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Es ist bekannt, Kraftfahrzeuge mittels einer Batterie als Energiespeicher anzutreiben, wobei der elektrische Antrieb eine elektrische Maschine umfasst. Zum einen sind zur Erzeugung eines Drehfelds und allgemein zur Steuerung der elektrischen Maschine Halbleiter erforderlich, insbesondere die Halbleiterschalter eines Stromrichters, um mittels der Gleichspannung des Energiespeichers die elektrische Maschine betreiben zu können.
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Weiterhin ist allgemein bekannt, dass Fahrzeuge mit einem elektrischen Energiespeicher, der insbesondere zur Traktion dient, über eine Ladeschnittstelle am Äußeren des Fahrzeugs („Plug-in”) aufgeladen werden kann, wobei diese Schnittstelle auch zur Rückspeisung elektrischer Energie aus dem Fahrzeug an eine stationäre Einheit verwendet werden kann. Zu dieser Energieübertragung sind ebenso steuerende Elemente notwendig, die insbesondere ebenso als Halbleiterbauelemente ausgebildet sind.
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Aus der
DE 41 07 391 A1 ist ein Elektrofahrzeug mit einem batteriegespeisten Wechselrichter zur Versorgung eines dreiphasigen Fahrmotors bekannt, bei dem ein Wechselrichter zur Ladung der Batterie aus einem stationären Gleichstromnetz als Gleichstromsteller eingesetzt wird.
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Ferner offenbart die
AT 510 025 B1 eine Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs mit einer Elektromaschine, welche über einen bidirektional ausgebildeten Umrichter an einen Energiespeicher geschaltet ist. Der Energiespeicher ist zum Aufladen bzw. Entladen mittels Umrichter an eine externe Ladestation schaltbar.
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Da gerade bei höheren Leistungen von mehreren Kilowatt die erforderlichen Leistungshalbleiter einen erheblichen Kostenpunkt darstellen können, ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mittels der ein elektrischer Antrieb eines Fahrzeugs und das zugehörige Fahrzeugbordnetz kosteneffizient realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Kraftfahrzeug-Bordnetz und durch das Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Merkmale, Eigenschaften und Ausführungsformen sowie deren Wirkungsweisen ergeben sich mit der weiteren Beschreibung und der 1.
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Es wird vorgeschlagen, einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes mit einem DC-Anbindungsanschluss über mindestens einen Schalter zu verbinden, der auch zur Auswahl einer Dreieckkonfiguration der Wicklungen der elektrischen Maschine des Antriebs verwendet wird. Dadurch können insbesondere die Wicklungen der elektrischen Maschine von einem oder mehreren Schaltern einer Dreieck-Schaltergruppe überbrückt werden, sodass ein DC-Anbindungsanschluss direkt über den Stromrichter bzw. über ein oder mehrere Schalter hiervon Energie direkt in eine Energiespeichereinheit übertragen kann, die über den Stromrichter mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Dadurch kann zumindest ein Schalter der Dreieck-Schaltergruppe (welche zur Realisierung einer Dreieckkonfiguration der elektrischen Maschine verwendet werden kann) für zwei Funktionen verwendet, nämlich zum Erzeugen der Dreieckskonfiguration sowie zum Überleiten von Energie zwischen einer Energiespeichereinheit und einem DC-Anbindungsanschluss. Da nur dann über den DC-Anbindungsanschluss Energie übertragen wird, wenn das Fahrzeug nicht fährt, beeinträchtigen sich die beiden Funktionen gegenseitig nicht, obwohl zumindest ein Schalterelement für beide Funktionen verwendet wird. Es ist insbesondere kein zusätzlicher Schalter zur Energieübertragung über den DC-Anbindungsanschluss notwendig, der zur Energieübertragung geschlossen wird und ansonsten offen angesteuert wird.
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Ein Kraftfahrzeugbordnetz ist mit einem Stromrichter, Wicklungen einer elektrischen Maschine und einer Dreieck-Schaltergruppe ausgestattet. Die elektrische Maschine ist an den Stromrichter angeschlossen, wobei ein DC-Anbindungsanschluss vorgesehen ist. Die Dreieck-Schaltergruppe verbindet die Wicklungen in Dreieckkonfiguration. Mindestens ein Schalter der Dreieck-Schaltergruppe verbindet ferner mindestens einen Wechselstromanschluss des Stromrichters mit dem DC-Anbindungsanschluss. Eine Konfigurationssteuerung steuert die Dreieck-Schaltergruppe an und hat zum einen die Funktion, gemäß einer Konfigurationsvorgabe die Dreieck-Schaltergruppe innerhalb eines Fahrzustandes geschlossen oder offen anzusteuern. Wenn über den DC-Anbindungsanschluss Energie übertragen wird, wird mindestens ein Schalter der Dreieck-Schaltergruppe von der Konfigurationssteuerung gemäß einem geschlossenen Schaltzustand angesteuert. Ferner ist ein zugehöriges Verfahren beschrieben.
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Es wird ein Kraftfahrzeug-Bordnetz beschrieben, das einen Stromrichter, eine elektrische Maschine, eine Dreieck-Schaltergruppe und einen DC-Anbindungsanschluss umfasst. Der Stromrichter ist mit einem Masseanschluss bzw. mit einem Massepotential ausgestattet, der mit dem DC-Anbindungsanschluss verbunden ist, insbesondere mit dessen Masseanschluss. Die elektrische Maschine weist Wicklungen auf, die mit dem Stromrichter verbunden sind. Insbesondere ist die elektrische Maschine mit Wechselstromanschlüssen des Stromrichters verbunden. Der Stromrichter ist vorzugsweise ein Inverter und kann als unidirektionaler oder bidirektionaler Inverter ausgestaltet sein. Die Dreieck-Schaltergruppe verbindet die Wicklungen in Dreieckkonfiguration. Bei geschlossener Schaltergruppe sind die Wicklungen in Dreieckkonfiguration geschaltet. Bei offener Dreieck-Schaltergruppe sind die Wicklungen nicht in Dreieckkonfiguration geschaltet. Bei einer Dreieckkonfiguration bilden die Wicklungen einen geschlossenen Kreis; die Wicklungen sind in diesem Fall in Reihe geschaltet, wobei die Enden der Reihenschaltung miteinander verbunden sind (wodurch die Reihenschaltung in sich geschlossen ist).
