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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ansteuerschaltkreis für einen Elektromotor mit einer einstellbaren Zwischenkreisspannung sowie ein entsprechendes Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors. Die Erfindung eignet sich insbesondere für einen Einsatz in Elektrofahrzeugen.
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In der heutigen Zeit gewinnt das Thema Elektromobilität rasant an Bedeutung und zugleich an Marktanteil. Herzstück von Elektrofahrzeugen ist der Elektromotor, welcher aus der Traktionsbatterie mit Energie versorgt wird. Zur Wandlung der Gleichspannung der Traktionsbatterie in eine Spannung mit wechselnder Polarität zum Antreiben des Elektromotors wird ein Umrichter verwendet. An den Ausgängen des Umrichters wird ein getaktetes Spannungssignal bereitgestellt, welches durch die großen Induktivitäten des Elektromotors einen annähernd sinusförmigen Stromfluss zur Folge hat. Die verwendeten getakteten Umrichter arbeiten nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation (PWM) oder Pulsamplitudenmodulation (PAM), wobei erstere bei Elektroantrieben häufiger anzutreffen ist.
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Im Ansteuerschaltkreis des Elektromotors wird aus Kostengründen der Zwischenkreiskondensator meist direkt mit der Traktionsbatterie verbunden. Dabei dient der Zwischenkreiskondensator generell der Aufrechterhaltung einer stabilen Zwischenkreisspannung UDC und eines gleichmäßigen Batteriestroms Ibatt für Fahrantriebssysteme auf Basis von spannungsbasierten Gleichspannungswandlern (VSI, voltage source inverter) in Elektrofahrzeugen, Hybrid-Elektrofahrzeugen und Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen.
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In einigen Anwendungen wird allerdings ein Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) zwischen Traktionsbatterie und Umrichter geschaltet, um ein Absinken der Zwischenkreis- bzw. Batteriespannung bei hohen Batterieströmen aufgrund des Batterieinnenwiderstandes oder bei tiefen Ladezuständen der Batterie auszugleichen. Die Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebs ist dann weitestgehend unabhängig vom Ladezustand (ach als SoC, state of charge, bezeichnet) der Traktionsbatterie. Durch diese Maßnahme kann die Dauerleistungsfähigkeit des Antriebs gesteigert werden: Im Grunddrehzahlbereich ergeben sich weniger Oberschwingungsverluste, im Feldschwächbereich ist weniger Feldschwächstrom notwendig und insgesamt kann der Grunddrehzahlbereich erweitert werden.
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Durch den Einsatz des DC/DC-Wandlers ist es möglich, das Batteriesystem und die elektrische Maschine unabhängig voneinander zu optimieren, da die elektrische Maschine nicht mehr auf die minimale Spannung der Traktionsbatterie ausgelegt werden muss bzw. eine minimale Batteriespannung bei der Auslegung nicht mehr berücksichtigt werden muss. So ist es möglich die Spannung des Batteriesystems - im Rahmen der Bandbreite der Eingangs- und Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers - nachträglich anzupassen, sodass die elektrische Maschine unabhängig vom Ladezustand der Traktionsbatterie ihre volle Leistung abrufen kann. Durch den Einsatz des DC/DC-Wandlers kann die Zwischenkreisspannung betriebsoptimal angepasst werden.
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Vor diesem Hintergrund kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen werden, einen Ansteuerschaltkreis für eine elektrische Maschine bereitzustellen, mittels welchem der Betrieb der elektrischen Maschine weiter optimiert werden kann, insbesondere hinsichtlich in der Maschine auftretender Verluste.
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Diese Aufgabe wird mittels des Ansteuerschaltkreises für einen Elektromotor, des Verfahrens zum Ansteuern eines Elektromotors sowie des Elektroantriebs gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein Ansteuerschaltkreis für einen Elektromotor mit einstellbarer Zwischenkreisspannung bereitgestellt. Der Ansteuerschaltkreis weist einen ersten getakteten Umrichter, welcher eine Anzahl von ersten Ausgangsanschlüssen aufweist und eingerichtet ist, an jedem Ausgangsanschluss ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal bereitzustellen, wobei die Spannungssignale jeweils gegeneinander phasenverschoben sind, sowie einen zweiten getakteten Umrichter auf, welcher eine Anzahl von zweiten Ausgangsanschlüssen aufweist und eingerichtet ist, an jedem Ausgangsanschluss ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal bereitzustellen, wobei die Spannungssignale jeweils gegeneinander phasenverschoben sind.
