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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektroantrieb und ein Verfahren zum Betrieb eines Elektroantriebs.
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Die Verbreitung von Elektroantrieben, insbesondere von elektrischen Traktionsantrieben, im Bereich der Kraftfahrzeuge entwickelt sich immer stärker. Die elektrischen Traktionsantriebe bestehen üblicherweise aus einem Energiespeicher, einer Leistungselektronik, welche auch Inverter oder Pulswechsler genannt wird, und einer elektrischen Maschine, auch kurz E-Maschine genannt. Die Leistungselektronik wandelt Gleichstrom aus dem Energiespeicher in einen meistens dreiphasigen Wechselstrom für die E-Maschine um und stellt diesen den typischerweise drei Spulen der E-Maschine zur Verfügung.
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Die Auslegung der E-Maschine muss dabei auf die Leistungsgrenzen des Energiespeichers und der Leistungselektronik angepasst sein. Der Energiespeicher ist üblicherweise beschränkt, was die elektrische Spannung angeht, die er bereitstellen kann. Die Leistungselektronik ist wiederum bei der Stärke des Wechselstromes beschränkt, die sie maximal an die E-Maschine abgeben kann. Dies erfordert, dass stets ein Kompromiss aus der maximal erreichbaren mechanischen Leistung der E-Maschine und dem maximalen Drehmoment eingegangen werden muss. Soll beispielsweise bei konstanter mechanischer Leistung das Drehmoment erhöht werden, muss der maximale Wechselstrom der Leistungselektronik erhöht werden, was mit erheblichen Kosten verbunden ist.
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Innerhalb der E-Maschine sind die drei Wechselstrom-Phasen üblicherweise in Sternschaltung oder in Dreieckschaltung verschaltet. Die Sternschaltung ist dabei in der Lage ein hohes Drehmoment zur Verfügung zu stellen, während mit der Dreieckschaltung eine hohe mechanische Leistung erreicht wird.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektroantrieb und ein Verfahren zum Betrieb eines Elektroantriebs zur Verfügung zu stellen, welche die Vorteile der Sternschaltung und die Vorteile der Dreieckschaltung kombinieren ohne dabei deren jeweilige Nachteile aufzuweisen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei verhältnismäßig geringen, durch den Energiespeicher bereitzustellenden, Gleichspannungen und bei relativ geringen, durch die Leistungselektronik bereitzustellenden, Wechselstromstärken ein hohes Drehmoment und eine hohe mechanische Leistung sowie einen optimalen Wirkungsgrad beim Betrieb des Elektroantriebs zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Elektroantrieb, wobei der Elektroantrieb einen Energiespeicher, eine Leistungselektronik, eine E-Maschine und eine Umschalteinheit aufweist, wobei die E-Maschine eine U-Spule, eine V-Spule und eine W-Spule aufweist, wobei der Energiespeicher zur Übertragung eines Gleichstromes an der Leistungselektronik angeschlossen ist, wobei die Leistungselektronik zur Übertragung eines Dreiphasenwechselstromes mit einem ersten Leiter, einem zweiten Leiter und einem dritten Leiter an der Umschalteinheit angeschlossen ist, wobei die Umschalteinheit an der E-Maschine angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die U-Spule mit einem U-Hinleiter und einem U-Rückleiter zur Stromübertragung an der Umschalteinheit angeschlossen ist, die V-Spule mit einem V-Hinleiter und einem V-Rückleiter zur Stromübertragung an der Umschalteinheit angeschlossen ist, die W-Spule mit einem W-Hinleiter und einem W-Rückleiter zur Stromübertragung an der Umschalteinheit angeschlossen ist.
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Der Fachmann versteht dabei U-Spule, V-Spule und W-Spule jeweils als insbesondere spulenförmig gewickelten elektrischen Leiter.
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Der erfindungsgemäße Elektroantrieb ermöglicht eine Umschaltung der Spulen der E-Maschine außerhalb der E-Maschine durch die Umschalteinheit. Die elektrischen Ein- und Ausgänge der Spulen der E-Maschine sind einzeln aus der E-Maschine herausgeführt und mit der Umschalteinheit verbunden.
