DE102017109541B4

DE102017109541B4 - Umschalter, Spannungsversorgung und Antriebssytem

Info

Publication number: DE102017109541B4
Application number: DE102017109541.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Kolb; Patrick Roll; Christian Axtmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-05-04
Filing date: 2017-05-04
Publication date: 2023-04-20
Anticipated expiration: 2037-05-05
Also published as: DE102017109541A1

Abstract

Umschalter (1) zur Erzeugung einer Ausgangsgleichspannung schaltbarer Höhe zwischen einem ersten Ausgang (15) und einem zweiten Ausgang (16) des Umschalters (1), mit
einem ersten Eingang (11) und einem zweiten Eingang (12) zum Anschluss des Umschalters (1) an eine Gleichspannungsquelle (2),
einem dritten Eingang (13) zum Anschluss an einen Mittelabgriff (23) der Gleichspannungsquelle (2);
einem ersten Schalter (T1), einem zweiten Schalter (T2), einem dritten Schalter (T3), einem vierten Schalter (T4), einem fünften Schalter (T5) und einem sechsten Schalter (T6),
und einer Drossel (14), wobei
der fünfte Schalter (T5) und der sechste Schalter (T6) in Serie zueinander und zwischen den ersten Ausgang (15) und den zweiten Ausgang (16) geschaltet sind,
der dritte Schalter (T3) und der vierte Schalter (T4) in Serie zueinander und parallel zu der Serienschaltung aus dem fünften Schalter (T5) und dem sechsten Schalter (T6) geschaltet sind,
die Drossel (14) zwischen den dritten Schalter (T3) und den fünften Schalter (T5) und zwischen den vierten Schalter (T4) und den sechsten Schalter (T6) geschaltet und mit dem dritten Eingang (13) verbunden ist;
der erste Schalter (T1) zwischen den ersten Eingang (11) und den dritten Schalter (T3) geschaltet ist, und
der zweite Schalter (T2) zwischen den zweiten Eingang (12) und den vierten Schalter (T4) geschaltet ist.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Spannungsversorgung insbesondere eines Antriebssystems und betrifft genauer einen Umschalter und eine Spannungsversorgung mit der Möglichkeit der Umschaltung zwischen mehreren Ausgangsgleichspannungen, sowie ein damit versehenes Antriebssystem.
Bei elektrischen Antriebssystemen, die über eine Gleichspannungsquelle, etwa Batterie, Akkumulator oder Brennstoffzelle, mit Energie versorgt werden, wird oftmals ein Stromrichter zwischen der Gleichspannungsquelle und einem Elektromotor des Antriebssystems verwendet. In einem Stromrichter entstehen Verluste; diese sind im Allgemeinen von der Eingangsspannung des Stromrichters, welche von der Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, abhängig, eine höhere Eingangsspannung bedeutet gemeinhin höhere Verluste. Für ein konkretes Antriebssystem ist diese Eingangsspannung durch die Nennspannung des Elektromotors des Antriebssystems bestimmt. Die Nennspannung entspricht typischerweise der maximalen Betriebsspannung für den Elektromotor und ist damit für das konkrete Antriebssystem fest vorgegeben. Allerdings wird der Elektromotor im Antriebssystem nicht beständig auf Volllast laufen. Für den Betrieb im Teillastbereich ist jedoch häufig eine geringere Betriebsspannung am Elektromotor ausreichend, so dass auch die Eingangsspannung des Stromrichters abgesenkt werden könnte. Dadurch würden die Verluste im Stromrichter, und auch im Elektromotor, abgesenkt. Eine solche Reduzierung von Verlusten ist, neben dem allgemeinen Effekt der Energieeinsparung, insbesondere in Anwendungsfällen mit begrenztem Energievorrat, etwa im Bereich der Elektromobilität, von Interesse. Im Bereich der Elektromobilität ergibt sich dabei bei gleichbleibender Speicherkapazität eines Energiespeichers eine gesteigerte Reichweite. Aufgrund der kapazitiven Eingangscharakteristik eines Stromrichters kann die Eingangsspannung des Stromrichters jedoch nicht beliebig schnell geändert werden, da sonst Ausgleichsströme fließen würden, die zur Zerstörung von Stromrichter und Gleichspannungsquelle führen könnten. Das schließt auch das harte Umschalten zwischen zwei oder mehr Spannungsquellen unterschiedlicher Spannung zur wechselweisen Speisung des Stromrichters aus.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2012 204 965 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung mit mehreren Batteriemodulen zur Vorladung eines Kondensators eines Gleichspannungszwischenkreises sowie ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines Batteriesystems.
Das deutsche Patent DE 481 891 A offenbart eine Schaltungsanordnung zum wahlweisen Ein- und Ausschalten von Hilfszellen zusätzlich zu einer vorhandenen Batterie. Hierbei werden vorübergehend zur Strombegrenzung Widerstände zugeschaltet.
Ebenfalls bekannt ist die Verwendung von DC/DC-Stellern, z.B. aus dem Beitrag von C. Klöffer, J. Weigold, M. Doppelbauer „Der elektrische Antriebsstrang mit wirkungsgradoptimierten Betriebsparametern“, EMA 2012 - Elektromobilitätsausstellung und Fachtagung, Nürnberg, 2013.
Sowohl bei der Verwendung von DC/DC-Stellern als auch bei einer Anordnung mit vorübergehend zugeschalteten Widerständen entstehen signifikante Verluste.