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Jeder der beiden Umrichter kann typischerweise zwei Leistungshalbleiterschalter pro Phase (Halbbrücke) aufweisen, z.B. IGBTs, Si-MOSFETs, SiC-MOSFETs, GaN-Transistoren. Der Umrichter wandelt die Batteriespannung durch n-Halbbrücken in n-phasige Wechselspannungen gemäß einem gewählten Pulsweitenmodulationsschema (PWM). Die Wechselspannungen wiederum erzeugen den nötigen Motorstrom pro Phase, um das gewünschte Motordrehmoment M und die Soll-Drehgeschwindigkeit ω zu erhalten, wobei das Produkt aus Motordrehmoment M und Drehgeschwindigkeit ω die von dem Elektromotor verrichtete Leistung angibt.
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Der erfindungsgemäße Ansteuerschaltkreis weist ferner mindestens einen Energiespeicheranschluss auf, mittels welchem der Ansteuerschaltkreis mit einem Energiespeicher verbindbar ist. Bei dem Energiespeicher kann es sich um eine Batterie handeln, insbesondere um eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs.
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Der erfindungsgemäße Ansteuerschaltkreis weist ferner mindestens einen Zwischenkreiskondensator auf, welcher mindestens einem der beiden Umrichter vorgeschaltet ist.
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Der erfindungsgemäße Ansteuerschaltkreis weist ferner mindestens einen Gleichspannungswandler auf, welcher zwischen dem mindestens einen Energiespeicheranschluss und dem mindestens einen Zwischenkreiskondensator geschaltet (also mit beiden gekoppelt ist) und eingerichtet ist, die an dem mindestens einen Zwischenkreiskondensator anliegende Zwischenkreisspannung variabel einzustellen.
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Der erfindungsgemäße Ansteuerschaltkreis ist folglich für ein Ansteuern eines Elektromotors mittels zwei Umrichtern eingerichtet. Entsprechend wird die elektrische Maschine durch zwei separate n-phasige Wicklungssysteme gespeist. Jeder der Umrichter kann n Halbbrücken aufweisen und damit zum Ansteuern von n Phasen eines der Wicklungssysteme des Elektromotors eingerichtet sein. Im Betrieb des Ansteuerschaltkreises werden beide Umrichter gleichphasig bestromt. Bevorzugt kann jeder der Umrichter als ein dreiphasiger Umrichter ausgebildet sein und entsprechend mit einem dreiphasigen Wicklungssystem der elektrischen Maschine gekoppelt werden.
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Die beiden Umrichter des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises werden im Vergleich zu einem herkömmlichen dreiphasigen System, welches nur einen Umrichter aufweist, auf halben Maximalstrom ausgelegt. Im Folgenden wird ein solches System als ein herkömmliches Referenzsystem bezeichnet. Die Windungszahl pro Wicklungssystem kann zweckmäßigerweise so ausgelegt/angepasst werden, dass die Durchflutung und respektive die magnetische Grundschwingungsflussdichte gleich bleibt wie bei einem herkömmlichen Referenzsystem mit nur einem Umrichter. Bei Bedarf kann der Ansteuerschaltkreis auch mit Wicklungssystemen betrieben werden, welche eine größere/kleinere Durchflutung erzielen als das herkömmliche Referenzsystem.
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Die im erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreis verwendeten Umrichter können unterschiedliche Taktfrequenzen aufweisen. Die Spannungspulsmuster werden üblicherweise nach einem Verfahren der Pulsweitenmodulation (PWM), z. B. der Raumzeigermodulation, erstellt.