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Der DC-Anbindungsanschluss ist ferner über mindestens einen Schalter der Dreiecks-Schaltergruppe an mindestens einen der Wechselstromanschlüsse (des Stromrichters) angeschlossen. Mit anderen Worten verbindet mindestens ein Schalter der Dreiecks-Schaltergruppe den DC-Anbindungsanschluss (insbesondere dessen positiven Anschluss) mit dem Stromrichter. Die Wechselstromanschlüsse sind an der Seite des Stromrichters, an dem Wechselstrom abgegeben werden kann, wobei der Stromrichter ferner eine Gleichstromseite aufweist. An diese ist insbesondere eine Energiespeichereinheit angeschlossen. Der DC-Anbindungsanschluss ist somit mit Masse sowie über mindestens einen Schalter der Dreieck-Schaltergruppe an den Stromrichter bzw. an einen von dessen Wechselstromanschlüssen verbunden. Hierbei kann diese Verbindung über einen Schalter der Dreieck-Schaltergruppe, über zwei Schalter der Dreieck-Schaltergruppe oder über alle Schalter der Dreieck-Schaltergruppe vorgesehen sein.
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Das Fahrzeugbordnetz weist ferner eine Konfigurationssteuerung auf, die mit der Dreieck-Schaltergruppe ansteuernd verbunden ist. Insbesondere ist die Konfigurationssteuerung mit jedem der Schalter der Dreieck-Schaltergruppe individuell ansteuernd verbunden. Die Konfigurationssteuerung ist eingerichtet, gemäß einer Konfigurationsvorrichtung die Dreieck-Schaltergruppe geschlossen oder offen anzusteuern, wenn sich das Fahrzeugbordnetz in einem Fahrzustand befindet. Ferner ist die Konfigurationssteuerung eingerichtet, den mindestens einen Schalter der Dreieck-Schaltergruppe geschlossen anzusteuern, wenn über den DC-Anbindungsanschluss Energie übertragen wird. Der mindestens eine Schalter ist hierbei derjenige mindestens eine Schalter, der den DC-Anbindungsanschluss mit mindestens einem der Wechselstromanschlüsse des Stromrichters verbindet.
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Die Konfigurationssteuerung kann einen Konfigurationseingang haben, an dem ein Signal empfangen werden kann, welches eine Soll-Konfiguration angibt. Die Konfiguration bezieht sich hierbei auf die Konfiguration der Wicklungen. Das Signal gibt die Konfiguration wieder und gibt insbesondere wieder, dass eine Dreieck-Konfiguration einzustellen ist, dass eine Dreieck-Konfiguration zu öffnen ist (das heißt dass die Dreieck-Schaltergruppe teilweise oder vollständig zu öffnen ist) oder kann vorgeben, dass eine Sternkonfiguration bestehen soll, bei der ein Ende jeder Wicklung mit einem gemeinsamen Sternpunkt verbunden ist, oder wiedergeben, dass eine Sternkonfiguration aufzulösen ist (wobei zumindest eine Wicklung oder alle Wicklungen nicht mit dem Sternpunkt verbunden sind). Die Konfigurationsvorgabe kann insbesondere auch darin bestehen, dass mindestens ein Schalter der Dreieck-Schaltergruppe geschlossen sein soll, um das Bordnetz in einen Zustand zu versetzen, bei dem Energie von dem DC-Anbindungsanschluss über die Dreieck-Schaltergruppe an den Stromrichter übertragen werden kann. Die letztgenannte Konfiguration entspricht einem Ladezustand. Die einzustellende Konfiguration kann daher eine für einen Fahrzustand geeignete Konfiguration sein, d. h. eine Sternkonfiguration oder eine Dreieckkonfiguration, und kann ferner eine zum Laden geeignete Konfiguration sein, bei der mindestens ein Schalter der Dreieck-Schaltergruppe geschlossen ist, um Energie zwischen dem DC-Anbindungsanschluss einerseits und dem Stromrichter bzw. der Energiespeichereinheit andererseits (über den mindestens einen Schalter) übertragen zu können.
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Es kann eine Stern-Schaltergruppe vorgesehen sein, die die Wicklungen mit einem gemeinsamen Sternpunkt (über individuelle Schalter) verbindet. Auch diese Stern-Schaltergruppe ist mit der Konfigurationssteuerung verbunden. Mit anderen Worten ist die Konfigurationssteuerung auch ansteuernd mit der Stern-Schaltergruppe verbunden. Die Konfigurationssteuerung ist eingerichtet, gemäß der Konfigurationsvorgabe entweder die Dreieck-Schaltergruppe geschlossen und die Stern-Schaltergruppe offen anzusteuern, oder die Dreieck-Schaltergruppe offen und die Stern-Schaltergruppe geschlossen anzusteuern. Im Fahrzustand sind die Dreieck-Schaltergruppe und die Stern-Schaltergruppe wechselseitig geöffnet oder geschlossen. Es kann eine übergeordnete Steuerung vorgesehen sein, die die Konfigurationssteuerung (vorzugsweise direkt) und den Stromrichter (vorzugsweise über eine Stromrichtersteuerung des Bordnetzes oder ebenso direkt) ansteuert.