Aus der DE 10 2016 112 958 A1 ist ein Umschalter zur Erzeugung einer Ausgangsgleichspannung schaltbarer Höhe zwischen einem ersten Ausgang und einem zweiten Ausgang des Umschalters bekannt, mit einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang zum Anschluss des Umschalters an eine Gleichspannungsquelle, einem ersten Schalter, einem zweiten Schalter, einem dritten Schalter, einem vierten Schalter und einer Drossel. Der erste Schalter und der zweite Schalter sind in Serie zueinander geschaltet. Der dritte Schalter und der vierte Schalter sind in Serie zueinander und parallel zu der Serienschaltung aus dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter geschaltet. Die Drossel ist zwischen den ersten Schalter und den dritten Schalter und zwischen den zweiten Schalter und den vierten Schalter geschaltet.
Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Umschalter anzugeben, mit dem bei möglichst geringen Verlusten eine Ausgangsgleichspannung zwischen verschiedenen Werten geschaltet werden kann.
Ebenso sollen eine dementsprechend ausgebildete Spannungsversorgung und ein entsprechendes Antriebssystem, sowie Verfahren zu deren Betrieb angegeben werden.
Die Aufgabe hinsichtlich des Umschalters wird gelöst durch einen Umschalter gemäß Anspruch 1. Hinsichtlich Spannungsversorgung, Antriebssystem und Verfahren wird die jeweilige Aufgabe gelöst durch den Gegenstand von Anspruch 3, 5 bzw. 8.
Der erfindungsgemäße Umschalter weist einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang auf, und ist dazu vorgesehen, zwischen diesem ersten Ausgang und zweiten Ausgang eine Ausgangsgleichspannung schaltbarer Höhe zu erzeugen. Der Umschalter verfügt über einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang, die zum Anschluss des Umschalters an eine Gleichspannungsquelle vorgesehen sind. Bei angeschlossener Gleichspannungsquelle liegt zwischen dem ersten Eingang und dem zweiten Eingang die von der Gleichspannungsquelle bereitgestellte Spannung an.
Erfindungsgemäß weist der Umschalter einen dritten Eingang auf, der zum Anschluss an einen Mittelabgriff der Gleichspannungsquelle vorgesehen ist. Bei angeschlossener Gleichspannungsquelle liegt zwischen dem dritten Eingang und dem zweiten Eingang eine erste Spannung und zwischen dem ersten Eingang und dem dritten Eingang eine zweite Spannung. Die erste Spannung und die zweite Spannung addieren sich dabei zur Spannung zwischen dem ersten Eingang und dem zweiten Eingang.
Der Umschalter weist sechs Schalter auf, im Weiteren als erster, zweiter, dritter, vierter, fünfter und sechster Schalter bezeichnet, sowie eine Drossel. Um die gewünschte Funktion zu erzielen, sind diese Elemente so verschaltet, dass dritter, vierter, fünfter und sechster Schalter sowie die Drossel eine Brückenschaltung bilden, welche zwischen den ersten und zweiten Ausgang des Umschalters geschaltet ist, und welche über ersten und zweiten Schalter mit dem ersten bzw. zweiten Eingang des Umschalters verbunden ist, während die Drossel mit dem dritten Eingang verbunden ist.
Genauer sind die genannten Elemente wie folgt angeordnet: Der fünfte und der sechste Schalter sind in Serie zueinander und zwischen den ersten Ausgang und den zweiten Ausgang geschaltet. Der dritte und der vierte Schalter sind in Serie zueinander geschaltet, und diese Serienschaltung ist parallel zu der Serienschaltung aus dem fünften und sechsten Schalter geschaltet. Die Drossel ist zwischen den dritten und fünften Schalter geschaltet, ebenso zwischen den vierten und sechsten Schalter, und ist außerdem mit dem dritten Eingang verbunden. Der erste Schalter ist zwischen den ersten Eingang und den dritten Schalter geschaltet, der zweite Schalter ist zwischen den zweiten Eingang und den vierten Schalter geschaltet. Die Drossel kann insbesondere einen Verbindungspunkt, an welchem der fünfte Schalter mit dem sechsten Schalter verbunden ist, mit einem Verbindungspunkt, an welchem der dritte Schalter mit dem vierten Schalter verbunden ist, verbinden.
Diese Konfiguration des Umschalters erlaubt es, durch geeignete Betätigung der Schalter, das heißt, durch Wechsel eines Schalters vom Zustand „offen“ in den Zustand „geschlossen“ oder umgekehrt, wie weiter unten noch näher ausgeführt wird, eine Ausgangsgleichspannung zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang wahlweise auf einen von drei verschiedenen Werten einzustellen. Dabei wird die Drossel nur während eines Umschaltvorgangs bestromt und kann entsprechend klein dimensioniert werden. Entsprechend reduzieren sich in der Drossel auftretende Verluste durch parasitäre Effekte. Die Einstellung der Ausgangsgleichspannung erlaubt nach dem eingangs Gesagten die Reduktion von Verlusten in nachgeordneten Geräten, etwa einem Stromrichter und/oder einem Elektromotor.
Der erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Schalter sind in bevorzugten Ausführungsformen Halbleiterbauelemente, besonders bevorzugt Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik, etwa IGBTs (insulated-gate bipolar transistors, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) oder MOSFETs (metal oxide semiconductor field-effect transistors, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren). Als erster, zweiter, dritter, vierter, fünfter und sechster Schalter können Schalter allgemeiner Art eingesetzt werden, insbesondere auch mechanische Schalter, etwa Schütze oder Relais. Die Erfindung ist also nicht auf den Einsatz von Halbleiterbauelementen als Schalter beschränkt. Es empfiehlt sich, als Bestandteil jedes Schalters eine Freilaufdiode vorzusehen, welche die Ströme führen kann, welche bei einem Schaltvorgang aufgrund der Induktivität der Drossel auftreten. Im Falle der Realisierung eines Schalters durch einen MOSFET ist die Freilaufdiode in den MOSFET integriert.
