DE102018124784A1 - Stator of an electric motor and charging device, in particular with such a stator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Stator für einen elektrischen Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs, mit einem Statormantel und einer oder mehreren Gruppen von mindestens drei Leitersträngen zum Erzeugen eines Magnetfelds. Dabei weisen die mindestens drei Leiterstränge einen Sternpunkt auf und jeder Leiterstrang ist als Statorwicklung für eine Phase ausgelegt. Der Statormantel weist eine Vielzahl von konzentrisch angeordneten und zueinander beabstandeten Statornuten auf. Um eine ungleichmäßige Erwärmung und/oder Induktivität des Stators zu vermeiden, ist jeder Leiterstrang in der Vielzahl von Statornuten in einem vorbestimmten Muster derart abwechselnd angeordnet, dass eine Wellenwicklung ausgebildet ist. Ebenso ist eine Ladevorrichtung zum DC-Laden einer Fahrzeugbatterie vorgesehen, deren Induktivität durch eine Wellenwicklung in einem Stator ausgebildet ist.The invention relates to a stator for an electric traction motor of a motor vehicle, with a stator jacket and one or more groups of at least three conductor strands for generating a magnetic field. The at least three conductor strands have a star point and each conductor strand is designed as a stator winding for one phase. The stator jacket has a multiplicity of concentrically arranged and spaced-apart stator slots. In order to avoid uneven heating and / or inductance of the stator, each conductor strand in the plurality of stator slots is alternately arranged in a predetermined pattern in such a way that a wave winding is formed. Likewise, a charging device for DC charging a vehicle battery is provided, the inductance of which is formed by a wave winding in a stator.
Description
Die Erfindung betrifft einen Stator eines Elektromotors sowie eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines mit einem für einen Antriebsbetrieb, einen Generatorbetrieb und einem DC-Ladebetrieb ausgebildeten elektrischen Traktionsmotor bzw. Elektromotor ausgebildeten Kraftfahrzeugs.The invention relates to a stator of an electric motor and a charging device for charging a battery of a motor vehicle designed with an electric traction motor or electric motor designed for drive operation, generator operation and DC charging operation.
Zum Laden von Elektrofahrzeugen kommen unterschiedliche Ladekonzepte zum Einsatz. Das Laden mit Wechselstrom über die Haussteckdose ist nahezu überall verfügbar, weist jedoch nur geringe Ladeleistungen von unter 5 kW auf. Demgegenüber sind beim Schnelladen an Gleichstromquellen (DC-Laden / DC-Ladebetrieb), etwa über spezielle Ladesäulen, sehr viel höhere Leistungen möglich (50 kW und darüber). Dies erfordert jedoch eine Anpassung, wenn das verfügbare Spannungslevel der Ladesäule, z.B. 400 V DC, und das Spannungslevel der Fahrzeugbatterie, z.B. 800V DC, auseinanderfallen.Different charging concepts are used to charge electric vehicles. Charging with alternating current via the house socket is available almost everywhere, but only has a low charging power of less than 5 kW. In contrast, much faster outputs (50 kW and above) are possible with fast charging at DC sources (DC charging / DC charging mode), for example via special charging stations. However, this requires adjustment if the available voltage level of the charging station, e.g. 400 V DC, and the voltage level of the vehicle battery, e.g. 800V DC, fall apart.
Zur Anpassung des Spannungslevels können Hochsetzsteller, auch unter den Begriffen „Aufwärtswandler“, „Boost-Converter“ oder „Step-Up-Converter“ bekannt, als separate Baueinheiten verwendet werden. Es ist aber auch möglich, einen ohnehin vorhandenen Wechselrichter (im Englischen auch als „Inverter“ bezeichnet) des Traktions- bzw. Elektromotors als Hochsetzsteller zur Gleichspannungswandlung zu verwenden. Um im Wechselrichter nicht zusätzliche Induktivitäten für die Hochsetzstellung verwenden zu müssen, ist es bekannterweise möglich, die Wicklungen des Traktionsmotors als Lade-Induktivitäten zu nutzen:
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EP 2 527 186 A2
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EP 2 527 186 A2
Ein Stator umfasst gewöhnlich eine elektrische Wicklung zur Erzeugung eines Magnetfelds, wobei die Wicklung mit mehrphasigem Strom (dreiphasig) erregt wird. Eine Statorwicklung weist Wicklungsteile für jede Phase (
Da Wicklungsteile mitunter unterschiedlich angesprochen werden, sind die nachfolgenden Begriffe definiert: Ein Phasenstrang ist ein Leiterstrang einer Phasenwicklung. Wenn Phasen zu einem Sternpunkt verschalten sind, ist ein Phasenstrang ein Leiterstrang zwischen einem Phasenanschluss und einem Sternpunkt. Wenn Phasen in Dreiecksschaltung verschalten sind, ist ein Phasenstrang ein Leiterstrang zwischen zwei Phasenanschlüssen. Ein Leiterstrang kann sich grundsätzlich in mehrere parallele und/oder serielle Teilstränge verästeln.Since winding parts are sometimes addressed differently, the following terms are defined: A phase strand is a conductor strand of a phase winding. If phases are connected to a star point, a phase strand is a conductor strand between a phase connection and a star point. If phases are connected in a delta connection, a phase strand is a conductor strand between two phase connections. A conductor line can basically branch into several parallel and / or serial sub-lines.