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Das Bordnetz weist vorzugsweise eine Stromrichtersteuerung auf. Diese kann Teil des Stromrichters sein oder kann nicht Teil des Stromrichters, jedoch Teil des Bordnetzes sein. Insbesondere kann die Stromrichtersteuerung und die Konfigurationssteuerung als eine integrale Einheit ausgebildet sein, vorzugsweise zusammen mit der übergeordneten Steuerung. Die Stromrichtersteuerung ist ansteuernd mit Schaltern des Stromrichters verbunden. Der Stromrichter bildet insbesondere eine B6C-Brücke oder eine andere Vollwellenbrückenschaltung, wobei die Schalter die einzelnen Schalter der Brücke sind. Die Stromrichtersteuerung kann eingerichtet sein, die Schalter des Stromrichters zur Erzeugung eines Drehfelds in den Wicklungen anzusteuern, wenn sich das Fahrzeugbordnetz in dem Fahrzustand befindet. Insbesondere wenn die Konfigurationssteuerung die betreffende Schaltergruppe gemäß einer Sternkonfiguration oder gemäß einer Dreieckkonfiguration ansteuert, erzeugen die Schalter des Stromrichters einen Drehstrom, der in den Wicklungen in ein magnetisches Drehfeld gewandelt wird. Die Stromrichtersteuerung ist eingerichtet, bei entsprechender Konfigurationsvorgabe bzw. bei entsprechendem Signal einer übergeordneten Steuerung die Schalter des Stromrichters zur Erzeugung eines Drehstroms bzw. eines Drehfelds in den Wicklungen anzusteuern.
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Die Stromrichtersteuerung ist ferner eingerichtet, alle Schalter des Stromrichters offen anzusteuern, wenn über den DC-Anbindungsanschluss Energie übertragen wird. Hierbei kann die Stromrichtersteuerung einen Eingang umfassen, an dem ein Signal empfangen werden kann, welches den Zustand (Fahrzustand bzw. Konfigurationszustand oder Energieübertragungszustand) wiedergibt.
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Hierbei kann die eine übergeordnete Steuerung eingerichtet sein, zu erfassen, ob das Bordnetz bzw. über den DC-Anbindungsanschluss geladen oder rückgespeist wird, wobei die Stromrichtersteuerung ferner eingerichtet ist, beim Übertragen von Energie (das heißt beim Laden oder beim Rückspeisen) alle Schalter des Stromrichters offen anzusteuern.
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Mit „geschlossen ansteuern” wird der Zustand bezeichnet, in dem die betreffenden Schalter gemäß einem geschlossenen Zustand angesteuert werden. Mit „offen ansteuern” wird ein Zustand bezeichnet, in dem die betreffenden Schalter gemäß einem geöffneten Schalterzustand angesteuert werden.
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Die Schalter sind insbesondere Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren, vorzugsweise MOSFET-Transistoren und insbesondere Bipolar-Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs). Die Schalter sind Leistungsschalter. Die Steuerung kann mittels eines programmierbaren Prozessors umgesetzt werden, etwa mittels eines Mikroprozessors und zugehörigem Speicher, und/oder mittels eines ASICs, wobei ggf. weitere Bauelemente (Treiber, Verstärker, Sensoren, ...) zur Umsetzung verwendet werden.
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Das Bordnetz kann ferner einen AC-Anbindungsanschluss aufweisen. Dieser ist über die Wicklungen mit den Wechselstromanschlüssen des Stromrichters verbunden. Die Konfigurationssteuerung ist eingerichtet, die Dreieck-Schaltergruppe offen anzusteuern, wenn über den AC-Anbindungsanschluss Energie übertragen wird. Die Konfigurationssteuerung ist ferner eingerichtet, die Stern-Schaltergruppe (sofern vorhanden) offen anzusteuern, wenn über den AC-Anbindungsanschluss Energie übertragen wird. Die Konfigurationssteuerung ist eingerichtet, keinen Schalter, einen Schalter, oder mehrere Schalter, insbesondere alle Schalter der Stern-Schaltergruppe geschlossen anzusteuern, wenn über den DC-Anschluss Energie übertragen wird. Die Stern-Schaltergruppe ist an denjenigen Enden der Wicklungen angeschlossen, welche entgegengesetzt zu den Enden sind, die mit dem Stromrichter (direkt) verbunden sind. Mit anderen Worten befindet sich die Stern-Schaltergruppe und der Stromrichter an entgegengesetzten Seiten der Wicklungen.
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Das Bordnetz weist vorzugsweise ferner eine Energiespeichereinheit auf. Diese ist an den Masseanschluss und an ein DC-Versorgungspotential des Stromrichters angeschlossen. Mit anderen Worten ist die Energiespeichereinheit an eine Gleichstromseite des Stromrichters angeschlossen. Der Stromrichter ist hierbei ausgebildet, Energie zwischen der Gleichstromseite und der Wechselstromseite wandelnd zu übertragen. Der Stromrichter ist ausgebildet, Energie zwischen dem Masseanschluss und einer dem DC-Versorgungspotential einerseits und den Wechselstromanschlüssen andererseits wandelnd zu übertragen.
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Die Schalter des Stromrichters sind vorzugsweise Halbleiterschalter, wie sie oben beschrieben sind. Die Schalter der Schaltergruppen sind ebenso vorzugsweise Halbleiterschalter, wie sie vorangehend beschrieben sind, können jedoch auch elektromechanische Schalter sein, oder können mittels Thyristoren bzw. TRIACs realisiert werden.