Sind der erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Schalter durch IGBTs realisiert, so ist insbesondere ein Emitter des dritten Schalters mit einem Kollektor des vierten Schalters verbunden, und ein Emitter des fünften Schalters ist mit einem Kollektor des sechsten Schalters verbunden. Ferner ist ein Emitter des ersten Schalters mit einem Kollektor des dritten Schalters und ein Emitter des vierten Schalters mit einem Kollektor des zweiten Schalters verbunden. Ein Kollektor des ersten Schalters ist mit dem ersten Eingang des Umschalters verbunden, ein Emitter des zweiten Schalters ist mit dem zweiten Eingang des Umschalters verbunden. Der erste Ausgang des Umschalters ist mit einem Kollektor des fünften Schalters und dieser mit dem Kollektor des dritten Schalters verbunden. Der zweite Ausgang des Umschalters ist mit einem Emitter des sechsten Schalters und dieser mit dem Emitter des vierten Schalters verbunden.
Sind der erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Schalter durch MOSFETs realisiert, so ist insbesondere ein Source-Kontakt des dritten Schalters mit einem Drain-Kontakt des vierten Schalters verbunden, und ein Source-Kontakt des fünften Schalters ist mit einem Drain-Kontakt des sechsten Schalters verbunden. Ferner ist ein Source-Kontakt des ersten Schalters mit einem Drain-Kontakt des dritten Schalters und ein Source-Kontakt des vierten Schalters mit einem Drain-Kontakt des zweiten Schalters verbunden. Ein Drain-Kontakt des ersten Schalters ist mit dem ersten Eingang des Umschalters verbunden, ein Source-Kontakt des zweiten Schalters ist mit dem zweiten Eingang des Umschalters verbunden. Der erste Ausgang des Umschalters ist mit einem Drain-Kontakt des fünften Schalters verbunden und dieser mit dem Drain-Kontakt des dritten Schalters. Der zweite Ausgang des Umschalters ist mit einem Source-Kontakt des sechsten Schalters und dieser mit dem Source-Kontakt des vierten Schalters verbunden.
Der erfindungsgemäße Umschalter kann zusammen mit einer Gleichspannungsquelle eine erfindungsgemäße Spannungsversorgung bilden. Dabei ist der erste Eingang des Umschalters mit einem ersten Pol der Gleichspannungsquelle verbunden, und der zweite Eingang des Umschalters ist mit einem zweiten Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Der dritte Eingang des Umschalters ist mit einem Mittelabgriff der Gleichspannungsquelle verbunden.
Bei der Gleichspannungsquelle kann es sich beispielsweise, ohne die Erfindung darauf zu beschränken, um eine Batterie, einen Akkumulator oder eine Brennstoffzelle handeln.
In Ausführungsformen umfasst die Spannungsversorgung einen Stromrichter, der zwischen den ersten Ausgang und den zweiten Ausgang des Umschalters geschaltet ist. Da der erfindungsgemäße Umschalter verschiedene Ausgangsgleichspannungen zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang des Umschalters einstellen kann, ist es, je nach Anforderung an die Spannungsversorgung, möglich, den Stromrichter mit einer geringeren als der maximalen Betriebsspannung zu betreiben; somit können Verluste im Stromrichter reduziert werden, was insgesamt zu einer effizienteren Spannungsversorgung führt.
Eine erfindungsgemäße Spannungsversorgung kann zur Spannungsversorgung eines Elektromotors vorgesehen werden und dann zusammen mit dem Elektromotor ein erfindungsgemäßes Antriebssystem bilden. Ein solches erfindungsgemäßes Antriebssystem ist, wegen der reduzierten Verluste in der Spannungsversorgung, und auch im Elektromotor, effizienter als entsprechende Antriebssysteme aus dem Stand der Technik. Ein erfindungsgemäßes Antriebssystem kann zum Antrieb eines Fortbewegungsmittels, etwa eines Automobils, eingesetzt werden. Da das erfindungsgemäße Antriebssystem effizienter ist als entsprechende Antriebssysteme aus dem Stand der Technik, ergibt sich, bei gleicher Energiespeicherkapazität des Fortbewegungsmittels, eine gegenüber dem Stand der Technik gesteigerte Reichweite des Fortbewegungsmittels.
Die Erfindung kann vorteilhaft auch in anderen Bereichen eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Umschalter eignet sich allgemein zum Verbinden von Gleichspannungen und ist daher auch für den Einsatz in Gleichspannungsnetzen, insbesondere bei der Hochspannungsgleichstromübertragung, geeignet.
Die Konfiguration des erfindungsgemäßen Umschalters ermöglicht ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung, welches folgendermaßen beschrieben werden kann:

Beim Betrieb der Spannungsversorgung liegt zwischen dem Mittelabgriff der Spannungsquelle und dem zweiten Pol der Spannungsquelle, und damit zwischen dem dritten Eingang des Umschalters und dem zweiten Eingang des Umschalters, eine erste Spannung an. Zwischen dem ersten Pol der Spannungsquelle und dem Mittelabgriff der Spannungsquelle, und damit zwischen dem ersten Eingang und dem dritten Eingang des Umschalters, liegt eine zweite Spannung an.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass je nach Schalterstellung verschiedene Ausgangsgleichspannungen zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang des Umschalters anliegen.