Eine Phasengruppe ist die Summe aller Leiterstränge derselben Phase bzw. Teilphase (
Eine Spulenwicklung ist eine Wicklungsart, bei welcher Leiterstränge in Form von einfachen oder mehrfachen geschlossenen Spulen bzw. Schleifen durch ein Statorblechpaket geführt werden.A coil winding is a type of winding in which conductor strands in the form of single or multiple closed coils or loops are guided through a stator laminated core.
Es ist Aufgabe, einen verbesserten elektrischen Traktionsmotor anzugeben bei welchem ein DC-Ladebetrieb ermöglicht wird und die Motorwicklung als Induktivitäten eines Hochsetzstellers dienen.It is the task of specifying an improved electric traction motor in which a DC charging operation is made possible and the motor winding serves as inductors of a step-up converter.
Hierzu wird erfindungsgemäß ein Stator gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Es handelt sich insbesondere um einen Stator für einen elektrischen Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs, mit einem Blechpaket und einer oder mehreren Gruppen von mindestens drei Leitersträngen zum Erzeugen eines Magnetfelds, wobei die mindestens drei Leiterstränge einer Gruppe mindestens einen gemeinsamen Sternpunkt aufweisen und jeder Leiterstrang als Statorwicklung für eine Phase ausgelegt ist (Phasenstrang). Das Blechpaket weist dabei eine Vielzahl von konzentrisch angeordneten und zueinander beabstandeten Statornuten auf, wobei jeder Leiterstrang in der Vielzahl von Statornuten in einem vorbestimmten Muster derart abwechselnd angeordnet ist, dass eine Wellenwicklung ausgebildet ist. Das Blechpaket ist z.B. aus einzelnen aus Elektroblech gefertigten und gestapelten Blechlamellen aufgebaut.For this purpose, a stator according to
Im Stator ist zur Darstellung des Traktionsmotors ein Rotor angeordnet, der sich um eine Rotationsachse dreht, die mit einer Statorachse zusammenfällt. To display the traction motor, a rotor is arranged in the stator, which rotates about an axis of rotation which coincides with a stator axis.
Eine Wellenwicklung zeichnet sich im Gegensatz zu einer Spulen- bzw. Schleifenwicklung dadurch aus, dass sie wellenartig und/oder mäanderförmig um die Statorachse, insbesondere entlang eines Statorumfangs, des Stators angeordnet sein kann. Dabei verläuft der Phasenstrang durch eine Statornut in eine Richtung, überspringt eine bestimmte Anzahl von Statornuten in eine Winkelrichtung, verläuft durch die nächste Statornut in die entgegengesetzte Richtung, überspringt wieder eine bestimmte Anzahl von Statornuten in die gleiche Winkelrichtung, und so weiter; bis der Phasenstrang einen oder mehrere ganzzahlige Umläufe beschrieben hat. Umlauf meint dabei das geometrische Umrunden der Achse des Stators (Statorachse) entlang der Statornuten stirnseitig gesehen.In contrast to a coil or loop winding, a wave winding is characterized in that it can be arranged in a wave-like and / or meandering manner around the stator axis, in particular along a stator circumference, of the stator. The phase strand runs through a stator slot in one direction, skips a certain number of stator slots in one angular direction, runs through the next stator slot in the opposite direction, again skips a certain number of stator slots in the same angular direction, and so on; until the phase strand has described one or more integer round trips. Rotation means the geometrical orbiting of the axis of the stator (stator axis) along the stator slots seen on the face.
Dabei können die Abschnitte der Leiterstränge, die durch die Statornuten verlaufen, insbesondere konzentrisch um die Achse des Stators angeordnet sein; d.h. parallel zueinander und zur Achse des Stators. Eine Wellenwicklung stellt sich bei abgewickeltem Statorblechpaket als Rechteckfunktion/-schwingung oder einer ähnlichen mäanderförmigen Form dar. Es kann als Abfolge von aufeinanderfolgenden Halbspulen betrachtet werden, wobei die Halbspulen alternierend auf einer, dann der anderen Wickelkopfseite gebildet sind.
Die Wellenwicklung hat den Vorteil, dass sich die Wellenwicklung im Vergleich zur Spulenwicklung, in ihrem elektrischen und/oder magnetischen Verhalten im Traktionsmotor weniger empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen verhält. So sind beispielweise die Induktivitäten der einzelnen Phasenwicklungen oder Stränge nur vergleichsweise geringen Änderungen im Falle von geometrischen Fehlstellungen, wie beispielsweise einer Schiefstellung des Rotors gegenüber dem Stator, unterworfen. Indem die Induktivitäten der einzelnen Phasenwicklungen oder Stränge während eines Ladebetriebs gleich groß sind, fließen durch alle Phasenwicklungen bzw. Stränge die gleichen Ströme. Zwischen den Strängen fließen daher im Wesentlichen keine Ausgleichsströme.The sections of the conductor strands that run through the stator slots can in particular be arranged concentrically around the axis of the stator; ie parallel to each other and to the axis of the stator. When the stator laminated core is unwound, a wave winding is represented as a rectangular function / oscillation or a similar meandering shape. It can be viewed as a sequence of successive half-coils, the half-coils being formed alternately on one side of the winding head and then on the other.
The advantage of the wave winding is that the wave winding, compared to the coil winding, is less sensitive to external influences in its electrical and / or magnetic behavior in the traction motor. For example, the inductances of the individual phase windings or strands are only subjected to comparatively minor changes in the case of geometric misalignments, such as, for example, an inclined position of the rotor relative to the stator. Since the inductances of the individual phase windings or strands are of the same size during a charging operation, the same currents flow through all phase windings or strands. There are therefore essentially no equalizing currents between the strands.