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Denkbar ist, dass die Leistungselektronik und/oder die E-Maschine und/oder die Umschalteinheit gekühlt sind. Denkbar ist, dass die Leistungselektronik, die Umschalteinheit und die E-Maschine in einer gemeinsamen Einhausung untergebracht sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Umschalteinheit geeignet ist, die U-Spule, die V-Spule und die W-Spule in einer Dreieckschaltung zu verschalten und geeignet ist, die U-Spule, die V-Spule und die W-Spule in einer Sternschaltung zu verschalten. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Umschaltung der U-Spule, der V-Spule und der W-Spule von der Dreieckschaltung in die Sternschaltung und von der Sternschaltung in die Dreieckschaltung im laufenden Betrieb des Elektroantriebs durch die Umschalteinheit möglich ist.
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Dies ermöglicht ein der Betriebssituation angepasstes Verschalten der Spulen der E-Maschine.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistungselektronik, die Umschalteinheit und die E-Maschine als integriertes Bauteil zusammengefasst sind. Dies ermöglicht geringe Kabellängen und somit eine Reduzierung der elektrischen Verluste in den Kabeln. Denkbar ist, dass das integrierte Bauteil die Leistungselektronik, die Umschalteinheit und die E-Maschine als über Steckverbindungen zusammensteckbare Module aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Leiter und/oder der zweite Leiter und/oder der dritte Leiter und/oder der U-Hinleiter und/oder der U-Rückleiter und/oder der V-Hinleiter und/oder der V-Rückleiter und/oder der W-Hinleiter und/oder der W-Rückleiter als Stromschienen ausgeführt sind. Dies ermöglicht weiterhin eine Reduzierung der elektrischen Verluste bei der Leitung starker Ströme.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Umschalteinheit einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter, einen dritten Schalter, einen vierten Schalter und einen fünften Schalter aufweist, wobei der erste Schalter, der zweite Schalter, der dritte Schalter, der vierte Schalter und der fünfte Schalter jeweils geeignet sind, in geöffnetem Zustand einen Stromfluss zu unterbrechen und in geschlossenem Zustand Strom zu leiten.
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Der erste Schalter, der zweite Schalter, der dritte Schalter, der vierte Schalter und der fünfte Schalter weisen bevorzugt in geschlossenem Zustand nur geringe ohm'sche Widerstände auf. Weiterhin weisen der erste Schalter, der zweite Schalter, der dritte Schalter, der vierte Schalter und der fünfte Schalter bevorzugt nur geringe Umschaltzeiten auf.
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Denkbar ist, dass der erste Schalter, der zweite Schalter, der dritte Schalter, der vierte Schalter und der fünfte Schalter über ein Steuergerät geschaltet werden können. Weiterhin ist denkbar, dass die Schaltzustände des ersten Schalters, des zweiten Schalters, des dritten Schalters, des vierten Schalters und des fünften Schalters logisch miteinander verknüpft sind. Schaltzustand bedeutet hier ob ein Schalter geöffnet oder geschlossen ist. Denkbar ist die logische Verknüpfung, dass WENN der erste Schalter geöffnet wird und der zweite Schalter geöffnet wird und der dritte Schalter geöffnet wird, DANN der vierte Schalter geschlossen wird und der fünfte Schalter geschlossen wird. Und weiterhin, dass WENN der erste Schalter geschlossen wird und der zweite Schalter geschlossen wird und der dritte Schalter geschlossen wird, DANN der vierte Schalter geöffnet wird und der fünfte Schalter geöffnet wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in der Umschalteinheit der erste Leiter über den ersten Schalter mit dem W-Rückleiter verbunden ist,
wobei in der Umschalteinheit der zweite Leiter über den zweiten Schalter mit dem U-Rückleiter verbunden ist,
wobei in der Umschalteinheit der dritte Leiter über den dritten Schalter mit dem V-Rückleiter verbunden ist,
wobei in der Umschalteinheit der U-Rückleiter über den vierten Schalter mit dem V-Rückleiter verbunden ist,
wobei in der Umschalteinheit der W-Rückleiter über den fünften Schalter mit dem V-Rückleiter verbunden ist,
wobei in der Umschalteinheit der erste Leiter mit dem U-Hinleiter verbunden ist,
wobei in der Umschalteinheit der zweite Leiter mit dem V-Hinleiter verbunden ist,
wobei in der Umschalteinheit der dritte Leiter mit dem W-Hinleiter verbunden ist.