Insbesondere liegt zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang des Umschalters eine erste Ausgangsgleichspannung an, wenn der zweite Schalter und der dritte Schalter geschlossen, sowie der erste, vierte, fünfte und sechste Schalter geöffnet sind.
Andererseits liegt zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang des Umschalters eine zweite Ausgangsgleichspannung an, wenn der erste Schalter und der vierte Schalter geschlossen, sowie der zweite, dritte, fünfte und sechste Schalter geöffnet sind.
Ferner liegt zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang des Umschalters eine dritte Ausgangsgleichspannung an, wenn der erste Schalter und der zweite Schalter geschlossen, sowie der dritte, vierte, fünfte und sechste Schalter geöffnet sind.
Dabei gilt, von geringfügigen, unvermeidlichen Verlusten jeweils abgesehen: Die erste Ausgangsgleichspannung ist gleich der ersten Spannung, also der Spannung zwischen dem dritten Eingang des Umschalters und dem zweiten Eingang des Umschalters. Die zweite Ausgangsgleichspannung ist gleich der zweiten Spannung, also der Spannung zwischen dem ersten Eingang des Umschalters und dem dritten Eingang des Umschalters. Die dritte Ausgangsgleichspannung ist gleich der Spannung zwischen dem ersten Eingang des Umschalters und dem zweiten Eingang des Umschalters.
Zwischen der ersten, zweiten und dritten Ausgangsgleichspannung kann durch entsprechendes Betätigen der Schalter umgeschaltet werden. Die Umschaltvorgänge sind dabei im Vergleich zum Stand der Technik nur mit geringen Verlusten verbunden, was wiederum zu höherer Effizienz führt. Hierzu trägt bei, dass die Drossel des Umschalters nur während eines jeweiligen Umschaltvorgangs Strom führt. Verfügt die Spannungsversorgung über einen an die Ausgänge des Umschalters angeschlossenen Stromrichter, so können durch Anpassung der Ausgangsgleichspannung des Umschalters, welche in diesem Fall die Eingangsspannung des Stromrichters bildet, auch Verluste im Stromrichter reduziert werden.
Bei Einsatz eines Stromrichters kann ein in dem Stromrichter vorgesehener Kondensator (Zwischenkreiskondensator) eine Änderung der für einen mit der Spannungsversorgung verbundenen Verbraucher bereitgestellten Ausgangsspannung der Spannungsversorgung durch die in dem Kondensator gespeicherte Energie unterstützen. Diese Möglichkeit hängt aber von einem Betriebspunkt des Verbrauchers ab. In diesem Fall ergibt sich ein reduzierter Strom durch die Drossel, im Idealfall bleibt die Drossel bei Änderung der Ausgangsspannung stromfrei.
Wie bereits erwähnt kann eine erfindungsgemäße Spannungsversorgung in einem Antriebssystem mit einem Elektromotor verwendet werden. Dabei kann die Umschaltung zwischen der ersten, zweiten und dritten Ausgangsgleichspannung des Umschalters entsprechend den Anforderungen des Elektromotors in der jeweiligen Betriebssituation des Antriebssystems erfolgen.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch weiter erläutert. Die Zeichnungen zeigen Ausführungsformen der Erfindung, ohne dass sie die Erfindung auf die spezifischen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränken.

1 zeigt die direkte Speisung eines Stromrichters aus einer Gleichspannungsquelle, wie es dem Stand der Technik entspricht.
2 zeigt einen DC/DC-Steller gemäß dem Stand der Technik.
3 zeigt ein Gesamtschaltbild eines erfindungsgemäßen Antriebssystems.
4 zeigt den erfindungsgemäßen Umschalter für den Fall einer ersten Ausgangsgleichspannung.
5 zeigt den erfindungsgemäßen Umschalter für den Fall einer zweiten Ausgangsgleichspannung.
6 zeigt den erfindungsgemäßen Umschalter für den Fall einer dritten Ausgangsgleichspannung.
7 erläutert den Umschaltvorgang zwischen zwei verschiedenen Ausgangsgleichspannungen.
8 zeigt eine Gesamtdarstellung möglicher Umschaltvorgänge.
9 zeigt beispielhaft den Zeitverlauf von Ausgangsgleichspannung und Drosselstrom bei Umschaltvorgängen.
1 zeigt einen bekannten Stromrichter 3, über welchen ein Elektromotor 4 mit Spannung versorgt wird. Der Stromrichter 3 wird aus einer Gleichspannungsquelle 2 gespeist, welche eine Eingangsspannung für den Stromrichter 3 bereitstellt. Die Eingangsspannung für den Stromrichter 3 kann hier nicht variiert werden. Es entstehen entsprechende Verluste im Stromrichter 3, auch dann, wenn zum Betrieb des Elektromotors 4 vorübergehend eine geringere Eingangsspannung am Stromrichter 3 ausreichen würde, welche geringere Verluste im Stromrichter 3 zur Folge haben würde. Die Verwendung einer Schaltung wie in 1 gezeigt ist in Elektro- oder Hybridfahrzeugen üblich.