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Die Energiespeichereinheit umfasst insbesondere eine Traktionsbatterie bzw. ist eingerichtet, die elektrische Maschine als Traktionsmaschine des Fahrzeugs zu versorgen. Ferner kann die elektrische Maschine ein anderer elektrischer Antrieb des Fahrzeugs sein, beispielsweise ein Antrieb eines elektrischen Klimakompressors oder eines Startergenerators. Die Energiespeichereinheit umfasst insbesondere eine Reihenschaltung von galvanischen Zellen, vorzugsweise von Sekundärzellen, insbesondere Lithium-basierten Akkumulatorenzellen. Die Energiespeichereinheit kann insbesondere einen Lithiumakkumulator umfassen, der vorzugsweise (ohne weitere Wandlung und somit direkt) mit dem Stromrichter verbunden ist, oder der über einen DC/DC-Wandler (der Energiespeichereinheit) mit dem Stromrichter verbunden ist.
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Die Abkürzungen DC bzw. AC werden hierbei für Gleichstrom bzw. Wechselstrom verwendet, wie allgemein bekannt ist. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise ein Asynchronmotor, kann jedoch auch einem anderen Typ einer elektrischen Maschine entsprechen. Die elektrische Maschine kann mehrere Gruppen der genannten Wicklungen umfassen, wobei zumindest eine Gruppe der Wicklungen wie hierin beschrieben angeschlossen ist, insbesondere mittels einer Dreieck-Schaltergruppe, die von einer Konfigurationssteuerung angesteuert wird, wie sie hierin beschrieben wird.
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Die AC-Anbindungsanschlüsse und die DC-Anbindungsanschlüsse können ferner gesicherte Anschlüsse sein und/oder einen EMV-Filter umfassen.
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Es wird ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes beschrieben. Hierbei entspricht vorzugsweise das Kraftfahrzeug-Bordnetz dem hier vorangehend beschriebenen Kraftfahrzeug-Bordnetz. Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, das Wicklungen einer elektrischen Maschine, eine Energiespeichereinheit und einen Stromrichter umfasst, der diese verbindet, beschrieben. Hierbei sind die Wicklungen, die elektrische Maschine, die Energiespeichereinheit und/oder der Stromrichter wie vorangehend dargestellt realisiert.
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In einem Fahrzustand des Bordnetzes (bzw. des Kraftfahrzeugs) werden die Wicklungen der elektrischen Maschine in Dreieckkonfiguration. Hierzu wird insbesondere die Dreieck-Schaltergruppe verwendet, um die Dreieckkonfiguration herzustellen. Vorzugsweise wird hierbei die Dreieck-Schaltergruppe von der Konfigurationssteuerung entsprechend angesteuert, um die Dreieckkonfiguration der Wicklungen darzustellen.
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In einem DC-Energieübertragungszustand wird elektrische Energie zwischen einem DC-Anbindungsanschluss und der Energiespeichereinheit übertragen. Hierbei entspricht der DC-Anbindungsanschluss vorzugsweise dem vorangehend beschriebenen DC-Anbindungsanschluss. Insbesondere wird in dem DC-Energieübertragungszustand die Energie über mindestens einen Schalter der Dreieck-Schaltergruppe (und vorzugsweise auch über den Stromrichter) übertragen. Dadurch, dass im DC-Energieübertragungszustand Energie über die Dreieck-Schaltergruppe übertragen wird, und auch im Fahrzustand ein Strom über die Dreieck-Schaltergruppe fließt (insbesondere zur Erzeugung eines Drehfelds), wird mindestens ein Schalter der Dreieck-Schaltergruppe von beiden Funktionen nutzt bzw. in beiden Zuständen verwendet. Als Fahrzustand wird ein Zustand beschrieben, in dem das Kraftfahrzeug fährt oder zum Fahren bereit ist und insbesondere beschleunigt, ohne Beschleunigung fährt oder abbremst, vorzugsweise per Rekuperation. Der DC-Energieübertragungszustand schließt den Fahrzustand aus. In gleicher Weise schließt der Fahrzustand auch den DC-Energieübertragungszustand aus. Dies trifft auch für einen AC-Energieübertragungszustand zu.
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In dem Fahrzustand des Bordnetzes werden die Wicklungen der elektrischen Maschine entweder (vorzugsweise mittels der Dreieck-Schaltergruppe) in Dreieckkonfigurationen betrieben, oder werden (insbesondere mittels einer Stern-Schaltergruppe) in Sternkonfiguration betrieben.
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In dem DC-Energieübertragungszustand wird elektrische Energie zwischen dem DC-Anbindungsanschluss und der Energiespeichereinheit über mindestens einen Schalter der Dreieck-Schaltergruppe übertragen. Ferner kann vorgesehen sein, dass hierbei Energie über mindestens einen Schalter der Stern-Schaltergruppe übertragen wird (und auch über mindestens einen Schalter der Dreieck-Schaltergruppe). Ferner ist vorgesehen, dass hierbei elektrische Energie über den Stromrichter übertragen wird, wobei hierbei Energie nicht über den gesamten Stromrichter sondern vorzugsweise nur über einen oder mehrere, jedoch nicht über alle Schalter des Stromrichters übertragen wird. Beispielsweise wird hierbei Energie über eine Inversdiode eines Schalters oder über mehrere Inversdioden mehrerer Schalter des Stromrichters übertragen. Anstatt oder in Kombination mit Inversdioden können auch antiparallel zu dem Schalter des Stromrichters angeschlossene Dioden verwendet werden. Eine Inversdiode ist sind Dioden, die von der Halbleiterstruktur ausgebildet wird, die auch einen (Halbleiter-)Schalter ausbildet. Eine angeschlossene Diode ist insbesondere als körperlich eigenständiges Bauelement ausgebildet, insbesondere als diskretes Bauelement, das über eigene Anschlüsse und/oder über ein eigenes Gehäuse verfügt.