Verbunden bedeutet hier, dass eine elektrische Verbindung bei geschlossenem Schalter hergestellt ist und eine elektrische Verbindung bei geöffnetem Schalter unterbrochen ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Schalter der zweite Schalter, der dritte Schalter, der vierte Schalter und der fünfte Schalter jeweils mechanische Relais sind. Relais sind stabil und zuverlässig zu schalten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Schalter der zweite Schalter, der dritte Schalter, der vierte Schalter und der fünfte Schalter jeweils Leistungshalbleiter sind. Denkbar ist, dass der erste Schalter der zweite Schalter, der dritte Schalter, der vierte Schalter und der fünfte Schalter jeweils IGBTs, MOSFETs oder Thyristoren sind.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Elektroantriebs gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die U-Spule, die V-Spule und die W-Spule in Abhängigkeit von den Anforderungen an Drehmoment und mechanischer Leistung der E-Maschine von der Umschalteinheit in Sternschaltung oder Dreieckschaltung verschaltet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine optimale Verschaltung der U-Spule, der V-Spule und der W-Spule der E-Maschine durch die Umschalteinheit je nach vorliegender Betriebssituation.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einer Drehzahl der E-Maschine unterhalb einer Umschaltdrehzahl der E-Maschine die U-Spule, die V-Spule und die W-Spule von der Umschalteinheit in Sternschaltung und bei einer Drehzahl größer oder gleich der Umschaltdrehzahl der E-Maschine die U-Spule, die V-Spule und die W-Spule von der Umschalteinheit in Dreieckschaltung verschaltet werden.
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Denkbar ist, dass die Drehzahl von einem Steuergerät überwacht wird, welches die Umschalteinheit in Abhängigkeit von der Drehzahl steuert. Vorzugsweise liegt die Umschaltdrehzahl etwa im mittleren Drehzahlbereich der E-Maschine.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Elektroantrieb ein Elektroantrieb gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8 ist, wobei zum Verschalten der U-Spule, der V-Spule und der W-Spule in Sternschaltung der erste Schalter in einen geöffneten Zustand gebracht wird, der zweite Schalter in einen geöffneten Zustand gebracht wird, der dritte Schalter in einen geöffneten Zustand gebracht wird, der vierte Schalter in einen geschlossenen Zustand gebracht wird und der fünfte Schalter in einen geschlossenen Zustand gebracht wird, wobei zum Verschalten der U-Spule, der V-Spule und der W-Spule in Dreieckschaltung der erste Schalter in einen geschlossenen Zustand gebracht wird, der zweite Schalter in einen geschlossenen Zustand gebracht wird, der dritte Schalter in einen geschlossenen Zustand gebracht wird, der vierte Schalter in einen geöffneten Zustand gebracht wird und der fünfte Schalter in einen geöffneten Zustand gebracht wird.
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Denkbar ist, dass das Umschalten der Zustände der Schalter von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand und das Umschalten der Zustände der Schalter von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand während des Betriebs des Elektroantriebs geschieht. Denkbar ist weiterhin, dass das Umschalten der Zustände der Schalter durch das Steuergerät geschieht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Umschaltdrehzahl beim Betrieb des Elektroantriebs ständig überprüft und nachreguliert wird, so dass durch das Verschalten der U-Spule, der V-Spule und der W-Spule in Sternschaltung oder Dreieckschaltung der Elektroantrieb mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad betrieben wird.
