-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben der elektrischen Schaltungsanordnung. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches eine solche elektrische Schaltungsanordnung umfasst.
-
Viele der elektrischen Komponenten, welche Elektromotoren umfassen, die in Fahrzeugen verwendet werden, empfangen elektrische Leistung von Wechselstrom-Leistungsversorgungen (AC-Leistungsversorgungen). Die Leistungsquellen (z. B. Batterien), welche bei derartigen Anwendungen verwendet werden, liefern jedoch nur Gleichstromleistung (DC-Leistung). Daher werden zur Umwandlung der DC-Leistung in AC-Leistung Einrichtungen verwendet, die als „Wechselrichter/Gleichrichter“ bekannt sind und im Folgenden als Wechselrichter bezeichnet werden, welche oft mehrere Schalter oder Transistoren verwenden, die mit verschiedenen Intervallen betrieben werden, um die DC-Leistung in AC-Leistung umzuwandeln.
-
Zudem verwenden Fahrzeuge der hier interessierenden Art, insbesondere Brennstoffzellenfahrzeuge, oft zwei separate Spannungsquellen (z. B. eine Batterie und eine Brennstoffzelle), um die Elektromotoren, welche die Räder antreiben, mit Leistung zu versorgen. Typischerweise werden „Leistungswandler“, wie etwa Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (DC/DC-Wandler) verwendet, um die Leistung von den zwei Spannungsquellen zu verwalten und zu übertragen. Moderne DC/DC-Wandler umfassen oft Transistoren, die durch eine Induktivität elektrisch verbunden sind. Durch Steuern der Zustande der verschiedenen Transistoren kann ein mittlerer Sollstrom durch die Induktivität eingeprägt werden und somit den Leistungsfluss zwischen den zwei Spannungsquellen steuern.
-
Die Verwendung sowohl eines Wechselrichters als auch eines Leistungswandlers erhöht die Komplexität des elektrischen Systems des Kraftfahrzeugs wesentlich und erhöht damit die Ausfallwahrscheinlichkeit der Schaltungsanordnung.
-
Stand der Technik
-
Aus der
DE 10 2014 203 568 A1 ist eine elektrische Schaltungsanordnung mit einer elektrischen Maschine bekannt, welches zwei dreiphasige Wicklungsstränge und zwei Wechselrichter aufweist, die jeweils mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sind.
-
Der Hintergrund der Erfindung liegt darin, dass insbesondere beim autonomen Fahren eine zuverlässige Schaltungsanordnung notwendig ist. Bei den derzeit im Stand der Technik bekannten elektrischen Schaltungsanordnungen kann bei Auftreten eines einfachen Fehlers noch bis zur nächsten Werkstatt oder zu einem nächsten Parkplatz bei meist reduzierter Antriebsleistung weitergefahren werden. Insbesondere beim autonomen Fahren wird jedoch gefordert, dass beim Auftreten eines einfachen Fehlers das Fahrzeug voll nutzbar bleibt.
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektrische Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schaltungsanordnung bereitzustellen, mit welchem eine Ausfallwahrscheinlichkeit wesentlich reduziert wird.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Aufgabe wird durch eine elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schaltungsanordnung nach Anspruch 14 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
-
Die vorliegende Erfindung gibt eine elektrische Schaltungsanordnung an, zum Anschließen einer einzigen oder zwei elektrischer Maschinen, wobei die elektrische Maschine wenigstens drei-phasig ist, eines ersten Wechselrichters und einem zweiten Wechselrichters, wobei jeder Wechselrichter wenigstens drei Phasenanschlüsse aufweist, wobei die Phasenanschlüsse jedes Wechselrichters mit wenigstens drei Wicklungssträngen der einen oder einer der zwei elektrischen Maschinen verbunden sind, und einer ersten Gleichspannungsquelle und einer zweiten Gleichspannungsquelle, wobei die Gleichspannungsquellen jeweils mit wenigstens einem der Wechselrichter elektrisch verbindbar sind. Die Schaltungsanordnung umfasst zusätzlich eine Schaltereinheit, wobei der erste Wechselrichter und der zweite Wechselrichter jeweils über eine mehrphasige Verbindungsleitung mit der Schaltereinheit elektrisch verbindbar sind, wobei die Schaltereinheit eine Mehrzahl an Schaltern umfasst, über welche elektrische Verbindungen zu den Wechselrichtern und zwischen den Wechselrichtern schaltbar sind, und wobei die Gleichspannungsquellen jeweils direkt oder über die Wechselrichter mit der Schaltereinheit elektrisch über zwei-phasige Leitungen verbindbar sind.
-
Unter einer elektrischen Maschine im Sinne der Erfindung werden hierbei beispielsweise Asynchronmotoren, permanent erregte Synchronmaschinen oder elektrisch erregte Synchronmaschinen verstanden. Gemäß der Erfindung kann jeder Wechselrichter ein 2-Level oder ein Multilevel Wechselrichter sein. Die Schalter der Schaltereinheit können sowohl mechanische Schalter, wie z.B. Relais oder Schützen sein, als auch elektronische Schalter, wie z.B. IGBT oder Mosfet.