2 zeigt die ebenfalls bekannte Verwendung eines DC/DC-Stellers 5, welcher zwischen Gleichspannungsquelle 2 und Stromrichter 3 geschaltet ist. Der Stromrichter 3 versorgt einen Elektromotor 4 mit Spannung. Der DC/DC-Steller 5 beinhaltet Halbleiterelemente 51 und 52, sowie eine Drossel 53. Der DC/DC-Steller 5 erzeugt aus der festen Spannung der Gleichspannungsquelle 2 eine innerhalb gewisser Grenzen kontinuierlich frei einstellbare Spannung, durch welche in der gezeigten Anordnung der Stromrichter 3 gespeist wird. Hierbei führt die Drossel 53 dauerhaft mindestens einen Teil des von der Gleichspannungsquelle 2 gelieferten Stroms (typischerweise bis zu mehreren Hundert Ampere) und muss daher eine gewisse Größe aufweisen. Die Halbleiterelemente 51, 52 werden mit hoher Frequenz (typischerweise 4 kHz bis 20 kHz) geschaltet, um den Strom durch die Drossel 53 einzustellen. Dabei entstehen in den Halbleiterelementen 51, 52 Schaltverluste, die proportional zum Drosselstrom, zur Ausgangsspannung des DC/DC-Stellers 5 und zur Schaltfrequenz der Halbleiterelemente 51, 52 sind. Zusätzlich entstehen in den Halbleiterelementen 51, 52 Leitverluste, die überproportional zum Drosselstrom sind.
Allerdings ist es möglich, den Stromrichter 3 im Teillastbereich mit geringerer Spannung zu betreiben, so dass Verluste im Stromrichter 3 gesenkt werden können.

Es sind Optimierungsverfahren für die Gesamtverluste im Antriebssystem bei Verwendung von DC/DC-Stellern bekannt, etwa aus dem Beitrag „Fahrzyklusbasierte Auslegung eines DC/DC-Wandlers zur wirkungsgradoptimalen Anpassung der Zwischenkreisspannung“ von C. Klöffer, M. Veigel, M. Doppelbauer, ETG-Kongress 2013, Berlin 2013, und aus der Dissertation von C. Klöffer, „Reichweitenverlängerung von Elektrofahrzeugen durch Optimierung des elektrischen Antriebsstranges“, Karlsruhe, KIT, 2015, DOI: 10.5445/IR/1000049483.
3 zeigt ein Gesamtschaltbild eines erfindungsgemäßen Antriebssystems 100. Ein Elektromotor 4 wird über einen bekannten Stromrichter 3 gespeist. Der Stromrichter 3 erhält seine Eingangsspannung von einem erfindungsgemäßen Umschalter 1, welcher wiederum mit Gleichspannungsquelle 2 verbunden ist.
Gleichspannungsquelle 2, Umschalter 1 und Stromrichter 3 bilden eine Spannungsversorgung 110 für das Antriebssystem 100.
Der erfindungsgemäße Umschalter 1 beinhaltet eine Drossel 14, sowie einen ersten Schalter T1, einen zweiten Schalter T2, einen dritten Schalter T3, einen vierten Schalter T4, einen fünften Schalter T5 und einen sechsten Schalter T6. Bei den Schaltern T1, T2, T3, T4, T5 und T6 handelt es sich bevorzugt um Halbleiterbauelemente, insbesondere Leistungshalbleiter. Ferner weist der Umschalter 1 einen ersten Eingang 11, einen zweiten Eingang 12, einen dritten Eingang 13, einen ersten Ausgang 15 und einen zweiten Ausgang 16 auf.
Jeder der gezeigten Schalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 verfügt in der gezeigten Ausführungsform über eine Freilaufdiode D, welche dazu vorgesehen ist, bei einem Schaltvorgang die Ströme zu führen, die dabei aufgrund der Induktivität der Drossel 14 auftreten. Freilaufdioden D können auch verwendet werden, wenn die Schalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 mechanische Schalter sind.
Der Strom durch die Drossel 14 ist mit i_L bezeichnet, die Spannung an der Drossel 14 mit u_L. Im Stromrichter 3 ist ein Kondensator 31 vorhanden, an dem eine Spannung uc abfällt, und über den ein Strom ic fließt. Ferner ist für den Stromrichter 3 auch noch ein Strom i_SR angegeben.
Die Gleichspannungsquelle 2 hat einen ersten Pol 21, einen zweiten Pol 22 und einen Mittelabgriff 23. In der gezeigten Schaltung ist der erste Pol 21 der Gleichspannungsquelle 2 mit dem ersten Eingang 11 des Umschalters 1, der zweite Pol 22 der Gleichspannungsquelle 2 mit dem zweiten Eingang 12 des Umschalters 1 und der Mittelabgriff 23 der Gleichspannungsquelle 2 mit dem dritten Eingang 13 des Umschalters 1 verbunden. Zwischen dem Mittelabgriff 23 und dem zweiten Pol 22 liegt eine Spannung U_b, zwischen dem ersten Pol 21 und dem Mittelabgriff 23 liegt eine Spannung U_a.
4, 5 und 6 zeigen jeweils den erfindungsgemäßen Umschalter 1, der mit seinen Elementen bereits im Zusammenhang mit der 3 beschrieben worden ist, verbunden mit der ebenfalls in 3 beschriebenen Gleichspannungsquelle 2 und dem nur zum Teil gezeigten Stromrichter 3. Die 4, 5 und 6 stellen jeweils einen Ausschnitt aus der Schaltung der 3 dar, illustrieren jedoch drei verschiedene Zustände dieser Schaltung, welche sich durch verschiedene Schalterzustände der Schalter T1, T2, T3, T4, T5 und T6 ergeben. Dabei kann jeder dieser Schalter unabhängig von den anderen Schaltern geöffnet sein, d.h. es kann kein Strom durch den jeweiligen Schalter fließen, oder geschlossen sein, d.h. es kann Strom durch den jeweiligen Schalter fließen. Ist einer der Schalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 geschlossen, so wird dies im Weiteren mitunter auch dadurch angegeben, dass der jeweilige Schalter „an“ oder „ein“ ist. Ist einer der Schalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 geöffnet, so wird dies im Weiteren mitunter auch dadurch angegeben, dass der jeweilige Schalter „aus“ ist.