Bei einer Spulenwicklung würde eine Schiefstellung des Rotors zu unterschiedlichen Induktivitäten und damit zu unterschiedlichen Ladeströmen je Strang führen. Dies würde Ausgleichsströme zwischen den Strängen bedingen; dies ist nachteilhaft.In the case of a coil winding, an inclined position of the rotor would lead to different inductances and thus to different charging currents per phase. This would require equalizing currents between the strands; this is disadvantageous.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Stator mehrere parallele Gruppen von Leitersträngen auf, wobei jede Gruppe jeweils einen eigenen Sternpunkt aufweist. Mehrere oder alle Sternpunkte können elektrisch miteinander verbunden werden. Mit Vorteil erfolgt die elektrische Verbindung über Trennschalter.In an advantageous embodiment, the stator has a plurality of parallel groups of conductor strands, each group having its own star point. Several or all star points can be electrically connected to each other. The electrical connection is advantageously made via isolating switches.
Verbindbar bedeutet, dass die Sternpunkte einen ersten Zustand aufweisen, in welchem die Sternpunkte elektrisch miteinander verbunden sind, und einen zweiten Zustand, in welchem die Sternpunkte elektrisch voneinander getrennt sind. Der Vorgang kann beispielsweise über Leistungsschalter, insbesondere Schütze oder Relais, erfolgen. Dabei können je nach Anzahl von Sternpunkten nur zwei, mehr als zwei oder auch alle Sternpunkte miteinander verbindbar sein.Connectable means that the star points have a first state in which the star points are electrically connected to one another and a second state in which the star points are electrically separated from one another. The process can take place, for example, via circuit breakers, in particular contactors or relays. Depending on the number of star points, only two, more than two or even all star points can be connected to one another.
Unter dem Begriff „Parallele Gruppen“ sind parallele Statorwicklungsgruppen zu verstehen, die jeweils eine Leiteranordnung mit mindestens einem Strang je Phase aufweisen. Alle Phasenstränge einer Gruppe sind jeweils in einem eigenen Sternpunkt miteinander verschaltet. Durch das Verbinden oder Auftrennen der Sternpunkte können die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Stators vorteilhaft beeinflusst werden.The term “parallel groups” is understood to mean parallel stator winding groups, each of which has a conductor arrangement with at least one phase per phase. All phase strings in a group are each interconnected in their own star point. The electrical and magnetic properties of the stator can be advantageously influenced by connecting or disconnecting the star points.
Der Begriff Wicklungssatz ist synonym mit parallel Statorwicklungsgruppe zu verstehen. Der Stator kann einen oder mehrerer Wicklungssätze aufweisen. Ein Wicklungssatz ist gemäß der einleitenden Definition zu verstehen.
Der Stator kann einen oder mehrere Sternpunkte aufweisen. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Stator in verschiedenen Konfigurationen in vorteilhafter für einen Ladebetrieb eingerichtet sein.The term winding set is synonymous with parallel stator winding group. The stator can have one or more winding sets. A winding set is to be understood in accordance with the introductory definition.
The stator can have one or more star points. In particular, the stator according to the invention in various configurations can advantageously be set up for charging operation.
Durch die Verwendung einer Wellenwicklung gegenüber einer Spulenwicklung kann eine ungleichmäßige Erwärmung des Stators verringert werden für Fälle, in welchen nur Teile der Phasenwicklung, z.B. nur ein Wicklungssatz, genutzt werden.By using a wave winding versus a coil winding, uneven heating of the stator can be reduced for cases in which only parts of the phase winding, e.g. only one winding set can be used.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Stator lediglich einen Wicklungssatz umfassend drei Phasenstränge auf, wobei die Phasenstränge keine parallelen Untergruppen aufweisen. Dadurch ist ein einfacher Aufbau möglich.In an advantageous embodiment, the stator has only one winding set comprising three phase strands, the phase strands having no parallel subgroups. This enables a simple construction.
Den Vorteilen stehen auch Nachteile gegenüber:
- Wellenwicklungen besitzen mindestens einen Sternpunkt, in welchem einzelne Phasenstränge verschalten sind. Für eine große Flexibilität bei der Auslegung von Traktionsmotoren werden Wicklungsmuster mit genau einem Sternpunkt kaum in Erwägung gezogen. Ein Sternpunkt schränkt die Auswahl an möglichen Wicklungsmustern stark ein und kann für die Optimierung der Leistung im Antriebsbetrieb nachteilig sein. Grundsätzlich sind mehrere Sternpunkte zu bevorzugen. Mehrere Sternpunkte erlauben eine größere Variabilität an Wicklungsmustern, insbesondere im Hinblick auf Windungszahlen. Sie eignen sich insbesondere für parallele Gruppen mit einem Sternpunkt je Gruppe, beispielsweise für Hairpin-Wicklungen. Im Ladebetrieb sind parallele Gruppen für einen Ladebetrieb jedoch nachteilig, da die parallelen Gruppen unterschiedliche Induktivitäten aufweisen können. Ursache für unterschiedliche Induktivitäten können ungleiche Verteilungen der verschiedenen Wicklungen über den Statorumfang sein. Beispielsweise kann dies bewirkt werden durch unterschiedliche Verteilung der Leiter in einem Mehrlagensystem. Dies würde in einem Ladebetrieb zu unterschiedlichen Ladeströmen und damit zu Ausgleichsströmen innerhalb bzw. zwischen einzelnen Gruppen führen.