-
Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Schaltereinheit schaltbare Verbindung zwischen den Wechselrichtern einstellbar sind. Dadurch können verschiedene Betriebsmodi eingestellt werden. Die elektrische Maschine kann über eine Gleichspannungsquelle, die mit beiden Wechselrichtern verbunden ist, oder über beide Quellen betrieben werden. Zusätzlich kann jeder Wechselrichter von jeder Gleichspannungsquelle betrieben werden. Durch diese Merkmale kann bei einem Ausfall eines Wechselrichters, einer Wicklung oder einer Gleichspannungsquelle die elektrische Schaltungsanordnung weiterhin betrieben werden. Dadurch wird der Ausfall der elektrischen Schaltungsanordnung bei einem Auftritt eines einfachen Fehlers vermieden. Die Ausfallwahrscheinlichkeit wird dadurch wesentlich reduziert.
-
Auch kann die elektrische Maschine in einem Teillastbetrieb bei einem optimalen Betriebspunkt von der optimalen Gleichspannungsquelle betrieben werden. Dadurch wird die Auslastung der Bauteile verbessert und es ist ein effizienterer Betrieb möglich. Zusätzlich wird durch eine verbesserte Auslastung der Bauteile die Beanspruchung der Bauteile reduziert, so dass ein Ausfall dieser Bauteile zusätzlich reduziert und die Ausfallwahrscheinlichkeit der elektrischen Schaltungsanordnung weiter minimiert wird.
-
Durch die Schaltereinheit ist zusätzlich eine als Batterie ausgebildete Gleichspannungsquelle durch die andere Gleichspannungsquelle ladbar. Dabei können die Wechselrichter als DC-DC-Wandler verwendet werden, so dass für die Gleichspannungsquellen eine unterschiedliche Spannung verwendbar ist.
-
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst die Schaltungsanordnung einen Ladestecker, welcher zum Laden einer externen Batterie über die Gleichspannungsquelle oder zum Laden wenigstens einer als Batterie ausgebildeten Gleichspannungsquelle der elektrischen Schaltungsanordnung, mit der Schaltereinheit elektrisch verbindbar ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Batterie der elektrischen Schaltungsanordnung durch Anschließen einer externen Gleichspannungsquelle geladen werden kann. Zusätzlich kann z.B. eine externe Batterie an den Ladestecker angeschlossen werden, so dass die externe Batterie von einer der Gleichspannungsquelle geladen werden kann. Durch die Wechselrichter ist zusätzlich die Spannung auf die zu ladende Batterie anpassbar.
-
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung umfasst die Schaltereinheit wenigstens einen Schalter, über welchen die Spannungsversorgung zwischen den Wechselrichtern und dem Ladestecker schaltbar ist. Über diesen wenigstens einen Schalter ist der Ladestecker zuschaltbar, so dass beispielsweise eine als Batterie ausgebildete Gleichspannungsquelle durch eine externe Quelle ladbar ist. Ebenso kann eine externe Batterie an dem Ladestecker angeschlossene werden, so dass die externe Batterie über eine Gleichspannungsquelle die elektrische Schaltungsanordnung ladbar ist.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung umfasst die Schaltereinheit wenigstens einen Schalter, über welchen die Verbindungsleitungen der Wechselrichter elektrisch miteinander verbindbar sind. Dadurch können beide Wechselrichter miteinander verbunden werden, so dass durch eine entsprechende Ansteuerung der Wechselrichter, bei Ausfall eines der Wechselrichter, jede Gleichspannungsquelle mit dem intakten Wechselrichter betreibbar ist. Dies hat den Vorteil, dass der Ausfall eines Wechselrichters nicht zum Ausfall der gesamten elektrischen Schaltungsanordnung führt.
-
Zusätzlich können beim Ausfall einer Gleichspannungsquelle beide Wechselrichter über die intakte Gleichspannungsquelle versorgt werden, so dass beide Wicklungsanordnungen der beiden Wechselrichter betrieben werden können. Dadurch kann für die elektrische Maschine weiterhin die volle Antriebsleistung zur Verfügung gestellt werden, so dass die Ausfallwahrscheinlichkeit wesentlich reduziert ist.
-
Vorzugsweise umfasst die Schaltereinheit wenigstens einen Schalter, über welchen eine Verbindung zwischen wenigstens einem der Wechselrichter und der Schaltereinheit schaltbar ist. Besonders bevorzugt weist die Schaltereinheit wenigstens zwei Schalter auf, über welche eine Verbindung zwischen Schaltereinheit und jedem der Wechselrichter schaltbar ist. Durch einen solchen Schalter kann beispielsweise eine externe Batterie über eine der Gleichspannungsquellen geladen werden. Dabei besteht die Möglichkeit durch eine entsprechende Aktivierung bzw. Deaktivierung des oder dieser Schalter die Spannung der Gleichspannungsquelle an die externe Batterie anzupassen.