In der 4 sind die Schalter T2 und T3 geschlossen, also an oder ein, die Schalter T1, T4, T5 und T6 sind dagegen geöffnet, also aus. Bei dieser Schalterkonfiguration liegt zwischen dem ersten Ausgang 15 und dem zweiten Ausgang 16 des Umschalters 1 die Spannung U_b, also die Spannung zwischen dem Mittelabgriff 23 und dem zweiten Pol 22 der Gleichspannungsquelle 2. Über die Drossel 14 fließt dabei kein Strom (i_L=0).
In der 5 sind die Schalter T1 und T4 geschlossen, also an oder ein, die Schalter T2, T3, T5 und T6 sind dagegen geöffnet, also aus. Bei dieser Schalterkonfiguration liegt zwischen dem ersten Ausgang 15 und dem zweiten Ausgang 16 des Umschalters 1 die Spannung U_a, also die Spannung zwischen dem ersten Pol 21 und dem Mittelabgriff 23 der Gleichspannungsquelle 2. Über die Drossel 14 fließt dabei kein Strom (i_L=0).
In der 6 sind die Schalter T1 und T2 geschlossen, also an oder ein, die Schalter T3, T4, T5 und T6 sind dagegen geöffnet, also aus. Bei dieser Schalterkonfiguration liegt zwischen dem ersten Ausgang 15 und dem zweiten Ausgang 16 des Umschalters 1 die Spannung U_a+U_b, also die Spannung zwischen dem ersten Pol 21 und dem zweiten Pol 22 der Gleichspannungsquelle 2. Über die Drossel 14 fließt dabei kein Strom (i_L=0).
7 zeigt ein Beispiel eines Umschaltvorgangs mit dem erfindungsgemäßen Umschalter 1. Genauer wird von dem in 4 gezeigten Zustand auf den in 6 gezeigten Zustand umgeschaltet. Der Umschaltvorgang beginnt in einem Stadium I, welches dem in 4 gezeigten Zustand entspricht.
Es wird der Schalter T6 geschlossen, wodurch man in das Stadium II gelangt. Hier sind die Schalter T2, T3 und T6 ein. Ferner fließt ein Strom durch die Drossel 14 (i_L≠0).
Durch Öffnen der Schalter T3 und T6, und Schließen des Schalters T5 gelangt man in das Stadium III, in welchem die Schalter T2 und T5 an sind, während die Schaler T1, T3, T4 und T6 aus sind. Ferner fließt ein Strom durch die Drossel 14 (i_L≠₀).
Durch Schließen des Schalters T1 und Öffnen des Schalters T5 gelangt man in das Stadium IV, welches dem in 6 gezeigten Zustand entspricht.
Wie ersichtlich ist, fließt nur während des Umschaltvorgangs (Stadium II und Stadium III) Strom durch die Drossel 14, aber nicht in einem der in den 4, 5, oder 6 gezeigten Zustände. Im Stadium II wird Strom durch die Drossel 14 geleitet, und so Energie in der Drossel 14 gespeichert. Diese Energie wird zur Änderung der Spannung am Kondensator 31 (Zwischenkreiskondensator) benötigt. Ist die hierzu erforderliche Energie in der Drossel 14 erreicht, wird sie resonant in den Kondensator 31 umgeladen; dies geschieht im Stadium III. Sobald dieser Umladevorgang hinreichend fortgeschritten ist, wird in das Stadium IV übergegangen.
Eine Umschaltung wie in der 7 als Beispiel und unten in 8 als Übersicht dargestellt, erfolgt nur dann, wenn sich die Betriebsbedingungen für den Elektromotor 4 ändern, z.B. Wechsel aus Teillastbetrieb in den Volllastbetrieb oder umgekehrt. Daher liegt die Schaltfrequenz der Schalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 typischerweise bei wenigen Hertz oder sogar darunter. Die im Zusammenhang mit dem DC/DC-Steller aus dem Stand der Technik erwähnten, durch die vergleichsweise hohe Schaltfrequenz des DC/DC-Stellers bedingten, Schaltverluste werden daher praktisch beseitigt. Eine Drossel ist als Induktivität, ebenso wie ein Kondensator als Kapazität, ein Blindelement, an dem, von parasitären Effekten abgesehen, nur Blindleistung, keine Wirkleistung umgesetzt wird. Auch dadurch werden Verluste gering gehalten, insbesondere im Vergleich zu einer Schaltung aus dem Stand der Technik mit vorübergehender Zuschaltung von Widerständen. Da die Drossel nur während eines Umschaltvorgangs Strom führt, kann die Drossel im Vergleich zu einem bei gleicher Leistung operierenden DC/DC-Steller kleiner ausgelegt werden und bewirkt geringere parasitäre Verluste als eine größere Drossel, welche beständig Strom führt. Der erfindungsgemäße Umschalter kann ferner kleiner und leichter ausgelegt werden als die diskutierten Schaltungen aus dem Stand der Technik, erzielt jedoch bei Einsatz in einem Antriebssystem wie im Stand der Technik eine vergleichbare Wirkung. Somit ergibt sich auch eine Gewichtsersparnis.