- Wave windings have at least one star point in which individual phase strands are connected. For great flexibility in the design of traction motors, winding patterns with exactly one star point are hardly considered. A star point severely limits the choice of possible winding patterns and can be disadvantageous for optimizing the performance in drive operation. In principle, several star points are preferred. Multiple star points allow greater variability Winding patterns, especially with regard to the number of turns. They are particularly suitable for parallel groups with one star point per group, for example for hairpin windings. In charging operation, however, parallel groups are disadvantageous for charging operation, since the parallel groups can have different inductances. Different inductances can be caused by uneven distributions of the different windings over the circumference of the stator. For example, this can be achieved by different distribution of the conductors in a multi-layer system. This would lead to different charging currents in a charging operation and thus to equalizing currents within or between individual groups.
Weiterhin ist der Ladestrom durch den akkumulierten Kupferquerschnitt aller Stränge begrenzt, da jeder Leiter/Leiterstrang nur mit einen maximal zulässigen Strom beaufschlagt werden darf.Furthermore, the charging current is limited by the accumulated copper cross-section of all strands, since each conductor / conductor strand may only be subjected to a maximum permissible current.
Wird im Ladebetrieb nur ein Sternpunkt genutzt, ist der zulässige Ladestrom auf die mit dem Sternpunkt verbundenen Phasenstränge (Nutzung nur einer der parallelen Gruppen) begrenzt. Werden mehrere Sternpunkte (d.h. mehrere parallele Gruppen) im Ladebetrieb genutzt, ist der max. zulässige Ladestrom höher, allerdings müssen die Sternpunkte miteinander verschalten werden, damit sie mit einer Ladequelle verbunden werden können. Eine Verschaltung der Sternpunkte ist technisch sehr aufwendig (es sind zusätzliche Hochstrom-Schütze notwendig). Im Fahrbetrieb müssen die parallelen Gruppen aufgetrennt sein, da sonst Kreisströme fließen und hohe Kupferverluste entstehen.
Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ladevorrichtung für einen DC-Ladebetrieb einer Fahrzeugbatterie bereitzustellen. Unter einem ersten Aspekt, ist es Ziel eine Ladevorrichtung anzugeben, welche hohe Ladeströme realisieren kann. Unter einem zweiten Aspekt ist es Ziel, eine Ladeeinrichtung anzugeben, welche einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Unter einem noch anderen Aspekt ist es Ziel, eine Ladeeinrichtung anzugeben, welche einfach herstellbar ist.If only one star point is used during charging, the permissible charging current is limited to the phase strings connected to the star point (use of only one of the parallel groups). If several star points (ie several parallel groups) are used in charging mode, the max. permissible charging current is higher, however the star points must be interconnected so that they can be connected to a charging source. Interconnecting the star points is technically very complex (additional high-current contactors are required). When driving, the parallel groups must be separated, otherwise circulating currents flow and high copper losses occur.
Furthermore, it is an object of the present invention to provide an improved charging device for a DC charging operation of a vehicle battery. In a first aspect, the aim is to specify a charging device that can implement high charging currents. In a second aspect, the aim is to specify a charging device which is highly efficient. In yet another aspect, the aim is to provide a loading device that is easy to manufacture.
Hierzu wird erfindungsgemäß eine Ladevorrichtung nach Anspruch 3 angegeben. Diese Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines mit einem für einen Antriebsbetrieb, einen Generatorbetrieb und einem DC-Ladebetrieb ausgebildeten elektrischen Traktionsmotor ausgebildetem Kraftfahrzeugs, weist eine Induktivität und einen Antriebsumrichter auf. Der Antriebsumrichter ist ausgelegt, im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie für den elektrischen Traktionsmotor zu wandeln bzw. im Generatorbetrieb eine Wechselspannung zum Laden der Batterie gleichzurichten. Die Induktivität dient zusammen mit dem Antriebsumrichter für einen DC-Ladebetrieb der Batterie als Hochsetzsteller, wobei die Induktivität Wicklungsteile einer Statorwicklung des elektrischen Traktionsmotors umfasst. Die Statorwicklung ist als eine Wellenwicklung ausgebildet.
Der Traktionsmotor wird bevorzugt mit Leistungsschaltern, die in einer Halbbrückenschaltung verschaltet sind, angesteuert, um eine entsprechende Drehmomentsteuerung darzustellen. Die Leistungsschalter werden durch eine entsprechende Steuerung angesteuert. Die gesamte Baugruppe ist als Antriebsumrichter bezeichnet. Es ist jedoch auch denkbar und möglich, die Leistungsschalter in einer Vollbrückenschaltung darzustellen. Die Erfindung ist auf beide Verschaltungsarten anwendbar. Weitere Designs für die Schaltung des Antriebsumrichter sind denkbar und möglich.For this purpose, a charging device according to
The traction motor is preferably controlled by circuit breakers which are connected in a half-bridge circuit in order to represent a corresponding torque control. The circuit breakers are controlled by a corresponding control. The entire assembly is referred to as the drive converter. However, it is also conceivable and possible to represent the circuit breakers in a full bridge circuit. The invention is applicable to both types of connection. Other designs for switching the drive converter are conceivable and possible.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Ladevorrichtung einen elektrischen Traktionsmotor mit einem erfindungsgemäßen Stator, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, auf.In an advantageous embodiment, the charging device has an electric traction motor with a stator according to the invention, in particular according to
In einer Ausführungsform werden für den DC-Ladebetrieb zumindest zwei, bevorzugt mehr als zwei oder besonders bevorzugt alle Sternpunkte der Statorwicklung verwendet. Dazu sind die Sternpunkte im Ladebetrieb miteinander verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Summe der elektrischen Leiter, die für die Hochsetzstellung genutzt werden, variabel ist; der Ladestrom kann hoch gewählt werden. Nachteilig hieran ist jedoch, dass die Sternpunkte für den DC-Ladebetrieb miteinander verbunden werden müssen. Eine elektrische Verbindung der Sternpunkte ist technisch sehr aufwendig (es sind zusätzliche Hochstrom-Schütze notwendig). Weiterhin nachteilig ist, dass geometrische Fehler wie eine Schiefstellung des Rotors oder Fertigungsfehler ungleiche Induktivitäten herbeiführen und dadurch Verlustströme in Form von Ausgleichs- bzw. Kreisströmen in der Statorwicklung bedingen.In one embodiment, at least two, preferably more than two or particularly preferably all, star points of the stator winding are used for the DC charging operation. To do this, the star points are connected to each other during charging. This has the advantage that the sum of the electrical conductors used for the step-up position is variable; the charging current can be selected high. However, this has the disadvantage that the star points have to be connected to one another for DC charging operation. An electrical connection of the star points is technically very complex (additional high current contactors are necessary). Another disadvantage is that geometric errors such as skewing of the rotor or manufacturing errors cause unequal inductances and thus cause leakage currents in the form of equalizing or circulating currents in the stator winding.