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Es kann vorgesehen sein, dass in dem Energieübertragungszustand elektrische Energie mittels eines Stroms übertragen wird, der über den maximalen Schaltstrom des Stromrichters liegt. Der maximale Schaltstrom des Stromrichters ergibt sich aus der Dimensionierung der Schalter bzw. des Stromrichters und ist mit der Ausgestaltung des Stromrichters verknüpft. Da während des Energieübertragungszustands der Stromrichter kein Wechselfeld erzeugen muss, müssen auch dessen Schalter nicht geschaltet werden, sodass nicht der maximale Schaltstrom als obere Grenze zur Energieübertragung eine Rolle spielt, sondern der maximal zulässige Dauerstrom, der über die Schalter des Stromrichters bzw. über den Stromrichter übertragen werden kann. Der Strom, mittels dem die elektrische Energie übertragen wird, liegt vorzugsweise mindestens 10%, mindestens 15% oder mindestens 20% oder 30% und insbesondere mindestens 50% über dem maximalen Schaltstrom des Stromrichters bzw. über dem maximalen Schaltstrom der Schalter des Stromrichters.
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Im Energieübertragungszustand sind alle Schalter des Stromrichters geöffnet. Umfasst der Stromrichter eine mehrphasige Vollbrücke, so sind vorzugsweise beide Schalter jedes Brückenzweigs in offenem Zustand. Die Energie wird hierbei (in Form eines Stroms) über mindestens eine Inversdiode eines Schalters des Stromrichters oder über mindestens eine antiparallel zu dem Schalter geschaltete Diode übertragen. Die Energie kann somit über einen Inversdiode eines Schalters übertragen werden, oder über eine Diode, die antiparallel zu dem Schalter geschaltet ist, oder über beides. Alternativ kann die Energie über die Inversdioden mehrerer Schalter übertragen werden, oder über die Dioden, die jeweils antiparallel zu einem Schalter angeschlossen sind, oder beides.
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Im Fahrbetrieb kann abhängig von einer aktuellen Drehmomentanforderung und/oder abhängig von einer Drehzahlanforderung oder abhängig von einer Ist-Drehzahl die elektrische Maschine in Sternkonfiguration oder in Dreieckkonfiguration betrieben werden. Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine gemäß einem Soll-Drehmoment, das oberhalb eines vorbestimmten Drehmoment-Schwellenwerts liegt, wobei der Betrieb ferner vorsieht, dass gemäß einer Soll-Drehzahl betrieben wird, die unterhalb eines vorbestimmten Drehzahl-Schwellenwerts liegt, werden die Wicklungen der elektrischen Maschine in Stern-Konfiguration betrieben. Mit anderen Worten wird die elektrische Maschine in Stern-Konfiguration betrieben, wenn sich das Fahrzeug in einer Anfahrphase befindet, die insbesondere mit einer Drehzahl verknüpft ist, die unter einem Drehzahl-Schwellenwert liegt.
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Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine gemäß einer Soll-Drehzahl oberhalb des Drehzahl-Schwellenwerts werden die Wicklungen der elektrischen Maschine in Dreieckkonfiguration betrieben. Hierbei werden die Wicklungen mittels der Stern-Schaltergruppe in Sternkonfiguration betrieben oder werden mittels der Dreieck-Schaltergruppe in Dreieckkonfiguration betrieben.
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Es kann ferner ein AC-Energieübertragungszustand vorgesehen sein. In diesem wird elektrische Energie zwischen einem AC-Anbindungsanschluss und der Energiespeichereinheit über die Wicklungen der elektrischen Maschine sowie über den Stromrichter übertragen. Hierbei wandelt der Stromrichter den Stromtyp. In dem AC-Energieübertragungszustand ist eine Stern-Schaltergruppe, welche zur Verbindung der Wicklungen in Sternkonfiguration eingerichtet ist, geöffnet. Ferner ist die Dreieck-Schaltergruppe vorzugsweise geöffnet. Der AC-Anbindungsanschluss entspricht insbesondere dem vorangehend genannten AC-Anbindungsanschluss. Als Anbindungsanschluss werden Anschlüsse bezeichnet, die in einer Außenhaut eines Fahrzeugs vorgesehen sind. Anbindungsanschlüsse sind von einem Ort außerhalb des Fahrzeugs kontaktierbar. Anbindungsanschlüsse sind vorzugsweise Steckanschlüsse, etwa gemäß eines Standards wie CHAdeMO (ISO 51851-23 und -24) oder CCS (IEC 60309) oder IEC 62196 oder SAE J1772.
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Die 1 dient zur näheren Erläuterung des hier beschriebenen Bordnetzes sowie dies hier beschriebene Verfahrens.
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Die 1 zeigt ein beispielhaftes Kraftfahrzeug-Bordnetz mit einem Energiespeicher ES, einem Stromrichter SR, Wicklungen W1 bis W3 einer elektrischen Maschine und mit einem DC-Anbindungsanschluss, der durch den positiven Anschluss DC+ und durch den negativen Anschluss DC– wiedergegeben ist. Die Wicklungen W1 bis W3 sind über den Stromrichter SR mit der Energiespeichereinheit ES verbunden. Der DC-Anbindungsanschluss, insbesondere dessen positiver Anschluss DC+, ist über die Wicklungen W1 bis W3 mit dem Stromrichter verbunden. Die Wicklungen W1 bis W3 sind an eine Wechselstromseite des Stromrichters SR angeschlossen, und die Energiespeichereinheit ES ist an eine Gleichstromseite des Stromrichters SR angeschlossen. Die Energiespeichereinheit ES ist insbesondere an eine Gleichstromseite des Stromrichters SR angeschlossen, die ein Massepotential und ein positives Potential P umfasst.