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Der erfindungsgemäße Ansteuerschaltkreis kann dahingehend vorteilhaft sein, dass die Zwischenkreisspannung je nach Betriebspunkt der elektrischen Maschine effizienzoptimal angepasst werden kann. So kann der Ansteuerschaltkreis derart eingerichtet sein (beispielsweise mittels eines entsprechend konfigurierten Steuermoduls), dass bei kleiner Drehzahl (z. B. unterhalb von 20% der Maximaldrehzahl) die Zwischenkreisspannung auf einen niedrigen Wert eingestellt wird (beispielsweise relativ zu einem Betriebspunkt mit einer Drehzahl bei 50% der Maximaldrehzahl oder mehr). Bei geringen Drehzahlen ist zudem der Spannungsbedarf der elektrischen Maschine durch die niedrige rückwirkende elektromotorische Kraft (Back-EMF) wesentlich geringer. Diese Tatsache kann mithilfe des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises ausgenutzt werden, indem die Zwischenkreisspannung entsprechend gesenkt wird, wodurch die Schaltverluste in den Umrichtern reduziert werden können. Die variable Zwischenkreisspannung kann beispielsweise bevorzugt so eingestellt werden, dass die Anzahl der Schaltvorgänge in den Umrichtern minimal wird. Generell ist eine geringe Spannung im Grunddrehzahlbereich vorteilhaft, da sie zu geringeren Oberschwingungen im Spannungspulsmuster der Wechselrichter führt und die dadurch im Betrieb der elektrischen Maschine entstehenden Verluste reduziert werden können. Bezogen auf den Betriebsbereich können dadurch die Verluste durch die Gleichspannungswandlung amortisiert werden.
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Bei höheren Drehzahlen (z. B. oberhalb von 80% der Maximaldrehzahl) kann die Zwischenkreisspannung auf eine maximale Spannung erhöht werden. Dadurch wird die Grenzdrehzahl - ab der das Magnetfeldfeld der elektrischen Maschine durch Einspeisen eines negativen d-Stromes geschwächt werden muss - zu einer höheren Drehzahl verschoben. Dadurch kann die von dem Elektromotor abgerufene Leistung und insbesondere die Effizienz der Leistungsbereitstellung im oberen Drehzahlbereich gesteigert werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der erfindungsgemäße Ansteuerschaltkreis ferner eine erste mehrphasige Wicklung, welche mit dem ersten getakteten Umrichter gekoppelt ist, sowie eine zweite mehrphasige Wicklung aufweisen, welche mit dem zweiten getakteten Umrichter gekoppelt ist. Dabei sind die einander entsprechenden Phasen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung derart räumlich (auf dem Stator) angeordnet, dass bei gleich ausgerichteter Speisung an einander entsprechenden Anschlüssen das jeweils durch die einander entsprechenden Phasen der ersten und zweiten Wicklung erzeugte magnetische Feld in die gleiche Richtung weist. Anders ausgedrückt sind die beiden mehrphasigen Wicklungen derart auf dem Stator aufgewickelt, dass die dadurch gebildeten Spulen der elektrischen Maschine dieselbe Richtung aufweisen. Bei der ersten und zweiten mehrphasigen Wicklung kann es sich zweckmäßigerweise um eine dreiphasige Wicklung handeln.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises kann dieser einen (als Zahlenwort gemeint) Zwischenkreiskondensator und einen (als Zahlenwort gemeint) Gleichspannungswandler aufweist, wobei erster zum einen mit dem Gleichspannungswandler und zum anderen mit den beiden getakteten Umrichtern gekoppelt ist, so dass im Betrieb beide Umrichter ihre Zwischenkreisspannung aus demselben Zwischenkreiskondensator beziehen. Anders ausgedrückt teilen sich die beiden Umrichter einen gemeinsamen Zwischenkreiskondensator, an dem die Zwischenkreisspannung mittels des Gleichspannungswandlers einstellbar ist. Diese Ausführungsform des Ansteuerschaltkreises zeichnet sich durch einen kompakten Aufbau auf und ist zudem kostengünstiger herstellbar ist, da nur ein Gleichspannungswandler benötigt wird.