In einer anderen Ausführungsform wird für den DC-Ladebetrieb genau ein Sternpunkt genutzt.In another embodiment, exactly one star point is used for the DC charging operation.
In einer abhängigen Ausführungsform weist die Statorwicklung dabei mehrere Sternpunkte auf, wobei für einen Ladebetrieb genau ein Sternpunkt genutzt wird. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass die Sternpunkte während des DC-Ladebetriebs elektrisch nicht miteinander verbunden sind. Dadurch ist der Ladestrom auf einen Wicklungssatz (z.B.
Dies hat den Nachteil, dass der maximal mögliche Ladestrom dadurch begrenzt, da nicht alle Wicklungsteile als Leiter genutzt werden. Dies ist jedoch unbeachtlich, wenn ein von einer Ladesäule maximal zur Verfügung gestellter Ladestrom kleiner als der maximal zulässige Strom in einem Wicklungssatz ist. Dies trifft z.B. bei Fahrzeugen der Premium-Klasse zu: hierbei betragen der verfügbare Ladestrom einer Ladesäule z.B. 100A und der zulässige Strangstrom z.B. 130A (dies entspricht 390A bei Nutzung von 3 parallelen Strängen). Hier stellt die Teilnutzung der Statorwicklung daher keinen Nachteil dar.
Von Vorteil ist aber, dass die relative Ladeinduktivität des genutzten Wicklungssatzes gegenüber der relativen Ladeinduktivität bei Nutzung aller Wicklungssätze höher ist, da neben dem Rotor auch das Statorblechpaket für die Lade-Induktivität bestimmend ist. Dadurch können Strom- bzw. Spannungskurven besser geglättet und entsprechende Rippel beim Ladevorgang gesenkt werden.This has the disadvantage that the maximum possible charging current is limited because not all winding parts are used as conductors. This is however irrelevant if a maximum charging current provided by a charging station is less than the maximum permissible current in a winding set. This applies, for example, to vehicles in the premium class: the available charging current of a charging station is, for example, 100A and the permissible phase current is, for example, 130A (this corresponds to 390A when 3 parallel lines are used). Partial use of the stator winding is therefore not a disadvantage here.
However, it is advantageous that the relative charging inductance of the winding set used is higher than the relative charging inductance when all winding sets are used, since in addition to the rotor, the stator laminated core is also decisive for the charging inductance. This enables current or voltage curves to be smoothed better and corresponding ripples to be reduced during the charging process.
Ist jedoch der von der Ladesäule zur Verfügung gestellte Ladestrom höher als der zulässige Wert eines Strangstromes, ist die Ladeleistung auf den im Wicklungssatz zulässigen Strom begrenzt.
In einer alternativen Ausführungsform weist die Statorwicklung genau einen Sternpunkt auf, wobei für den Ladebetrieb genau ein Sternpunkt verwendet wird. Dadurch ist ein maximaler Ladestrom möglich; die Induktivität je Strang verringert sich jedoch, wodurch Strom- und/oder Spannungsrippel und damit die Verlustleistung steigen. Dies lässt sich vorteilhaft im Medium- und Low-Performance-Bereich einsetzen, wo der Dauerstrom im Fahrtbetrieb und Ladestrom größenmäßig gleich sind.However, if the charging current provided by the charging station is higher than the permissible value of a phase current, the charging power is limited to the permissible current in the winding set.
In an alternative embodiment, the stator winding has exactly one star point, with exactly one star point being used for the charging operation. This enables a maximum charging current; however, the inductance per strand is reduced, as a result of which current and / or voltage ripples and thus the power loss increase. This can be used advantageously in the medium and low-performance area, where the continuous current while driving and the charging current are of the same size.
Für alle bisher beschriebenen Variationen kann vorteilhaft für den DC-Ladebetrieb, insbesondere in Abhängigkeit des Ladezustands der Batterie, genau eine oder zwei oder drei oder mehrere Phasen genutzt werden. Die Wicklung weist z.B. drei Phasenstränge auf; zum Laden bei fast voller Batterie werden jedoch nur die Stränge einer Phase (z.B.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn während eines (einzigen) Ladevorgangs die Anzahl der genutzten Phasen variiert wird. Dadurch kann z.B. das Verhältnis von Ladeleistung zu Verlustleistung vorteilhaft variiert werden. Bevorzugt startet der Ladevorgang mit Nutzung aller Phasen und endet mit Nutzung nur einer Phase.It is particularly advantageous if the number of phases used is varied during a (single) charging process. This can e.g. the ratio of charging power to power loss can advantageously be varied. The charging process preferably starts with the use of all phases and ends with the use of only one phase.