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Der Stromrichter SR umfasst mehrere Vollbrücken mit High-Side-Schaltern 11 bis 13 und Low-Side-Schaltern 21 bis 23. Jeweils ein High-Side- und ein Low-Side-Schalter sind in Reihe geschaltet, wobei der Verknüpfungspunkt einen Wechselstromanschluss A1 bis A3 bietet. Die Wechselstromanschlüsse A1 bis A3 können auch als Phasenanschlüsse des Stromrichters SR bezeichnet werden. Parallel zu jedem Schalter 11 bis 23 sind antiparallele Dioden 1 bis 6 angeschlossen. Wird einer der Schalter 11 bis 23 gemäß einem geschlossenen Schaltzustand angesteuert, so ist die Flussrichtung des Stroms entgegengesetzt zur Durchlassrichtung der zugehörigen Diode 1 bis 6.
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Falls der Stromrichter SR mittels MOSFETS oder IGBTS ausgestattet ist, so sind die Dioden 1 bis 6 die Inversdioden bzw. Bodydioden, welche inhärent Teil des betreffenden Halbleiterschalters sind. Die Dioden 1–6 können auch antiparallel zu den Schaltern 11–23 angeschlossene Dioden sein, die als eigenständiges Bauelement ausgeführt wird. Es ist auch eine Kombination von Inversdioden und Dioden als eigenständiges Bauelement möglich. Ein Beispiel für eine Diode als eigenständiges Bauelement ist als Diode 1' dargestellt (in gestrichelten Linien). Diese ist antiparallel zm Schalter angeschlossen. Mit anderen Worten weist die Diode 1' (wie auch die Dioden 1–6) eine Durchflussrichtung auf, die zum positiven Potential P des Stromrichters (bzw. der Gleichstromseite des Stromrichters SR) weist.
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In der 1 umfasst jeder Schalter 11 bis 23 einen Steueranschluss auf (gekennzeichnet durch einen Pfeil, der auf den betreffenden Schalter gerichtet ist). Es ist symbolhaft dargestellt ist, dass eine Stromrichtersteuerung C2 mit diesen Schaltern einzeln bzw. individuell verbunden ist. Dies soll durch den Doppelpfeil wiedergegeben werden, der ausgehend von der Stromrichtersteuerung C2 auf die Schalter 11–23 bzw. deren Steueranschlüsse weist.
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Wenn die Wicklungen W1 bis W3 zum Erzeugen eines Drehfelds (und somit zum Drehen des Motors) angesteuert werden sollen, so erzeugen die Schalter 11 bis 23, angesteuert durch die Stromrichtersteuerung C2, aus der Gleichspannung des Energiespeichers (gegeben durch Masse und dem positiven Potential P) eine mehrphasige Wechselspannung, die den Wicklungen W1 bis W3 zugeführt wird. Dadurch erzeugen die Wicklungen W1 bis W3 ein Drehfeld, sodass sich die elektrische Maschine dreht.
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Die Wicklungen W1 bis W3 sind ferner über Dreieck-Schaltergruppe D1 bis D3 miteinander verbunden. Sind die Schalter D1, D2, D3 der Dreieck-Schaltergruppe D1 bis D3 geschlossen, so sind die Wicklungen W1 bis W3 in einer dreiphasigen Dreieckschaltung untereinander verbunden.
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Ferner ist eine Stern-Schaltergruppe S1, S2 dargestellt, mittels der die Wicklungen W1 bis W3 an jeweils einem Ende miteinander verbunden werden können, um so einen gemeinsamen Sternpunkt auszubilden.
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Es ist eine Konfigurationssteuerung C1 vorgesehen, die ansteuernd mit den Schaltergruppen D1 bis D3 sowie S1, S2 verbunden ist.
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In einem Fahrzustand sind entweder alle Schalter der Dreieck-Schaltergruppe D1–D3 geschlossen und die Schalter der Stern-Schaltergruppe S1, S2 sind geöffnet, oder alle Schalter der Dreieck-Schaltergruppe D1–D3 sind offen angesteuert und die Schalter S1, S2 der Stern-Schaltergruppe sind (alle) geschlossen. Es kann ferner innerhalb des Fahrzustands ein Leerlaufzustand vorgesehen sein, der vorsieht, dass alle Schalter aller Schaltergruppen D1–D3 und S1, S2 geöffnet sind.
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Wenn über den DC-Anbindungsanschluss gegeben durch den positiven Anschluss DC+ und den Masseanschluss DC-Energie übertragen werden soll, so wird (von der Konfigurationssteuerung C1) beispielsweise der Schalter D1 geschlossen und alle anderen Schalter D2, D3, S1, S2 bleiben offen. Dann kann über die Verbindung zwischen DC+ und über den Schalter D1 Strom zum Wechselstromanschluss A1 fließen, und von dort über die Diode 1 und/oder über die Diode 1' zur Energiespeichereinheit ES fließen, um diese aufzuladen. In komplementärer Weise kann ausgehend von der Energiespeichereinheit ES Energie über die Diode 1 (und/oder Diode 1'), den Wechselstromanschluss A1 und den Schalter D2 Energie an den DC-Anbindungsanschluss übertragen werden.