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Im Falle der letztgenannten Ausführungsform, bei welcher der Ansteuerschaltreis einen gemeinsamen Zwischenkreis für beide Umrichter aufweist, kann die erste und die zweite mehrphasige Wicklung jeweils die gleiche Windungszahl aufweisen. Folglich weist das zusammengesetzte Wicklungssystem der elektrischen Maschine zwei vom Aufbau her gleiche Teilwicklungen auf in Form der ersten mehrphasigen Wicklung und der zweiten mehrphasigen Wicklung. Wie bereits erwähnt, kann es sich bei beiden bevorzugt um dreiphasige Systeme handeln.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises kann dieser zwei Zwischenkreiskondensatoren aufweisen, wovon jeder mit jeweils einem getakteten Umrichter gekoppelt ist, so dass jeder der beiden getakteten Umrichter im Betrieb seine Zwischenkreisspannung aus dem diesem zugeordneten Zwischenkreiskondensator bezieht. Eine solche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises erhöht die verfügbare Anzahl von Freiheitsgraden bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine, da an jedem der beiden Zwischenkreiskondensatoren die Zwischenkreisspannung individuell einstellbar ist. Die beiden Wicklungssysteme können bei Bedarf mit verschieden hohen Spannungen angesteuert werden, wovon mindestens eine am optimalen Betriebspunkt des entsprechenden Umrichters bereitgestellt werden können (eben dieses Umrichters, dessen Zwischenkreisspannung mittels des mindestens eines Gleichspannungswandlers bereitgestellt wird). Ferner kann die Windungszahl der beiden Wicklungen bei dieser Ausführungsform des Ansteuerschaltkreises unterschiedlich sein, da die Zwischenkreisspannung für mindestens eine Wicklung (diejenige, welche an den Umrichter mit variabel einstellbarer Zwischenkreisspannung gekoppelt ist) frei wählbar ist. Insgesamt können die Betriebspunkte der beiden Untersysteme (also jeder Zwischenschaltkreis mit dazugehörigem Umrichter) unabhängig voneinander geregelt werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises kann dieser zwei Gleichspannungswandler aufweisen, wovon jeder mit dem mindestens einen Energiespeicheranschluss und jeweils einem Zwischenkreiskondensator gekoppelt ist, so dass im Betrieb die Zwischenkreisspannung an jedem der beiden Zwischenkreiskondensatoren individuell einstellbar ist. Diese Ausführungsform weist zwei gleiche Teilantriebsschaltkreise auf, wovon jeder eine Reihenschaltung aus Gleichspannungswandler, Zwischenkreiskondensator und Umrichter aufweist, wobei jeder Teilantriebsschaltkreis mit einer entsprechenden Wicklung koppelbar ist. Diese Ausführungsform weist den größten Freiraum hinsichtlich der Wahl der Betriebspunkte des erfindungsgemäßen Schaltkreises auf.
