrichters wird ein jeweiliger Phasenstrom in elektrischen Phasenleitungen der elektrischen Maschine geschaltet. Hierdurch wird die elektrische Maschine betrieben und kann beispielsweise einen Kompressor antreiben. Durch die Steuerschaltung wird zusätzlich an einem Heizeranschluss mittels einer ebenfalls mit dem Versorgungsanschluss gekoppelten Schaltereinheit, beispielsweise der besagten Chopper-Schaltung, ein über den Heizeranschluss abgegebener Heizstrom durch Schalten der Schaltereinheit in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal eingestellt.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klimakompressoranordnung; und
- 2 ein Kennfeld, mittels welchem ein Optimierungskriterium zum Betrieb der Klimakompressoranordnung von 1 erfüllt wird.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Klimakompressoranordnung 10, die einen Kompressor 11 (COMP), eine elektrische Maschine 12 (ENG), einen Wechselrichter 13 (INV), eine Schaltereinheit 14 (CHOPPER) und eine Steuerschaltung 15 aufweisen kann. Die Steuerschaltung 15 kann auf der Grundlage eines Mikrocontrollers (µC) als Prozessoreinrichtung 17 bereitgestellt sein.
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An die Klimakompressoranordnung 10 kann ein passives Heizelement 16 (HEATER) angeschlossen sein. Das Heizelement 16 kann ein PTC-Element sein, beispielsweise eine Heizwendel oder ein Heizstab. Das Heizelement 16 kann über einen Heizeranschluss 18 beispielsweise über ein zweiadriges Kabel oder zwei elektrische Kontakte zum Übertragen eines Heizstroms (DC - Gleichstrom) angeschlossen sein. An den Wechselrichter 13 kann über Phasenleitungen 12' die elektrische Maschine 12 angeschlossen sein.
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Die Schaltereinheit 14, der Wechselrichter 13 und die Steuerschaltung 15 können auf einer gemeinsamen Schaltungsplatine 19 bereitgestellt sein. Die Schaltungsplatine 19 repräsentiert eine Schaltvorrichtung im Sinne der Erfindung. Schaltelemente des Wechselrichters 13 und der Schaltereinheit 14 können als Transistoren bereitgestellt sein, die auf der Schaltungsplatine 19 aufgelötet sein können.
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Die Schaltereinheit 15 kann den Wechselrichter 13 und die Schaltereinheit 14 in Abhängigkeit von einem Anforderungssignal 20 schalten, sodass eine über einen Versorgungsanschluss 21 empfangene elektrische Gesamtleistung POW zum einen mittels des Wechselrichters 13 an die elektrische Maschine 12 zum Erzeugen einer Kompressorleistung 22 und zum anderen mittels der Schaltereinheit 14 zum Betreiben des Heizelements 16 zur Erzeugung von Heizleistung 23 abgegeben wird. Die Kompressorleistung 22 kann eine Kühlleistung/Wärmepumpenleistung 24 und eine Trockenleistung 25 zum Einstellen einer Luftfeuchtigkeit einer durch die Klimakompressoranordnung 10 klimatisierten Luft umfassen.
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Der Kompressor 11 und die elektronischen Komponenten 12, 13, 14, 15 können in einem gemeinsamen Gehäuse 10' angeordnet sein, welches den Versorgungsanschluss POW und den Heizeranschluss 18 aufweisen kann.
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2 veranschaulicht, wie durch die Steuerschaltung 15 die angeforderte Klimatisierungsleistung 20 in die Kompressorleistung 22 einerseits und die Heizleistung 23 andererseits aufgeteilt werden kann, um den Wechselrichter 13 einerseits und die Schaltereinheit 14 andererseits entsprechend anzusteuern.
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2 veranschaulicht hierbei, wie über der angeforderten Solltemperatur T für eine angeforderte Klimatisierungsleistung 26 die Heizleistung 23 einerseits und die Kompressorleistung 22 andererseits festgelegt werden können. Für die Kompressorleistung 22 sind die Wärmepumpenleistung 24 und die Trockenleistung 25 festgelegt. Die angeforderte Klimatisierungsleitung 26 kann eine Heizanforderung 27 und eine Kühlanforderung 28 aufweisen.
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Die 2 dargestellten Kennlinien bewirken dabei, dass die insgesamt zum Bereitstellen der angeforderten Klimatisierungsleistung 26 aufgenommene oder empfangene oder verbrauchte Gesamtleistung POW minimiert ist und/oder innerhalb einer vorbestimmten maximalen Anlaufzeit tmax bereitgestellt werden kann.
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Durch die Integration der Regelung in die kombinierte Steuerschaltung 15 ergibt sich eine Senkung der Systemkosten und/oder Energiekosten bei Erfüllung der Klimatisierungsanforderungen.
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Die Klimakompressoranordnung 10 ist bevorzugt in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt, das die Klimakompressoranordnung 10 als eine elektrifiziert Heiz-und Kältequelle aufweist, wie es beispielsweise in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug oder einem Hybridfahrzeug vorgesehen sein kann. Auch in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungskraftmaschine kann die elektrifiziert Klimatisierung bereitgestellt sein.
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Weitere Integrationsmöglichkeiten sind denkbar, beispielsweise dass das Heizelement 16 im selben Gehäuse 10' des Klimakompressors mit untergebracht ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Wechselrichter 13 mit der Schaltereinheit 14 in einer separaten Box bereitgestellt sein, die den elektrischen Kompressor (Maschine 12 und Kompressor 11) und das Heizelement 16 über Kabel oder Stromschienen ansteuert, ohne dass diese eine eigene Elektronik aufweisen.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Koordinierung eines Klimakompressors und eines Heizelements bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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