8 zeigt eine Übersicht über mögliche Zustände und Übergänge in einem Umschalter 1. Dabei sind Zustände als Boxen 80 dargestellt, und durch eine Kennziffer 81 bezeichnet. In jeder Box 80 ist angegeben, welche der Schalter T1, T2, T3, T4, T5 und T6 in dem jeweiligen Zustand an sind. Pfeile zeigen Übergänge zwischen Zuständen an und sind mit Bedingungen an Strom- und Spannungsgrößen in der Schaltung bezeichnet. Dabei ist der Strom in der Drossel 14 mit I_L bezeichnet, die Spannungen U_a und U_b aus 3 bis 6 sind durch U_A und U_B bezeichnet, und i_SR aus 3 ist mit I_SR bezeichnet. Die Größe Y bezeichnet die Quadratwurzel aus C/L, mit C der Kapazität des Kondensators 31 und L der Induktivität der Drossel 14.
Der Zustand 1.0 entspricht dem in 4 gezeigten Zustand, der Zustand 2.0 entspricht dem in 5 gezeigten Zustand, und der Zustand 3.0 entspricht dem in 6 gezeigten Zustand.
Dem in 7 diskutierten Umschaltvorgang entspricht in der 8 die Zustandsfolge 1.0 (Stadium I in 7), 1.1 (Stadium II, Laden der Drossel 14), 1.2 (Stadium III, resonantes Umladen der in der Drossel 14 gespeicherten Energie in den Kondensator 31, in 8 als „Aufschwingen“ bezeichnet), 3.0 (Stadium IV, in 6 gezeigter Zustand). Beim umgekehrten Übergang vom Zustand 3.0 in den Zustand 1.0 wird Energie aus dem Kondensator 31 in die Drossel 14 übertragen, was in 8 als Abschwingen bezeichnet wird.
Bei anderen Übergängen, etwa von 1.0 über 1.3 und, je nach Werten von U_A und U_B, 1.4 oder 1.5 zu 2.0, wird jeweils Energie zwischen der Drossel 14 und dem Kondensator 31 verschoben, in 8 als „Umschwingen“ bezeichnet. Ob dabei die Drossel 14 oder der Kondensator 31 Energie aufnimmt, hängt von den Werten von U_A und U_B ab. Lediglich bei Übergang von einem der Zustände 1.0 oder 2.0 in den Zustand 3.0 ist eindeutig, dass Energie von der Drossel 14 in den Kondensator 31 verschoben werden muss, so dass das „Umschwingen“ hier als „Aufschwingen“ bezeichnet werden kann, entsprechend bei umgekehrtem Übergang als „Abschwingen“.
Der Parameter d ist eine Größe, über die das Schaltverhalten der Anordnung angepasst werden kann. Wie in 8 dargestellt, legt der Wert von d die Bedingung an die Spannung u_c am Kondensator 31 fest, bei der aus einem Abschwing-, Aufschwing- oder Umschwingzustand in den jeweils angestrebten Endzustand 1.0, 2.0 oder 3.0 geschaltet wird. Damit legt der Wert von d fest, wann ein Umladevorgang hinreichend fortgeschritten, wie zu 7 erwähnt, ist.
9 zeigt den Zeitverlauf von Spannung uc am Kondensator 31 und Strom i_L in der Drossel 14. Der Zeitverlauf der Spannung am Kondensator 31 ist durch Kurve 91 wiedergegeben, der Zeitverlauf des Stroms in der Drossel 14 durch die Kurve 92.
Entlang der Abszisse 93 sind außerdem Abschnitte markiert, welche mit Kennziffern 81 von Zuständen aus 8 bezeichnet sind; die Kennziffern geben jeweils an, in welchem Zustand sich der Umschalter 1 während des jeweiligen Abschnitts befindet.
Es wird hier nochmals deutlich, dass in den Zuständen 1.0, 2.0, 3.0, also den Zuständen mit einer von drei definierten Ausgangsgleichspannungen zwischen dem ersten Ausgang 15 und dem zweiten Ausgang 16 des Umschalters 1, kein Strom durch die Drossel 14 fließt; die Drossel 14 führt nur während des Umschaltens zwischen solchen Zuständen Strom.
Es sei ergänzt, dass die gezeigten Kurven das Ergebnis einer Simulation sind, in welcher U_A=150V, U_B=200V, Kapazität des Kondensators 31 C=500µF, und Induktivität der Drossel 14 L=10mH gewählt wurden. Der Parameter d hatte den Wert 0,01. Damit wird die Eingangsspannung am Umschalter 1, also je nach gewünschtem Endzustand die von der Gleichspannungsquelle 2 bereitgestellte erste Spannung, oder zweite Spannung oder die Summe aus erster und zweiter Spannung, hart an die Ausgänge des Umschalters 1 geschaltet, wenn in Folge eines Umschwingvorgangs (Abschwing- oder Aufschwingvorgangs) die Differenz zur Kondensatorspannung kleiner als 1 % ist.