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Der erfindungsgemäße Ansteuerschaltkreis zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine Zwischenkreisspannung variabel, also frei und abweichend von der Spannungshöhe der Traktionsbatterie, einstellbar ist. Dadurch kann die Effizienz der mit dem erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreis angetriebenen elektrischen Maschine und in mindestens einem Umrichter erhöht werden, wodurch ein Temperaturanstieg in der elektrischen Maschine und in mindestens einem Umrichter reduziert werden können. Dadurch kann z. B. eine größere Dauerleistung erreicht werden, ohne ein Bauteil zu überhitzen oder dementsprechend eine stärkere Kühlung zu benötigen.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors mittels des hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises offenbart. Das Verfahren weist im Wesentlichen das Einstellen der an dem mindestens einen Zwischenkreiskondensator anliegenden Zwischenkreisspannung in Abhängigkeit vom Betriebspunkt des mindestens einen Umrichters und/oder der an den Ansteuerschaltkreis angeschlossenen elektrischen Maschine mittels des mindestens einen Gleichspannungswandlers auf. Weitere grundlegende Einstellungsmodalitäten wurden bereits im Zusammenhang mit der Verwendung des Ansteuerschaltkreises zum Antreiben einer daran angeschlossenen elektrischen Maschine beschrieben.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann oberhalb einer ersten Drehzahlschwelle des Elektromotors die Zwischenkreiskondensatorspannung an dem mindestens einen Zwischenkreiskondensator auf eine maximale Spannung erhöht werden. Die obere Drehzahlschwelle kann beispielsweise bei 70% der Maximaldrehzahl, ferner beispielsweise bei 80% der Maximaldrehzahl oder beispielsweise bei 90% der Maximaldrehzahl liegen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann die Zwischenkreiskondensatorspannung an dem mindestens einen Zwischenkreiskondensator derart eingestellt werden, dass die für den Betrieb des Elektromotors erforderliche Spannung mit einer minimalen Anzahl an Schaltvorgängen innerhalb des mindestens einen Umrichters bereitgestellt wird.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann die Zwischenkreiskondensatorspannung an dem mindestens einen Zwischenkreiskondensator derart eingestellt werden, dass die Überlagerung von Schalt- und Oberschwingungsverlusten bzw. Umrichter- und E-Maschinen-Verlusten minimal wird. Durch eine solche Einstellung der Zwischenkreiskondensatorspannung kann die für den Betrieb des Elektromotors erforderliche Spannung effizienzoptimal bereitgestellt werden.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Elektroantrieb bereitgestellt, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, aufweisend einen Elektromotor und den hierin beschriebenen Ansteuerschaltkreis für den Elektromotor, wobei der Ansteuerschaltkreis eingerichtet ist, den Elektromotor gemäß dem hierin beschriebenen Verfahren anzusteuern.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können bei mehrphasigen Systeme mit separaten Umrichtern (z. B. bei einem 6-phasigen System mit zwei separaten Umrichtern), die mit gleicher Taktfrequenz aber phasenverschobenen Trägersignalen betrieben werden, die durch einen ersten Umrichter verursachten Oberschwingungsharmonischen im magnetischen Fluss im Luftspalt durch einen anderen, z. B. den zweiten Umrichter minimiert werden. Dadurch kann ggf. die Effizienz des Systems gesteigert werden. Insbesondere können störende Oberfelder und respektive die Rotorverluste und die Geräuschanregung minimiert werden.
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Es sei angemerkt, dass im Rahmen dieser Beschreibung die Begriffe „gekoppelt“ oder „Koppelung“ in Bezug auf zwei elektrische Komponenten bedeutet, dass diese beiden elektrischen Komponenten wirkmäßig und dediziert miteinander elektrisch gekoppelt/verbunden sind.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
- 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises.
- 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises.
- 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises.
- 4 zeigt ein Diagramm, welches den Einfluss der variablen Zwischenkreisspannung auf den Verlauf der Drehzahl-Drehmoment-Kurve veranschaulicht.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises 10 veranschaulicht. Der Ansteuerschaltkreis 10 ist zwischen einen Energiespeicher 60, beispielsweise eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, und eine elektrische Maschine 70 geschaltet. Der Energiespeicher 60 weist im Wesentlichen einen Batteriekörper 61 und eine Glättungskapazität 62 auf. Der Ansteuerschaltkreis 10 weist im gezeigten Beispiel zwei Energiespeicheranschlüsse 50 auf, mittels welchen dieser mit einem Energiespeicher gekoppelt ist.
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Der Antriebsschaltkreis weist einen ersten getakteten Umrichter 21 und einen zweiten getakteten Umrichter 22 auf. Jeder der Umrichter 21, 22 weist eine Anzahl von dazugehörigen Anschlüssen auf (nicht explizit dargestellt), wobei die Anzahl der Zahl der Phasen entspricht, an welche die Phasen der elektrischen Maschine 70 gekoppelt sind. Jeder der Umrichter stellt an jedem seiner Anschlüsse ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal U1, U2 bereit, wobei die Spannungssignale auf die übliche Art und Weise jeweils paarweise gegeneinander phasenverschoben sind.