-
Ebenso ist es möglich, eine als Batterie ausgebildete Gleichspannungsquelle durch eine entsprechende Verschaltung zu laden. Dabei ist es ebenso möglich, die externe Spannung an die für die Batterie notwendige Spannung durch die Wechselrichter anzupassen.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Schaltereinheit und die Wechselrichter in einem gemeinsamen Gehäuse oder die Wechselrichter in einem separatem Wechselrichtergehäuse und die Schaltereinheit in einem separatem Schaltergehäuse angeordnet. Eine Anordnung der Schaltereinheit und des Wechselrichters in einem gemeinsamen Gehäuse hat den Vorteil, dass der Platzbedarf für eine solche Einheit reduziert wird. Der Vorteil einer Anordnung der Wechselrichter und der Schaltereinheit in einem separatem Gehäuse hat den Vorteil, dass bei einem Defekt in den Wechselrichtern oder der Schaltereinheit lediglich eines dieser Gehäuse getauscht werden muss. Dadurch werden die Kosten für eine solche Reparatur reduziert.
-
Vorteilhafterweise ist wenigstens eine der Gleichspannungsquellen eine Batterie. Als Batterie kann dabei beispielsweise eine Mitteltemperatur-Batterie, eine Hochenergie-Batterie oder Hochleistungsbatterie zum Einsatz kommen. Die Batterie kann dabei über die andere Gleichspannungsquelle geladen werden. Ebenso kann die Batterie über eine externe Gleichspannungsquelle geladen werden.
-
In einer alternativen Ausgestaltung ist eine der Gleichspannungsquellen eine Brennstoffzelle und/oder eine elektrifizierte Fahrstrecke. Eine Brennstoffzelle hat den Vorteil, dass im Vergleich zu einer Batterie mit der Brennstoffzelle eine größere Reichweite erzielt werden kann. Die Batterie kann zusätzlich über die Brennstoffzelle durch eine entsprechende Ansteuerung der Schalter der Schaltereinheit während des Fahrens geladen werden. Dadurch kann die Reichweite eines solchen Kraftfahrzeuges deutlich erhöht werden. Unter einer elektrifizierten Fahrstrecke wird beispielsweise eine Oberleitung oder eine Stromschiene verstanden, über welche die elektrische Antriebseinheit mit einer externen Gleichspannungsquelle verbunden ist. Eine elektrifizierte Fahrstrecke hat den Vorteil, dass eine Ladestation zum Laden einer als Batterie ausgebildeten Gleichspannungsquelle nicht notwendig ist. Die Batterie kann somit über die elektrifizierte Fahrstrecke geladen werden.
-
Vorzugsweise ist wenigstens einer der Wechselrichter ein B6-Wechselrichter. B6-Wechselrichter haben den Vorteil, dass diese in vielen Ausführungen erhältlich sind, so dass eine elektrische Schaltungsanordnung mit einem solchen Wechselrichter wirtschaftlich herstellbar ist. Durch den Einsatz solcher vielfach erprobten und weiterentwickelten Bauteile wird zudem die Ausfallwahrscheinlichkeit reduziert.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist wenigstens eine elektrische Maschine wenigstens eine als Stern verschaltete und/oder wenigstens eine als Dreieck verschaltete Wicklungsanordnung auf. Die Stern Schaltung hat den Vorteil, dass der elektrische Motor mit einem geringeren Anlaufstrom gestartet werden kann. Dadurch wird der Motor geschont, so dass die Ausfallwahrscheinlichkeit der elektrischen Schaltungsanordnung durch einen Ausfall der elektrischen Maschine reduziert wird. Die Dreieck Schaltung hat den Vorteil, dass die elektrische Maschine mit einer hohen Leistung betrieben werden kann. Besonders bevorzugt ist eine Kombination von Stern Schaltung und von Dreieck Schaltung, so dass die Vorteile beider Schaltungen kombiniert werden können.
-
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst wenigstens eine elektrische Maschine drei Wicklungsstränge, wobei jeder Wicklungsstrang mit dem ersten und dem zweiten Wechselrichter verbunden ist. Besonders bevorzugt sind diese Wicklungsstränge parallel zueinander angeordnet. Dadurch kann jeder Wicklungsstrang mit einer höheren Leistung betrieben werden.
-
Die elektrische Schaltungsanordnung umfasst vorzugsweise Schaltschützen, über welche wenigstens eine der Gleichspannungsquellen elektrisch verbindbar ist. Dadurch können die Gleichspannungsquelle einzeln zu- oder abgeschaltet werden, so dass die elektrische Maschine mit der optimalen Gleichspannungsquelle betreibbar ist.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung sind die Schaltschützen in der Schaltereinheit oder in der Gleichspannungsquelle angeordnet. Dadurch können vorteilhafte Modulgruppen gebildet werden, welche in einem Fehlerfall getauscht werden können.