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Eine weitere Möglichkeit ist es, die Schalter D1, S2 und D3 im Energieübertragungszustand geschlossen vorzusehen, während die anderen Schalter der Schaltergruppen geöffnet sind. In diesem Fall kann Energie von dem positiven Anschluss DC+ zum einen über den Schalter D1 und den Wechselstromanschluss sowie über die Diode 1 (bzw. Diode 1') an die Energiespeichereinheit ES fließen, und kann ferner parallel hierzu über den Schalter S2, sowie über den Schalter D3 (die in diesem Fall in Serie sind), Energie an den Wechselstromanschluss A3 übertragen, und von dort über die Diode 3 an die Energiespeichereinheit ES. Wie erwähnt kann auch Energie in der umgekehrten Richtung fließen, etwa um Energie vom Fahrzeug rückzuspeisen.
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Weiterhin ist es möglich, dass alle Schalter der Dreieck-Schaltergruppe (Schalter D1 bis D3) und alle der Stern-Schaltergruppe (Schalter S1, S2) im Energieübertragungszustand geschlossen sind, sodass drei Pfade bestehen: ein erster Pfad vom Anschluss DC+ über den Schalter D1, den Wechselstromanschluss A1 und die Diode 1 zur Energiespeichereinheit, ein zweiter Pfad über den Schalter S2, den Schalter D3, den Wechselstromanschluss A3 über die Diode 3 zur Energiespeichereinheit ES und ein dritter Pfad über den Schalter S2, den Schalter S1 und den Schalter S2 zum Wechselstromanschluss A2 über die Diode 3 zur Energiespeichereinheit ES. Es können parallel zu den Schaltern des Stromrichters SR, über die im Energieübertragungszustand Strom fließt, Dioden als eigenständiges Bauelement (antiparallel) angeschlossen sein. Dies betrifft den Schalter 11, die Schalter 11 und 13 oder die Schalter 11, 12 und 13. Durch die angeschlossenen Dioden lässt sich die Stromtragfähigkeit erhöhen im Vergleich zu dem Fall, dass nur die Inversdiode oder Inversdioden im Energieübertragungszustand Strom leiten.
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Mit anderen Worten bestehen Schalter D1–D3 zur Konfiguration der Wicklungen W1–W3 in Dreieckkonfiguration (und gegebenenfalls auch in Sternkonfiguration, vgl. Schalter S1, S2) im Fahrzustand, wobei zumindest einer der Schalter D1, D2 und/oder D3, die diese (Dreieck-)Konfiguration definieren, zur Überbrückung der Wicklungen W1, W2 und/oder W3 verwendet wird, sodass elektrische Energie zwischen dem DC-Anbindungsanschluss und der Energiespeichereinheit (über mindestens eine Diode des Stromrichters SR) fließen kann. Die Dreieck-Schaltergruppe wird ferner zur Überbrückung zumindest einer Wicklung verwendet, wenn Energie zwischen der Energiespeichereinheit und dem DC-Anbindungsanschluss übertragen werden soll.
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In der 1 ist ferner ein AC-Anbindungsanschluss AC dargestellt, über den in einem Energieübertragungszustand beispielsweise Strom eingespeist werden kann, und über den Schalter D1 (in diesem Fall geschlossen), über den Schalter D2 (in diesem Fall geschlossen) und/oder über den Schalter D3 (in diesem Fall geschlossen) übertragen werden kann. Wenn Energie über den AC-Anbindungsanschluss übertragen wird, so sind die Schalter S1 und S2 vorzugsweise geöffnet. Falls nur einphasig Energie über den AC-Anbindungsanschluss übertragen wird, so kann zumindest ein Schalter der Stern-Schaltergruppe S1, S2 geschlossen sein. In einer alternativen Ausführungsform sind alle Schalter aller Schaltergruppen geöffnet, wenn in einem Energieübertragungszustand Wechselstrom über den AC-Anbindungsanschluss übertragen werden soll.
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Es kann vorgesehen sein, dass sich eine Übertragung von Energie über den AC-Anbindungsanschluss AC und eine Übertragung von Energie über den DC-Anbindungsanschluss DC+, DC– ausschließen. Der Energieübertragungszustand kann somit zwei (sich üblicherweise ausschließende) Zustände umfassen, nämlich einen DC-Energieübertragungszustand und einen AC-Energieübertragungszustand. Im DC-Übertragungszustand wird Energie zwischen dem DC-Anbindungsanschluss und der Energiespeichereinheit ES ausgetauscht, insbesondere über zumindest einen der Schalter der Dreieck-Schaltergruppe und gegebenenfalls auch über einen Schalter der Stern-Schaltergruppe, sowie über zumindest eine Diode des Stromrichters SR. Die Diode kann Teil eines Schalters des Stromrichters sein. Ferner kann eine Diode vorgesehen sein, die an den betreffenden Schalter angeschlossen ist, vergleiche Diode 1'. In einem AC-Energieübertragungszustand kann Energie zwischen dem AC-Anbindungsanschluss und der Energiespeichereinheit ES übertragen werden, hierbei insbesondere über die Wicklungen W1, W2 und W3 (vorzugsweise bei geöffneter Stern-Schaltergruppe S1, S2). Hierbei wird ferner die Energie über den Stromrichter SR insbesondere über dessen Schalter 11 bis 23 übertragen. Wird gleichzeitig die Dreieck-Schaltergruppe geschlossen, so werden im AC-Energieübertragungszustand die Wicklungen W1 bis W3 überbrückt. Sind diese geöffnet, so fließt die Energie durch zumindest eine der Wicklungen W1 bis W3, die in diesem Fall eine Filterwirkung realisieren können.