In einer Variante kann die veränderliche Nutzung von Phasen während des Ladevorgangs auch kombiniert werden mit der veränderlichen Nutzung von Sternpunkten bzw. parallelen Gruppen, z.B. durch Zu- oder Abschaltung von Sterpunkten.In one variant, the variable use of phases during the charging process can also be combined with the variable use of star points or parallel groups, e.g. by activating or deactivating death points.
Unter einem andren Gesichtspunkt in einer weiteren, erfindungsgemäßen alternativen Ausführungsform hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Statorwicklung genau einen Strang je Phase aufweist. Das bedeutet, dass die Statorwicklung keine parallelen Gruppen bzw. nur einen Wicklungssatz aufweist. Insbesondere weist sie keine parallelen Untergruppen auf. Dadurch kann ein hoher Ladestrom realisiert werden und Ausgleichsströme vermieden werden.In another aspect, in a further alternative embodiment according to the invention, it has proven to be advantageous if the stator winding has exactly one phase per phase. This means that the stator winding has no parallel groups or only one winding set. In particular, it has no parallel subgroups. This enables a high charging current to be achieved and compensating currents to be avoided.
Des Weiteren können die Statorwicklungen Formlitzen aufweisen. Litzen sind Drahtpakete, die an ihren Enden elektrisch leitend verbunden werden. Formlitzen sind in eine bestimmte Querschnittsform verpresste Litzen. Die Querschnittsform entspricht dabei im Wesentlichen der Nutgeometrie des Stators. Formlitzen haben den Vorteil, dass die Verluste bei pulsierendem Ladestrom wegen des Skin-Effekts kleiner sind als bei Vollkupferleitern und Hairpins. Weiterhin können die Querschnitte bei Segmentleiter aus Formlitzen gegenüber Hairpins und anderen Segmentleitern aus Vollkupfer größer gewählt werden, ohne dass der Skineffekt nachteilige Auswirkungen zeigt. Insbesondere eine 2-Lagen-Wicklung ist durch Formlitzen besonders gut realisierbar, während für Hairpin-Wicklungen vorzugsweise
Ebenso kann die Statorwicklung aus Stableitern und Verschaltungs- bzw. Verbindungsstegen gebildet sein. Dies ermöglicht eine sehr einfache Montage. Außerdem kann der Sternpunkt mittels einer eigenen Verschaltungsebene in einer Wickelkopfseite einfach herausgeführt werden, ohne dass der Raumbedarf wesentlich steigt. Unter Stableitern sind sowohl Formlitzen (z.B. formverpresste Drahtlitzen), Hairpins (z.B. U-förmige Vollkupferleiter) oder I-Pins (z.B. stabförmige Vollkupferleiter) zu verstehen.Likewise, the stator winding can be formed from rod conductors and interconnection or connecting bars. This enables very simple assembly. In addition, the star point can be easily brought out on a winding head side using its own interconnection level, without the space requirement increasing significantly. Rod conductors are to be understood as both shaped strands (e.g. molded wire strands), hairpins (e.g. U-shaped solid copper conductors) or I-pins (e.g. rod-shaped solid copper conductors).
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umrundet jeder Strang der Statorwicklung den Stator um ein ganzzahlig Vielfaches von 360°. Der Winkel 360° ist dabei als geometrischer um die Statorachse herum und nicht als elektrischer Winkel zu verstehen.In a further advantageous embodiment, each strand of the stator winding surrounds the stator by an integral multiple of 360 °. The angle 360 ° is to be understood as a geometric angle around the stator axis and not as an electrical angle.
Die Statorwicklung ist vorteilhafterweise als -Zwei-Lagensystem ausgebildet. Dabei sind in jeder Statornut eines Statorblechpakets stets zwei Leiterstränge, insbesondere übereinander, angeordnet; die beiden Leiterstränge können zum gleichen Phasenstrang oder zu zwei unterschiedlichen Phasensträngen gehören. Die Ladevorrichtung kann zusätzlich eine Schalteinheit aufweisen, die ausgebildet ist, eine Ladungsquelle bzw. Ladesäule direkt oder über den Hochsetzsteller mit der Fahrzeugbatterie zu verschalten.The stator winding is advantageously designed as a two-layer system. There are always two in each stator slot of a stator laminated core Conductor strands, especially one above the other, arranged; the two conductor strands can belong to the same phase strand or to two different phase strands. The charging device can additionally have a switching unit which is designed to connect a charge source or charging station to the vehicle battery directly or via the step-up converter.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Ladevorrichtung ohne Weiteres an die Ladungsquelle angeschlossen werden kann. Dabei passt sich die Ladevorrichtung an die Eigenschaften der Ladungsquelle an und ermöglicht, ohne zusätzliche Einstellungen, ein effektives Aufladen der Fahrzeugbatterie. So kann die Ladungsquelle eine gegenüber der Fahrzeugbatterie geringere oder gleiche hohe Spannung bereitstellen, die mittels der Schalteinheit derart mit der Ladevorrichtung und schlussendlich mit der Fahrzeugbatterie verschaltet wird, dass die Fahrzeugbatterie aufgeladen werden kann.This has the advantage that the charging device can be easily connected to the charge source. The charging device adapts to the properties of the charge source and enables the vehicle battery to be charged effectively without additional settings. The charge source can thus provide a lower or the same high voltage as the vehicle battery, which is connected to the charging device and ultimately to the vehicle battery by means of the switching unit in such a way that the vehicle battery can be charged.