-
Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Schaltungsanordnung. Das Verfahren umfasst dabei als Betriebsmodus einen Fahrmodus, bei welchem die Schalter der Schaltereinheit, die Schalterschützen und die Wechselrichterschalter derart geschaltet werden, dass eine Antriebsenergie der elektrischen Maschine über die erste und/oder zweite Gleichspannungsquelle und den ersten und/oder zweiten Wechselrichter bereitgestellt wird, dass eine Antriebsenergie der elektrischen Maschine über die erste Gleichspannungsquelle und den ersten Wechselrichter bereitgestellt wird und die als Batterie ausgebildete zweite Gleichspannungsquelle von der ersten Gleichspannungsquelle geladen wird, oder dass eine Antriebsenergie der elektrischen Maschine über die zweite Gleichspannungsquelle und den zweiten Wechselrichter bereitgestellt wird und die als Batterie ausgebildete erste Gleichspannungsquelle von der zweiten Gleichspannungsquelle geladen wird.
-
Das Verfahren umfasst darüber hinaus als Betriebsmodus einen Standmodus, bei welchem die Schalter der Schaltereinheit, die Schalterschützen und die Wechselrichterschalter derart geschaltet werden, dass eine als Batterie ausgebildete zweite Gleichspannungsquelle von der ersten Gleichspannungsquelle geladen wird, für den Fall, dass eine Spannung der zweiten Gleichspannungsquelle größer oder kleiner als eine Spannung der ersten Gleichspannungsquelle ist, dass eine als Batterie ausgebildete erste Gleichspannungsquelle von der zweiten Gleichspannungsquelle geladen wird, für den Fall, dass eine Spannung der ersten Gleichspannungsquelle größer oder kleiner als eine Spannung der zweiten Gleichspannungsquelle ist, dass eine als Batterie ausgebildete erste oder zweite Gleichspannungsquelle von einer externen Quelle mit variabler Spannung oder einer an die erste oder zweite Gleichspannungsquelle angepassten Spannung geladen wird, oder dass die erste oder zweite Gleichspannungsquelle als mobile Ladestation mit einstellbarer Spannung oder mit fester Spannung bereitgestellt wird.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der elektrischen Schaltungsanordnung können die zu der elektrischen Schaltungsanordnung genannten Vorteile durch entsprechende Verfahrensschritte realisiert werden.
-
Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Kraftfahrzeug, welches die erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung umfasst. Dadurch können die zuvor genannten Vorteile erzielt werden.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 Blockschaltbild der elektrischen Schaltungsanordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 Blockschaltbild der elektrischen Schaltungsanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 Detaildarstellung einer möglichen Ausführung der Erfindung,
- 4a Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine mit einer als Dreieck und einer als Stern verschalteten Wicklungsanordnung,
- 4b Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine mit drei Wicklungssträngen, welche mit beiden Wechselrichtern verbunden sind,
- 4c Ausführungsbeispiel bei welcher zwei elektrische Maschinen angeordnet sind, die jeweils eine als Stern verschaltete Wicklungsanordnung aufweisen,
- 5a Ausführungsbeispiel bei welchem die Gleichspannungsquelle eine Brennstoffzelle ist,
- 5b Ausführungsbeispiel bei welchem die Gleichspannungsquelle eine elektrifizierte Fahrstrecke ist,
- 6 Ausführungsbeispiel bei welchem die Wechselrichter und die Schaltereinheit in einem Gehäuse angeordnet sind,
- 7 Ausführungsbeispiel bei welchem beide Wechselrichter in einem gemeinsamen und die Schaltereinheit in separatem Gehäuse angeordnet sind,
- 8 Ausführungsbeispiel der Schalterstellungen anhand der in 3 gezeigten elektrischen Schaltungsanordnung,
- 9 Ausführungsbeispiel mit einer modifizierten Schalteranordnung,
- 10 Ausführungsbeispiel mit einer modifizierten Schalteranordnung, und
- 11 Ausführungsbeispiel mit einer modifizierten Schalteranordnung.
-
1 zeigt ein Blockschaltbild der elektrischen Schaltungsanordnung 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Schaltungsanordnung 10 umfasst dabei eine elektrische Maschine 14, über die beispielsweise ein Kraftfahrzeug antreibbar ist. Die elektrische Maschine 14 ist jeweils mit einem ersten Wechselrichter 18 und mit einem zweiten Wechselrichter 22 elektrisch verbunden. Die elektrische Schaltungsanordnung 10 umfasst zusätzlich eine Schaltereinheit 26, welche über mehrphasige Verbindungsleitungen 30 mit dem ersten und dem zweiten Wechselrichter 18, 22 elektrisch verbunden ist.
-
In dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Schaltereinheit 26 zusätzlich mit einer ersten Gleichspannungsquelle 34 und einer zweiten Gleichspannungsquelle 38 über zwei-phasige Leitungen 42a, 42b verbunden. Mittels der Schaltereinheit 26 kann somit eine Stromzufuhr zu und zwischen den Wechselrichter 18, 22 geschaltet werden.