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Gemäß dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel des Ansteuerschaltkreises weist dieser einen Zwischenkreiskondensator 30 auf, welcher sowohl dem ersten Umrichter 21 wie auch dem zweiten Umrichter 22 vorgeschaltet ist. Folglich stellt der Zwischenkreiskondensator 30 einen gemeinsamen Zwischenkreiskondensator dar, an welchem die Zwischenkreisspannung UDC von beiden Umrichtern 21, 22 abgegriffen wird. Ferner ist ein Gleichspannungswandler 40 vorgesehen, welcher eingangsseitig an die Energiespeicheranschlüsse gekoppelt ist und ausgangsseitig an den Zwischenkreiskondensator 30 gekoppelt ist. Der Gleichspannungswandler 40 ist eingerichtet, die an dem mindestens einen Zwischenkreiskondensator 30 anliegende Zwischenkreisspannung UDC auf Basis der Batteriespannung variabel einzustellen.
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Der Ansteuerschaltkreis 10 weist ferner einen nicht explizit dargestellten Regelungsschaltkreis auf, welcher zur Regelung des Betriebs des Ansteuerschaltkreises 10, insbesondere aller schaltenden Bauteile eingerichtet ist. Dazu ist der Regelungsschaltkreis mittels entsprechenden Steuerleitungen mit allen zu steuernden Bauteilen, insbesondere den beiden Umrichtern 21, 22 und dem Gleichspannungswandler 40 gekoppelt. Wie bereits erwähnt, weist jeder Umrichter 21, 22 Schaltelemente auf, um auf Basis eines Modulationsverfahrens, bevorzugt der Pulsweitenmodulation, ein getaktetes Spannungssignal an seinen Ausgängen bereitzustellen. Bei Annahme von dreiphasigen Umrichtern 21, 22 handelt es sich bei dem Elektromotor 70 um einen 6-phasigen Elektromotor (d.h. n=6), welcher durch zwei separate Wicklungssysteme gespeist wird. Der erste Umrichter 21 ist dabei an eine erste Wicklung des Elektromotors 70 gekoppelt, welche beispielsweise drei verteilte Spulenwicklungen aufweisen kann, und der zweite Umrichter 22 ist an eine zweite Wicklung des Elektromotors 7 gekoppelt, welche ebenfalls drei verteilte Spulenwicklungen aufweist. In 1 ist folglich ein beispielhafter (2x3)-phasiger Elektroantrieb gemäß der Erfindung skizziert.
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Die Umrichter 21, 22 werden gleichphasig bestromt, wobei die Spulen der zwei separaten Wicklungssysteme im Elektromotor 70 dann parallel verschaltet sind. Alternativ können die zwei separaten Umrichter 2, 3 gegenphasig bestromt werden, wobei die Spulen der zwei separaten Wicklungssysteme des Elektromotors 70 dann gegenläufig bzw. antiparallel verschaltet sind, also der Spuleneingang und Spulenausgang im Vergleich zur parallelen Verschaltung vertauscht sind. In beiden Fällen erfolgt im Betrieb des Ansteuerschaltkreises 1 der durch die Grundschwingung hervorgerufene Stromfluss durch die Drähte der beiden separaten Wicklungen, die in einer Nut vorliegen, in die gleiche Richtung.
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Im Vergleich zur Verwendung einer einzigen 3-phasigen Wicklung mit nur einem Umrichter, also eines (1x3)-phasigen Elektroantriebs, kann bei Umstellung auf ein (2x3)-phasigen Elektroantrieb jeder der beiden Umrichter 2, 3 auf halben Maximalstrom ausgelegt werden. Die Windungszahl pro Wicklungssystem kann dabei so ausgelegt/angepasst werden, dass die Durchflutung und die magnetische Grundschwingungsflussdichte im Vergleich zum (1×3)-phasigen Elektroantrieb unverändert bleibt.