Vorzugsweise ist die Schalteinheit derart ausgebildet, eine angeschlossene Ladungsquelle zu identifizieren. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Schalteinheit vorab die Spannung der Ladungsquelle misst und/oder bestimmten Daten von der Ladungsquelle, z.B. kabelgebunden und/oder drahtlos, herausliest. Sobald die Ladungsquelle identifiziert wurde, wird abhängig von der Identifizierung die Ladungsquelle mit der Batterie z.B. direkt, über den Hochsetzsteller oder einen Tiefsetzsteller der Ladungsvorrichtung verschaltet. Dadurch ist die Ladevorrichtung in der Lage, die angeschlossene Ladungsquelle selbstständig und ohne Fremdsteuerung zu identifizieren und mit der Fahrzeugbatterie zu verschalten/verbinden. Alternativ oder zusätzlich kann die Schalteinheit Daten empfangen, z.B. von der Ladungsquelle, die die Ladungsquelle identifiziert und/oder die Schalteinheit steuert, um die Ladungsquelle mit der Fahrzeugbatterie entsprechend zu verschalten.The switching unit is preferably designed to identify a connected charge source. This can be done by the switching unit measuring the voltage of the charge source in advance and / or certain data from the charge source, e.g. wired and / or wireless, reads out. Once the charge source has been identified, depending on the identification, the charge source with the battery is e.g. directly, via the step-up converter or a step-down converter of the charging device. As a result, the charging device is able to identify the connected charge source independently and without external control and to connect / connect it to the vehicle battery. Alternatively or additionally, the switching unit can receive data, e.g. from the charge source, which identifies the charge source and / or controls the switching unit in order to connect the charge source to the vehicle battery accordingly.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist der Antriebsumrichter als 2-Level-Wechselrichter oder als 3-Level-Wechselrichter ausgebildet. Der 3-Level-Wechselrichter kann insbesondere als Neutral Point Clamped (NPC) oder T-shape Neutral Point Clamped (TNPC) Wechselrichter ausgeführt sein.In further advantageous embodiments, the drive converter is designed as a 2-level inverter or as a 3-level inverter. The 3-level inverter can in particular be designed as a neutral point clamped (NPC) or T-shape neutral point clamped (TNPC) inverter.
Des Weiteren kann der Antriebsumrichter für drei Spannungsphasen ausgelegt sein und zur Versorgung jeder Spulenwicklung des Elektromotors jeweils eine Halbbrücke aufweisen. Es ist jedoch denkbar und möglich, die Spulenwicklungen des Elektromotors mit Vollbrücken anzusteuern.Furthermore, the drive converter can be designed for three voltage phases and each have a half bridge to supply each coil winding of the electric motor. However, it is conceivable and possible to control the coil windings of the electric motor with full bridges.
Vorzugsweise sind zum Laden der Batterie ein bis drei Halbbrücken mit entsprechenden Induktivitäten jeweils als Hochsetzsteller steuer- und verwendbar. Die Hochsetzsteller können einzelnen oder gleichzeitig, insbesondere mit oder ohne Phasenversatz verwendet werden. Je mehr Hochsetzsteller insbesondere gleichzeitig betrieben werden, desto höher ist die für die Fahrzeugbatterie zur Verfügung stehende Ladeleistung.Preferably, one to three half bridges with corresponding inductors can be controlled and used as step-up converters for charging the battery. The step-up converter can be used individually or simultaneously, in particular with or without a phase offset. The more step-up converters in particular are operated at the same time, the higher the charging power available for the vehicle battery.
Um die Anzahl der Bauelemente und somit die Kosten für die Ladevorrichtung zu sparen, kann die für einen Hochsetzsteller notwendige Induktivität durch mindestens eine Wellenwicklung des Elektromotors gebildet sein.In order to save the number of components and thus the costs for the charging device, the inductance required for a step-up converter can be formed by at least one wave winding of the electric motor.
Die hier vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung bereit.The present invention also provides an electric drive system with a charging device according to the invention.
Die nachfolgend beschriebenen Figuren beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung, wobei diese
Figuren nicht der Einschränkung, sondern im Wesentlichen der Veranschaulichung der Erfindung dienen.The figures described below relate to preferred exemplary embodiments of the charging device according to the invention, these
Figures do not serve the limitation, but essentially to illustrate the invention.