-
Die elektrische Schaltungsanordnung 10 umfasst zusätzlich einen Ladestecker 46, welcher beispielsweise zum Laden einer externen Batterie (nicht gezeigt) über eine der Gleichspannungsquellen 34, 38, mit der Schaltereinheit 26 elektrisch verbunden ist. Auch kann über den Ladestecker 46 eine als Batterie 50, 54 (siehe 3) ausgebildete Gleichspannungsquelle 34, 38 der elektrischen Schaltungsanordnung 10 durch eine externe Ladequelle (nicht gezeigt) geladen werden.
-
2 zeigt ein Blockschaltbild der elektrischen Schaltungsanordnung 10 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich im Wesentlichen von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass die Gleichspannungsquellen 34, 38 nicht direkt mit der Schaltereinheit 26 verbunden sind. Die Gleichspannungsquellen 34, 38 sind dabei direkt mit den Wechselrichtern 18, 22 verbunden. Die Gleichspannungsquellen 34, 38 können trotz alledem durch einen entsprechenden Anschluss und einer Verschaltung in der Schaltereinheit 26 geschaltet werden, so dass eine Stromzufuhr zu den Wechselrichtern 18, 22 schaltbar ist.
-
Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung weist zusätzlich zwei elektrische Maschinen 14 auf, wobei eine elektrische Maschine 14 mit dem ersten Wechselrichter 18 und die andere elektrische Maschine 14 mit dem zweiten Wechselrichter 22 verbunden ist.
-
In weiteren nicht gezeigten Ausgestaltungsmöglichkeiten weisen die Ausführungsbeispiele zu den 1 und 2 keinen Ladestecker 46 auf. Der Ladestecker 46 ist somit nicht notwendig für die Erfindung und somit lediglich optional möglich.
-
In 3 ist eine Detaildarstellung einer möglichen Ausführung der Erfindung gezeigt. Der erste und der zweite Wechselrichter 18, 22 sind hier beispielhaft als B6-Wechselrichter ausgeführt. Der erste und der zweite Wechselrichter 18, 22 weisen wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, Wechselrichterschalter u1, u2, v1, v2, w1, w2 bzw. x1, x2, y1, y2, z1, z2 auf, welche entsprechenden Leitungen u, v, w bzw. x, y, z zugeordnet sind.
-
In dem Ausführungsbeispiel in 3 sind die Gleichspannungsquellen 34, 38 als Batterien 50, 54 ausgebildet. Zum Schalten der Batterien 50, 54 weist die erste Gleichspannungsquelle 34 Schaltschützen SB1+, SB1- und die zweite Gleichspannungsquelle 38 Schaltschützen SB2+,SB2- auf. Die Schaltschützen SB1+, SB2+ jeder Gleichspannungsquelle 34, 38 weisen jeweils zusätzlich eine Vorladeschaltung 62 auf. Über den Schaltschütz SB1+ ist eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Wechselrichter 18 und dem Pluspol der Batterie 50 schaltbar. Dementsprechend ist über den Schaltschütz SB1- eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Wechselrichter 18 und dem Minuspol der Batterie 50 schaltbar. Analog zu dem Schaltschütz SB1+ ist über den Schaltschütz SB2+ eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Wechselrichter 22 und dem Pluspol der Batterie 54 schaltbar. Dementsprechend ist über den Schaltschütz SB2- eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Wechselrichter 22 und dem Minuspol der Batterie 54 schaltbar.
-
Die Schaltereinheit 26 weist eine Mehrzahl an Schaltern S1, S2, S3, S4, S5, S6 (siehe auch 6 und 7) auf, über welche die Verbindungen zu den Wechselrichtern 18, 22 und zwischen den Wechselrichtern 18, 22 schaltbar sind. Der Schalter S4 ist dabei zwischen dem Pluspol eines Ladesteckeranschlusses Ch+ und einem Verteilerknoten K1 angeordnet. Über den Schalter S4 sind beide Wechselrichter 18, 22 und der Pluspol der Batterien 50, 54 mit dem Pluspol des Ladesteckeranschlusses Ch+ verbindbar. Über den Schalter S5 ist eine elektrische Verbindung zu beiden Wechselrichtern 18, 22 und zu den Minuspolen der Batterien 50, 54 schaltbar. Mit den Schaltern S4 und S5 kann somit die Spannungsversorgung zu und von den Wechselrichtern 18, 22 und einer an dem Ladestecker 46 angeschlossenen externen Batterie bzw. Gleichspannungsquelle geschaltet werden. Dadurch kann die externe Batterie geladen werden. Ebenso können die Batterien 50, 54 von der externen Gleichspannungsquelle geladen werden.