Bezugszeichenliste

1: Umschalter
11: erster Eingang
12: zweiter Eingang
13: dritter Eingang
14: Drossel
15: erster Ausgang
16: zweiter Ausgang
2: Gleichspannungsquelle
21: erster Pol
22: zweiter Pol
23: Mittelabgriff
3: Stromrichter
31: Kondensator
4: Elektromotor
5: DC/DC-Steller
51: Halbleiterelement
52: Halbleiterelement
53: Drossel
80: Box
81: Kennziffer
91: Kurve (Spannungsverlauf am Kondensator)
92: Kurve (Stromverlauf in Drossel)
93: Abszisse
100: Antriebssystem
110: Spannungsversorgung
T1, T2, T3, T4, T5, T6: erster, zweiter, dritter, vierter, fünfter, sechster Schalter
D: Freilaufdiode

Claims

Umschalter (1) zur Erzeugung einer Ausgangsgleichspannung schaltbarer Höhe zwischen einem ersten Ausgang (15) und einem zweiten Ausgang (16) des Umschalters (1), mit einem ersten Eingang (11) und einem zweiten Eingang (12) zum Anschluss des Umschalters (1) an eine Gleichspannungsquelle (2), einem dritten Eingang (13) zum Anschluss an einen Mittelabgriff (23) der Gleichspannungsquelle (2); einem ersten Schalter (T1), einem zweiten Schalter (T2), einem dritten Schalter (T3), einem vierten Schalter (T4), einem fünften Schalter (T5) und einem sechsten Schalter (T6), und einer Drossel (14), wobei der fünfte Schalter (T5) und der sechste Schalter (T6) in Serie zueinander und zwischen den ersten Ausgang (15) und den zweiten Ausgang (16) geschaltet sind, der dritte Schalter (T3) und der vierte Schalter (T4) in Serie zueinander und parallel zu der Serienschaltung aus dem fünften Schalter (T5) und dem sechsten Schalter (T6) geschaltet sind, die Drossel (14) zwischen den dritten Schalter (T3) und den fünften Schalter (T5) und zwischen den vierten Schalter (T4) und den sechsten Schalter (T6) geschaltet und mit dem dritten Eingang (13) verbunden ist; der erste Schalter (T1) zwischen den ersten Eingang (11) und den dritten Schalter (T3) geschaltet ist, und der zweite Schalter (T2) zwischen den zweiten Eingang (12) und den vierten Schalter (T4) geschaltet ist.
Umschalter (1) nach Anspruch 1, wobei die ersten bis sechsten Schalter (T1, T2, T3, T4, T5, T6) Halbleiterbauelemente oder mechanische Schalter sind.
Spannungsversorgung (110), mit einer Gleichspannungsquelle (2), und einem Umschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der erste Eingang (11) des Umschalters mit einem ersten Pol (21) der Gleichspannungsquelle (2) verbunden ist, der zweite Eingang (12) des Umschalters (1) mit einem zweiten Pol (22) der Gleichspannungsquelle (2) verbunden ist, und der dritte Eingang (13) des Umschalters (1) mit einem Mittelabgriff (23) der Gleichspannungsquelle (2) verbunden ist.
Spannungsversorgung (110) nach Anspruch 3, mit einem Stromrichter (3), der zwischen den ersten Ausgang (15) und den zweiten Ausgang (16) des Umschalters (1) geschaltet ist.
Antriebssystem (100) mit einem Elektromotor (4), der durch eine Spannungsversorgung (110) nach einem der Ansprüche 3 oder 4 mit Spannung versorgbar ist.
Fortbewegungsmittel, mit einem Antriebssystem (100) nach Anspruch 5.
Fortbewegungsmittel nach Anspruch 6, wobei das Fortbewegungsmittel ein Automobil ist.
Verfahren zum Betrieb einer Spannungsversorgung (110) nach Anspruch 3 oder 4, wobei zwischen dem Mittelabgriff (23) und dem zweiten Pol (22) der Gleichspannungsquelle (2) eine erste Spannung anliegt und zwischen dem ersten Pol (21) der Gleichspannungsquelle (2) und dem Mittelabgriff (23) der Gleichspannungsquelle (2) eine zweite Spannung anliegt, zwischen dem ersten Ausgang (15) und dem zweiten Ausgang (16) des Umschalters (1) eine erste Ausgangsgleichspannung anliegt, wenn der zweite Schalter (T2) und der dritte Schalter (T3) geschlossen und der erste Schalter (T1), der vierte Schalter (T4), der fünfte Schalter (T5) und der sechste Schalter (T6) geöffnet sind, zwischen dem ersten Ausgang (15) und dem zweiten Ausgang (16) des Umschalters (1) eine zweite Ausgangsgleichspannung anliegt, wenn der erste Schalter (T1) und der vierte Schalter (T4) geschlossen und der zweite Schalter (T2), der dritte Schalter (T3), der fünfte Schalter (T5) und der sechste Schalter (T6) geöffnet sind, und zwischen dem ersten Ausgang (15) und dem zweiten Ausgang (16) des Umschalters (1) eine dritte Ausgangsgleichspannung anliegt, wenn der erste Schalter (T1) und der zweite Schalter (T2) geschlossen und der dritte Schalter (T3), vierte Schalter (T4), der fünfte Schalter (T5) und der sechste Schalter (T6) geöffnet sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei zwischen der ersten, zweiten und dritten Ausgangsgleichspannung Umschaltvorgänge stattfinden, und dabei die Drossel (14) des Umschalters (1) nur während eines jeweiligen solchen Umschaltvorgangs Strom führt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Umschaltung zwischen der ersten, zweiten und dritten Ausgangsgleichspannung entsprechend den Anforderungen eines durch die Spannungsversorgung mit Spannung versorgbaren Elektromotors (4) in einer jeweiligen Betriebssituation eines Antriebssystems (100) erfolgt.