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Vorzugsweise wird die Umschaltdrehzahl von dem Steuergerät überprüft und nachreguliert.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 illustriert schematisch den Aufbau des Elektroantriebs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 illustriert schematisch die E-Maschine des Elektroantriebs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- In 3 illustriert schematisch die Verschaltung der Umschalteinheit und der E-Maschine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist schematisch der Aufbau des Elektroantriebs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Energiespeicher 100 ist mit der Leistungselektronik 200 elektrisch verbunden und liefert dieser eine Gleichspannung. Die Leistungselektronik ist über den ersten Leiter 1, den zweiten Leiter 2 und den dritten Leiter 3 mit der Umschalteinheit 300 elektrisch verbunden und liefert dieser über den ersten Leiter 1, den zweiten Leiter 2 und den dritten Leiter 3 einen Wechselstrom. Die Umschalteinheit 300 ist wiederum über den U-Hinleiter 01, den U-Rückleiter 02, den V-Hinleiter 03, den V-Rückleiter 04, den W-Hinleiter 05 und den W-Rückleiter 06, mit der E-Maschine 400 elektrisch verbunden. Die Leistungselektronik 200, die Umschalteinheit 300 und die E-Maschine sind als integriertes Bauteil 500 ausgeführt.
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In 2 ist schematisch die E-Maschine 400 des Elektroantriebs gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die E-Maschine 400 weist die U-Spule 07, die V-Spule 08 und die W-Spule 09 auf. Die U-Spule 07 ist mit dem U-Hinleiter 01 und dem U-Rückleiter 02 elektrisch verbunden, die V-Spule 08 ist mit dem V-Hinleiter 03 und dem V-Rückleiter 04 elektrisch verbunden, die W-Spule 09 ist mit dem W-Hinleiter 05 und dem W-Rückleiter 06 elektrisch verbunden. Der U-Hinleiter 01, der U-Rückleiter 02, der V-Hinleiter 03, der V-Rückleiter 04, der W-Hinleiter 05 und der W-Rückleiter 06 werden aus der E-Maschine 400 geführt.
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In 3 ist schematisch die Verschaltung der Umschalteinheit 300 und der E-Maschine 400 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der erste Leiter 1 ist über den U-Hinleiter 01 mit der U-Spule 07 elektrisch verbunden. Die U-Spule 07 ist weiterhin mit dem U-Rückleiter 02 elektrisch verbunden. Der zweite Leiter 2 ist elektrisch über den V-Hinleiter 03 mit der V-Spule 08 verbunden. Die V-Spule 08 ist weiterhin mit dem V-Rückleiter 04 elektrisch verbunden. Der dritte Leiter 3 ist über den W-Hinleiter 05 mit der W-Spule elektrisch verbunden. Die W-Spule 09 ist weiterhin mit dem W-Rückleiter 06 elektrisch verbunden. Der erste Schalter 01 verbindet den ersten Leiter 1 mit dem W-Rückleiter 06 elektrisch. Der zweite Schalter 20 verbindet den zweiten Leiter 2 mit dem U-Rückleiter 02 elektrisch. Der dritte Schalter 30 verbindet den dritten Leiter 3 mit dem V-Rückleiter 04 elektrisch. Der vierte Schalter 40 verbindet den U-Rückleiter 02 mit dem V-Rückleiter 04 elektrisch. Der fünfte Schalter 50 verbindet den W-Rückleiter 06 mit dem V-Rückleiter 04 elektrisch.
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Daraus ergibt sich, dass wenn der erste Schalter 10, der zweite Schalter 20 und der dritte Schalter 30 geöffnet sind und weiterhin der vierte Schalter 40 und der fünfte Schalter 50 geschlossen sind, die U-Spule 07, die V-Spule 08 und die W-Spule 09 in Sternschaltung verschaltet sind. Ferner ergibt sich, dass wenn der erste Schalter 10, der zweite Schalter 20 und der dritte Schalter 30 geschlossen sind und weiterhin der vierte Schalter 40 und der fünfte Schalter 50 geöffnet sind, die U-Spule 07, die V-Spule 08 und die W-Spule 09 in Dreieckschaltung verschaltet sind.