-
Über den Schalter S1 ist eine elektrische Verbindung zwischen dem Verteilerknoten K1 und dem ersten Wechselrichter 18 bzw. zwischen dem Verteilerknoten K1 und dem Pluspol der Batterie 50 schaltbar. Entsprechend dazu ist über den Schalter S2 eine elektrische Verbindung zwischen dem Verteilerknoten K1 und dem zweiten Wechselrichter 22 bzw. zwischen dem Verteilerknoten K1 und dem Pluspol der Batterie 54 schaltbar. Über den Schalter S3 ist eine elektrische Verbindung zwischen einem Phasenanschluss W und einem Phasenanschluss Z schaltbar.
-
Die 3 zeigt zusätzlich, dass jeder Wechselrichter 18, 22 drei Phasenanschlüsse U, V, W bzw. X, Y, Z aufweist. Diese Phasenanschlüsse U, V, W bzw. X, Y, Z sind mit entsprechenden Anschlüssen U, V, W bzw. X, Y, Z der elektrischen Maschine 14 verbunden. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine einzige elektrische Maschine 14 verwendet. Diese elektrische Maschine 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel sechs-phasig. Diese elektrische Maschine 14 weist dabei sechs Wicklungsstränge 70 auf, die zwei als Stern verschaltete Wicklungsanordnung bilden. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Wicklungsstränge 70 der beiden Wicklungsanordnungen parallel zueinander angeordnet.
-
In den 4a, 4b und 4c sind weitere Ausführungsformen der Wicklungsanordnungen in der elektrischen Maschine 14 gezeigt. 4a zeigt beispielsweise eine sechs-phasige elektrische Maschine 14, bei welcher die Wicklungsstränge 70 in einer als Stern verschalteten Wicklungsanordnungen und einer als Dreieck verschalteten Wicklungsanordnungen vorliegen.
-
In der 4b ist eine drei-phasige elektrische Maschine 14 gezeigt, welche drei Wicklungsstränge 70 aufweist, wobei jeder Wicklungsstrang 70 mit dem ersten und dem zweiten Wechselrichter 18, 22 verbunden ist. 4c zeigt dahingegen ein Ausführungsbeispiel für zwei elektrische Maschinen 14. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jeder Wechselrichter 18, 22 mit einer elektrischen Maschine 14 verbunden. Jede elektrische Maschine 14 weist dabei drei Wicklungsstränge 70 auf, welche als Stern verschaltete Wicklungsanordnung vorliegt.
-
In 5a und 5b sind weitere Ausführungsbeispiel für die zweite Gleichspannungsquelle 38 gezeigt. In 5a ist die zweite Gleichspannungsquelle 38 eine Brennstoffzelle FC. 5b zeigt dahingegen ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die zweite Gleichspannungsquelle 38 eine elektrifizierte Fahrstrecke (nicht gezeigt) wie beispielweise eine Oberleitung oder eine Stromschiene ist. Die elektrifizierte Fahrstrecke ist dabei über die Kontakte K+ und K- mit der elektrischen Schaltungsanordnung 10 verbunden.
-
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei welchem die Wechselrichter 18, 22 und die Schaltereinheit 26 in einem gemeinsamen Gehäuse 74 angeordnet sind. Dieses Gehäuse 74 weist die Phasenanschlüsse U, V, W bzw. X, Y, Z der beiden Wechselrichter 18, 22 auf, über welche die Wechselrichter 18, 22 mit der elektrischen Maschine 14 verbindbar sind.
-
Zusätzlich weist das Gehäuse 74 Gleichspannungsquellenanschlüsse +1Q, -1Q für die erste Gleichspannungsquelle 34 und Gleichspannungsquellenanschlüsse +2Q, -2Q für die zweite Gleichspannungsquelle 38 auf. Über die an dem Gehäuse 74 angeordneten Ladesteckeranschlüsse Ch+, Ch- ist der Ladestecker 46 anschließbar.
-
6 weist zusätzlich zu den bereits in 3 gezeigten Schaltern S1, S2, S3, S4 und S5, den Schalter S6 auf. Der Schalter S5 ist in diesem Ausführungsbeispiel, ebenso wie bei der 3, zwischen einem Verteilerknoten K2, und dem Minuspol des Ladesteckeranschlusses Ch- angeordnet. Über den Verteilerknoten K2, sind beide Wechselrichter 18, 22 bzw. die Minuspole der Batterien 50, 54, mit dem Minuspol des Ladesteckeranschlusses Ch- verbindbar. Der Schalter S6 ist zwischen dem Verteilerknoten K2 und dem ersten Wechselrichter 18 bzw. dem Minuspol der Batterie 50 angeordnet, so dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Verteilerknoten K2 und dem ersten Wechselrichter 18 bzw. dem Minuspol der Batterie 50 schaltbar ist.