Es zeigen
-
1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung; -
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Antriebssystems mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung; -
3 eine weitere schematische Darstellung des zweiten Antriebssystems gemäß2 ; -
4 eine schematische Darstellung eines dritten Antriebssystems mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung; -
5a eine schematische Darstellung einer dreiphasigen Wellenwicklung eines erfindungsgemäßen Stators; -
5b eine schematische Darstellung eines mehrfachen Umlaufs einer Wellenwicklung -
6a eine Seitenansicht auf ein Statorblechpaket als Statormantel mit beispielhaft eingeschobenen Stableitern; -
6b eine Querschnittsansicht aufdas Statorblechpaket gemäß 6a ; -
7 einen als Formlitze ausgebildeten Segmentleiter/Stableiter; -
8 ein bevorzugtes Verschaltungsschema einer dreiphasigen Wellenwicklung; und
-
1 a schematic representation of a drive system with a charging device according to the invention; -
2nd a schematic representation of a second drive system with a loading device according to the invention; -
3rd a further schematic representation of the second drive system according to2nd ; -
4th a schematic representation of a third drive system with a charging device according to the invention; -
5a is a schematic representation of a three-phase wave winding of a stator according to the invention; -
5b is a schematic representation of a multiple revolution of a wave winding -
6a a side view of a stator laminated core as a stator jacket with inserted rod conductors; -
6b a cross-sectional view of the stator core according6a ; -
7 a segment conductor / rod conductor designed as a stranded wire; -
8th a preferred circuit diagram of a three-phase wave winding; and
Bezugszeichenliste Reference list
- 11
- Elektrisches AntriebssystemElectric drive system
- 1a1a
- Elektrisches AntriebssystemElectric drive system
- 1b1b
- Elektrisches AntriebssystemElectric drive system
- 22nd
- Elektromotor (auch elektrischer Antriebs- bzw. Traktionsmotor)Electric motor (also electric drive or traction motor)
- 2a2a
-
Elektromotor
2 mit miteinander verschaltbaren SternpunktenElectric motor2nd with interconnectable star points - 2b2 B
- Elektromotor mit nur einer Gruppe aus drei PhasensträngenElectric motor with only one group of three phase strands
- 33rd
- Wechselrichter / AntriebsumrichterInverters / drive inverters
- 4a4a
-
Erste Halbbrücke (für die
1 . Phase)First half bridge (for the1 . Phase) - 4b4b
-
Zweite Halbbrücke (für die
2 . Phase)Second half bridge (for the2nd . Phase) - 4c4c
-
Dritte Halbbrücke (für die
3 . Phase)Third half bridge (for the3rd . Phase) - 55
- Kapazität (parallel zu den Halbbrücken geschaltet)Capacitance (connected in parallel to the half-bridges)
- 66
- SternpunktNeutral point
- 6a6a
-
Sternpunkt der
1 . GruppeStar point of the1 . group - 6b6b
-
Sternpunkt der
2 . GruppeStar point of the2nd . group - 77
- Fahrzeugbatterie (mit z.B. 800V DC)Vehicle battery (with e.g. 800V DC)
- 88th
- Ladequelle (auch Ladesäule mit z.B. 400V DC)Charging source (also charging station with e.g. 400V DC)
- 9a9a
- LadesteckdoseCharging socket
- 9b9b
-
Ladestecker (der Ladequelle
8 )Charging plug (the charging source8th ) - 1010th
- Ladeschalter / SchalteinheitCharging switch / switching unit
- 1111
- AchsantriebseinrichtungFinal drive device
- 12a12a
- Erstes Rad mit AchseFirst wheel with axle
- 12b12b
- Zweites Rad mit AchseSecond wheel with axle
- 1313
- Gehäuse (des Antriebssystems)Housing (of the drive system)
- 1414
- Statorstator
- 1515
- StatorzahnStator tooth
- 1616
- StatornutStator groove
- 1717th
- StableiterStaff ladder
- 17a17a
- Erster StableiterFirst conductor
- 17b17b
- Zweiter StableiterSecond conductor
- 1818th
- Stirnverbinder/VerschaltungsstegEnd connector / connecting bridge
- 1919th
- StatorblechpaketStator laminated core
- 2020th
- Wickelkopf A-SeiteA-side winding head
- 2121
- aktive Statorseiteactive stator side
- 2222
- Wickelkopf B-SeiteB-side winding head
- AA
- Querschnitt durch FormlitzenstableiterCross section through stranded wire conductor
- BB
- Querschnitt durch FormlitzenstableiterCross section through stranded wire conductor
- S1S1
-
Erster Schalter (der Schalteinheit
10 )First switch (the switching unit10th ) - S2S2
-
Zweiter Schalter (der Schalteinheit
10 )Second switch (the switching unit10th ) - S3S3
-
Dritter Schalter (der Schalteinheit
10 )Third switch (the switching unit10th ) - SPSPLC
- SternpunktschalterNeutral switch
- T1T1
- Erster Transistor (einer Halbbrücke)First transistor (a half bridge)
- T2T2
- Zweiter Transistor (einer Halbbrücke)Second transistor (a half bridge)
- D1D1
- Erste Diode (einer Halbbrücke)First diode (a half bridge)
- D2D2
- Zweite Diode (einer Halbbrücke)Second diode (a half bridge)
- UU
- Erste Wicklung (des Elektromotors)First winding (of the electric motor)
- VV
- Zweite Wicklung (des Elektromotors)Second winding (of the electric motor)
- WW
- Dritte Wicklung (des Elektromotors)Third winding (of the electric motor)
- U1U1
-
Erste Wicklung der
1 . Gruppe (des Elektromotors)First winding of the1 . Group (of the electric motor) - V1V1
-
Zweite Wicklung der
1 . Gruppe (des Elektromotors)Second winding of the1 . Group (of the electric motor) - W1W1
-
Dritte Wicklung der
1 . Gruppe (des Elektromotors)Third winding of the1 . Group (of the electric motor) - U2U2
-
Erste Wicklung der
2 . Gruppe (des Elektromotors)First winding of the2nd . Group (of the electric motor) - V2V2
-
Zweite Wicklung der
2 . Gruppe (des Elektromotors)Second winding of the2nd . Group (of the electric motor) - W2W2
-
Dritte Wicklung der
2 . Gruppe (des Elektromotors)Third winding of the2nd . Group (of the electric motor) - XX
- Statorachse oder Achse des StatorsStator axis or axis of the stator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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DE102018124784.2A DE102018124784A1 (en) | 2018-10-08 | 2018-10-08 | Stator of an electric motor and charging device, in particular with such a stator |
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Publications (1)
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