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In den 2 und 3 sind weitere Ausführungsbeispiele des Ansteuerschaltkreises 10 veranschaulicht. Die strukturelle Verschaltung der beiden Wicklungen mit den Umrichtern 21, 22 ist bei diesen weiteren Ausführungsbeispielen gleich, jedoch kann die Anzahl der Windungen bei den beiden Wicklungen unterschiedlich sein.
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Das in 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises 10 unterscheidet sich dahingehend vom dem in 1 gezeigten, dass hierbei statt einem gemeinsamen Zwischenkreis (aufweisend den gemeinsamen Zwischenkreiskondensator 30 und den gemeinsamen Gleichspannungswandler 40) zwei Zwischenkreise (erster Zwischenkreis aufweisend den ersten Zwischenkreiskondensator 31 und den davor geschalteten Gleichspannungswandler 41 und zweiter Zwischenkreis aufweisend den zweiten Zwischenkreiskondensator 32 und den davor geschalteten Gleichspannungswandler 42) parallel zueinander verschaltet sind. Damit ist jedem Umrichter 21, 22 ein individueller Zwischenkreis zugeordnet und die Zwischenkreisspannung UDC am ersten Zwischenkreiskondensator 31 kann unabhängig von der Zwischenkreisspannung UDC am zweiten Zwischenkreiskondensator 32 eingestellt werden.
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Das in 3 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises 10 unterscheidet sich dahingehend vom dem in 2 gezeigten, dass hierbei nur einem der beiden Zwischenkreiskondensatoren, konkret dem ersten Zwischenkreiskondensator 31, ein Gleichspannungswandler 40 vorgeschaltet ist. Während also die Zwischenkreisspannung UDC am ersten Zwischenkreiskondensator 31 mittels des ersten Gleichspannungswandler 41 variabel und damit unabhängig von der von dem Energiespeicher 60 bereitgestellten Spannung einstellbar ist, so ist dies bei der Zwischenkreisspannung UDC am zweiten Zwischenkreiskondensator 32 nicht der Fall.
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Unabhängig von der konkreten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises, haben diese alle gemeinsam, dass in dem Ast mit der variabel einstellbaren Zwischenkreisspannung UDC die Effizienz des Elektromotors 70 und des mindestens einen dazugehörigen Umrichters erhöht werden können. Die individuellen Vorzüge der jeweiligen Ausführungsbeispiele sind bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung im Detail beschrieben worden.
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In 4 ist ein Diagramm 1 gezeigt, welches den Einfluss der variablen Zwischenkreisspannung UDC auf den Verlauf der Drehzahl-Drehmoment-Kurve veranschaulicht. Auf der x-Achse 2 des Diagramms ist die Drehzahl des Elektromotors 70 aufgetragen, normiert auf die maximale Drehzahl. Auf der y-Achse 3 ist das Drehmoment aufgetragen, normiert auf das maximale Drehmoment des Elektromotors 70. In dem Diagramm sind drei Kurven 4, 5, 6 dargestellt, welche jeweils den Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit von der Drehzahl des Elektromotors 70 darstellen. Die erste Kurve 4 zeigt den Verlauf bei einer ersten Zwischenkreisspannung UDC,1, die zweite Kurve 5 zeigt den Verlauf bei einer zweiten Zwischenkreisspannung UDC,2, welche größer ist als die erste Zwischenkreisspannung UDC,1 und schließlich zeigt die dritte Kurve 6 den Verlauf bei einer dritten Zwischenkreisspannung UDC,3, welche größer als die zweite Zwischenkreisspannung UDC,2 ist.
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Durch Vergleich der drei Verläufe der Drehzahl-Drehmoment-Kurven 4, 5, 6 sieht man, dass bei Betrieb des Elektromotors 70 bei höheren Drehzahlen im Feldschwächbereich sich eine Erhöhung der Zwischenkreisspannung UDC dahingehend positiv auswirkt, dass die Grenzdrehzahl (Drehzahl, ab der das Magnetfeldfeld des Elektromotors 70 durch Einspeisen eines negativen d-Stromes geschwächt wird) zu einer höheren Drehzahl verschoben wird und dadurch Leistung und insbesondere Effizienz im oberen Drehzahlbereich gesteigert werden.