-
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die beiden Wechselrichter 18, 22 in einem gemeinsamen Wechselrichtergehäuse 78 angeordnet sind. Zusätzlich ist die Schaltereinheit 26 in einem separatem Schaltergehäuse 82 angeordnet. Das Wechselrichtergehäuse 78 weist zusätzlich zu den Phasenanschlüsse U, V, W bzw. X, Y, Z noch die Verbindungsleitungsanschlüsse +1L, -1L, +2L, -2L auf, welche mit entsprechenden Anschlüssen an dem Schaltergehäuse 82 verbunden sind.
-
Zusätzlich weist das Schaltergehäuse 82 die Anschlüsse X, W auf, welche mit den entsprechenden Phasenanschlüssen X, W am Wechselrichtergehäuse 78 verbunden sind. Über den im Schaltergehäuse 82 angeordneten Schalter S3 kann dadurch eine Verbindung zwischen diesen Phasenanschlüssen X, W hergestellt werden.
-
Am Schaltergehäuse 82 sind darüber hinaus die Gleichspannungsquellenanschlüsse +1Q, -1Q für die erste Gleichspannungsquelle 34 und die Gleichspannungsquellenanschlüsse +2Q, -2Q für die zweite Gleichspannungsquelle 38 angeordnet. In dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Gleichspannungsquelle 34 eine Batterie 50, währenddessen die zweite Gleichspannungsquelle 38 eine Brennstoffzelle FC ist. Zusätzlich weist das Schaltergehäuse 82 die Ladesteckeranschlüsse Ch+, Ch- auf, welche mit entsprechenden Anschlüssen des Ladesteckers 46 verbunden sind.
-
8 zeigt ein anhand der in 3 gezeigten elektrischen Schaltungsanordnung 10 ein Ausführungsbeispiel der Schalterstellungen der Schalter S1, S2, S3, S4, S5, der Schaltschützen SB1+, SB1-, SB2+, SB2- und der Wechselrichterschalter u1, u2, v1, v2, w1, w2, x1, x2, y1, y2, z1, z2. Bei der gezeigten Tabelle steht eine „1“ bei den Schaltern für einen geschlossenen Schalter, wobei ein leeres Feld für einen geöffneten Schalter steht. Ein „T“ steht in der Tabelle für ein getaktetes Ansteuern des entsprechenden Schalters. Um einen drehzahlabhängigen Betrieb der elektrischen Maschine 14 zu gewährleisten steht der Buchstabe „N“ für einen entsprechenden normalen Betrieb der entsprechenden Schalter, d.h. die Schalter werden beispielsweise entsprechend der Drehzahl geschaltet. Bei den Buchstaben „GB“ werden die Schalter derart betrieben, dass ein Generatorbetrieb durch die elektrische Maschine 14 gewährleistet wird, so dass eine als Batterie 50, 54 ausgebildete Gleichspannungsquelle 34, 38 ladbar ist.
-
In einem ersten Fahrmodus FM1, bei welchem das Kraftfahrzeug in einem Fahrbetrieb ist, werden die Schalter S1, S2, S3, S4, S5, die Schaltschützen SB1+, SB1-, SB2+, SB2- und die Wechselrichterschalter u1, u2, v1, v2, w1, w2, x1, x2, y1, y2, z1, z2 derart geschaltet, dass eine Antriebsenergie der elektrischen Maschine 14 über die erste Gleichspannungsquelle 34 und den ersten Wechselrichter 18 bereitgestellt wird. Zusätzlich zu dem Fahrbetrieb in Fahrmodus FM1 kann in einem zweiten Fahrmodus FM2 die als Batterie 54 ausgebildete zweite Gleichspannungsquelle 38 durch die erste Gleichspannungsquelle 34 geladen werden.
-
Der in 8 gezeigte dritte Fahrmodus FM3 ist eine Abwandlung des ersten Fahrmodus FM1. Bei diesem dritten Fahrmodus FM3 wird der Fahrbetrieb nicht über den ersten Wechselrichter 18, sondern über den zweiten Wechselrichter 22 betrieben wird. Die erste Gleichspannungsquelle 34 ist somit mit dem zweiten Wechselrichter 22 verbunden. Ebenso kann in einem vierten Fahrmodus FM 4, bei einem Ausfall der beispielsweise zweiten Gleichspannungsquelle 38, der Fahrbetrieb von der ersten Gleichspannungsquelle 34 über den ersten und den zweiten Wechselrichter 18, 22 durchgeführt werden. Dadurch kann die elektrische Maschine 14 weiterhin mit einer vollen Leistung betrieben werden.
-
In einem ersten Standmodus SM1al, SM1a2, bei welchem das Kraftfahrzeug steht, werden zwei verschiedene Schalterstellungen der Schalter, der Schaltschützen und der Wechselrichterschalter gezeigt. Diese sind dabei derart geschaltet, dass eine als Batterie 54 ausgebildete zweite Gleichspannungsquelle 38 von der ersten Gleichspannungsquelle 34 geladen wird, für den Fall, dass eine Spannung der zweiten Gleichspannungsquelle 38 größer als eine Spannung der ersten Gleichspannungsquelle 34 ist.