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Es kann eine (nicht dargestellte) übergeordnete Steuerung vorgesehen sein, die ansteuernd mit den Steuerungen C1 und C2 verbunden ist. Diese übergeordnete Steuerung kann im Fahrtzustand die Schalter jeder Vollwellenbrücke (des Stromrichters SR) wechselweise ansteuern, insbesondere gemäß einem Pulsmodulationsverfahren, und kann eingerichtet sein, alle Schalter 11 bis 23 öffnen, wenn ein Energieübertragungszustand vorliegt. Wie erwähnt kann die übergeordnete Steuerung auch die Konfigurationssteuerung C1 ansteuern, sodass diese je nach gewünschter Konfiguration bzw. bei gewünschter Überbrückung (während einem Energieübertragungszustand) die Schaltergruppen D1 bis D3 sowie S1, S2 wie vorangehend beschrieben ansteuert.
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Während die Schalter 11–23 des Stromrichters SR vorzugsweise für Schaltfrequenzen über ein Kilohertz (vorzugsweise über 10 oder 20 Kilohertz) ausgeschaltet sind, können die Schalter D1 bis D3 sowie S1, S2 für deutlich geringere Schaltfrequenzen ausgestaltet sein, insbesondere für deutlich weniger Schaltspiele während der Lebensdauer als im Vergleich hierzu die Schalter 11 bis 23. Daher kommen für die Schalter D1 bis D3 sowie S1, S2 auch elektromechanische Schalter in Betracht. Die Schalter 11 bis 23 hingegen werden vorzugsweise von einem Transistor gebildet, der als die Inversdioden 1 bis 6 ausbilden kann. Parallel zu der Diode 1, 2 oder 3, zu den Dioden 1 und 3, zu den Dioden 2 und 3, zu den Dioden 1 und 2, oder zu den Dioden 1, 2 und 3 kann jeweils eine (weitere) Diode wie die Diode 1' angeschlossen sein, um die Stromtragfähigkeit zu erhöhen. Die weitere Diode 1' ist parallel zu der (Invers-)Diode 1 angeschlossen und ist antiparallel zu dem Schalter 11 angeschlossen. Die Durchflussrichtung der Diode bzw. der Dioden weist zum positiven Potential P des Stromrichters SR.
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Dadurch, dass zumindest eine der Schalter D1 bis D3 zumindest eine der Wicklungen W1 bis W3 überbrückt, können sehr hohe Ladeleistungen erzielt werden, insbesondere auch dadurch, dass die Leitung durch den Stromrichter hindurch von einem Element vorgesehen wird, dessen Schaltzustand während der Energieübertragung nicht geändert wird. Dies betrifft insbesondere die Diode 1 bzw. die Diode 1', die nicht gemäß einem Schaltstrom ausgestaltet sein muss, sondern für die Energieübertragung im Energieübertragungszustand nur dauerhaft leitend sein muss. Dies kann auch die Dioden 2 und/oder 3 betreffen, falls nicht oder nicht nur D1 im Energieübertragungszustand geschlossen ist. Daher ist hier die (im Vergleich zum Schaltstrom höhere) maximale Stromtragfähigkeit der Diode relevant.
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Wie erwähnt können als Schalter des Stromrichters SR bzw. als Schalter der dort gebildeten Vollbrückenschaltung (mehrphasig) Transistoren verwendet werden, die eine Inversdiode aufweisen. Zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit kann parallel zu zumindest einer der Inversdioden eine zusätzliche Diode wie die Diode 1' parallel geschaltet sein. Diese stört den Betrieb des Stromrichters als Inverter (im Fahrzustand) nicht, da sie in diesem Zustand üblicherweise nicht leitet, und erhöht die maximal übertragbare Leistung im Energieübertragungszustand. Es können alle Schalter mit einer zusätzlichen Diode als diskretes Bauelement ausgestaltet werden (mit einer Flussrichtung wie in 1 dargestellt), es können nur die High-Side-Schalter des Stromrichters mit einer derartigen, zusätzlichen diskreten Diode ausgestattet sein oder es können nur diejenigen High-Side-Schalter mit einer zusätzlichen diskreten Diode ausgestattet sein, über die die Konfigurationssteuerung D1 (durch Ansteuerung des betreffenden Schalters) auch Strom fließen lässt.
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Mit anderen Worten kann so mindestens an einem Schalter des Stromrichters eine Diode als diskretes Bauelement antiparallel angeschlossen sein. Dies ist insbesondere der Fall, wenn als Schalter keine Bauelemente verwendet werden, die eine Inversdiode aufweisen, wobei jedoch auch für den Fall, dass Schaltelemente verwendet werden, die eine Inversdiode aufweisen, eine (zusätzliche) diskrete, antiparallel geschaltete Diode 1' an den betreffenden Schalter angeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- A1–A3
- Wechselstromanschlüsse des Stromrichters SR
- AC
- Anbindungsanschluss
- DC+, DC–
- positiver bzw. negativer Anschluss eines DC-Anbindungsanschlusses
- C1
- Konfigurationssteuerung
- C2
- Stromrichtersteuerung
- D1–D3
- Schalter einer Dreieck-Schaltergruppe bzw. Dreieck-Schaltergruppe
- ES
- Energiespeichereinheit
- P
- Positives Potential bzw. positiver Anschluss des Stromrichters
- S1, S2
- Sternschaltergruppe bzw. Schalter der Sternschaltergruppe
- SR
- Stromrichter, insbesondere als Inverter, vorzugsweise als B6C-Brücke und insbesondere als Vollwellenbrückenschaltung ausgestaltet
- W1–W3
- Wicklungen einer elektrischen Maschine
- T
- positiver Anschluss des Stromrichters (auf einer Gleichstromseite des Stromrichters)
- 1–6
- Inversdiode
- 1'
- zusätzliche Diode als weiteres Bauelement