-
Gemäß einem Untermodus SMlb des ersten Standmodus SM1a1, SM1a2, ist ebenso ein Laden möglich, für den Fall, dass eine Spannung der als Batterie 54 ausgebildeten zweiten Gleichspannungsquelle 38 kleiner als eine Spannung der ersten Gleichspannungsquelle 34 ist.
-
Bei einem zweiten Standmodus SM2, werden die Schalter, die Schaltschützen und die Wechselrichterschalter derart geschaltet, dass eine als Batterie 54 ausgebildete zweite Gleichspannungsquelle 38 von einer externen Quelle mit variabler Spannung geladen wird. Die Spannung der externen Quelle wird dabei durch die Wechselrichter 18, 22 auf die für die Batterie 54 benötigte Spannung gebracht.
-
Ebenso kann die als Batterie 54 ausgebildete zweite Gleichspannungsquelle 38 in einem dritten Standmodus SM3 von einer externen Ladesäule geladen werden. Diese Ladesäule hat dabei für die Batterie 54 benötigte Spannung, so dass eine Spannungsanpassung durch die Wechselrichter 50, 54 nicht notwendig ist.
-
In einem vierten Standmodus SM4 kann die elektrische Schaltungsanordnung 10 ebenso als mobile Ladestation mit einstellbarer Spannung verwendet werden. Dadurch kann beispielsweise ein anderes Kraftfahrzeug aufgeladen werden. In dem vierten Standmodus SM4 wird dabei die Spannung der ersten Gleichspannungsquelle über die Wechselrichter 18, 22 auf eine zum Laden benötigte Spannung eingestellt. In einem fünften Standmodus SM5 ist somit ebenso ein mobiles Laden einer externen Batterie über die erste Gleichspannungsquelle 34 möglich, wobei hierbei die Spannung nicht über die Wechselrichter 18, 22 eingestellt wird.
-
In weiteren in 8 nicht gezeigten Fahrmodi und Standmodi können die Rollen der ersten Gleichspannungsquellen 34 und der zweiten Gleichspannungsquelle 38 getauscht werden. Dementsprechend werden ebenso die Rollen des ersten Wechselrichters 18 und des zweiten Wechselrichters 22 getauscht. Die Verschaltung der Schalter S1, S2, S3, S4, S5, der Schaltschützen SB1+, SB1-, SB2+, SB2- und der Wechselrichterschalter u1, u2, v1, v2, w1, w2, x1, x2, y1, y2, z1, z2 ist dabei im Wesentlichen spiegelverkehrt zu der in 8 gezeigten Verschaltung.
-
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer modifizierten Schalteranordnung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel in 6 dahingehend, dass der Schalter S1 nicht vorhanden ist. Entsprechend zu 6 ist über den Schalter S2 eine elektrische Verbindung zwischen dem Verteilerknoten K1 und dem zweiten Wechselrichter 22 bzw. zwischen dem Verteilerknoten K1 und dem Pluspol der Batterie 54 schaltbar.
-
In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer modifizierten Schalteranordnung gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich zu dem Ausführungsbeispiel in 6 dahingehend, dass zusätzlich ein Schalter S7 vorgesehen ist, welcher zum Verschalten der beiden Batterien 50 ,54 in Reihe schaltbar ist. Der Schalter S7 schaltet dabei eine direkte Verbindung, zwischen dem Gleichspannungsquellenanschluss +2Q und dem Gleichspannungsquellenanschluss -1Q.
-
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer modifizierten Schalteranordnung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel in 6 dahingehend, dass die Schalter vom positiven Pol und dem negativen Pol der Batterien 50, 54 getauscht sind.
-
Der Schalter S5 ist dabei zwischen dem Minuspol des Ladesteckeranschlusses Ch- und einem Verteilerknoten K3 angeordnet. Über den Schalter S5 sind beide Wechselrichter 18, 22 und der Minuspol der Batterien 50, 54 mit dem Minuspol des Ladesteckeranschlusses Ch- verbindbar. Über den Schalter S4 ist eine elektrische Verbindung beider Wechselrichter 18, 22 und dem Pluspol der Batterien 50, 54 schaltbar. Über den Schalter S1 ist eine elektrische Verbindung zwischen einem Verteilerknoten K3 und dem ersten Wechselrichter 18 bzw. zwischen dem Verteilerknoten K3 und dem Minuspol der Batterie 50 schaltbar. Entsprechend dazu ist über den Schalter S2 eine elektrische Verbindung zwischen dem Verteilerknoten K3 und dem zweiten Wechselrichter 22 bzw. zwischen dem Verteilerknoten K3 und dem Minuspol der Batterie 54 schaltbar. Der Schalter S6 ist zwischen dem ersten Wechselrichter 18, 22 und dem zweiten Wechselrichter angeordnet, so dass eine elektrische Verbindung zwischen den Wechselrichtern 18, 22 bzw. zwischen dem Pluspol der Batterie 50 und dem Pluspol der Batterie 54 schaltbar ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102014203568 A1 [0005]
