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Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter für eine rotierende elektrische Maschine einer Antriebseinrichtung eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, wobei die rotierende elektrische Maschine zum Beaufschlagen mit einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung ausgebildet ist, wobei der Wechselrichter aufweist: einen mit einer Fahrzeugbatterie des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs elektrisch koppelbaren Gleichspannungszwischenkreis, erste Phasenanschlüsse zum elektrischen Verbinden mit jeweiligen ersten Anschlüssen von Phasenwicklungen einer Ständerwicklung der rotierenden elektrischen Maschine, Wechselrichterschaltelemente, mittels denen abhängig von jeweiligen Schaltzuständen eine elektrische Verbindung zwischen einem jeweiligen elektrischen Zwischenkreispotential des Gleichspannungszwischenkreises und einem jeweiligen ersten Phasenanschluss herstellbar ist, eine Steuereinheit zum Betreiben der Wechselrichterschaltelemente in einem Schaltbetrieb, um in den jeweiligen Phasenwicklungen vorgebbare Wechselströme einzustellen, ein Wechselrichtergehäuse, welches die ersten Phasenanschlüsse aufweist und in welchem zumindest die Wechselrichterschaltelemente und der Gleichspannungszwischenkreis angeordnet sind, und eine zumindest teilweise im Wechselrichtergehäuse angeordnete Kühleinheit zum Kühlen der Wechselrichterschaltelemente. Die Erfindung betrifft ferner eine Antriebseinrichtung für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einer rotierenden elektrischen Maschine, die eine Ständerwicklung aufweist, wobei die Ständerwicklung zum Beaufschlagen mit einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung mehrere Phasenwicklungen aufweist, und einem Wechselrichter zum Bereitstellen der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung, der mit einer Fahrzeugbatterie des Kraftfahrzeugs elektrisch koppelbar und mit der Ständerwicklung elektrisch gekoppelt ist. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinrichtung.
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Wechselrichter, Antriebseinrichtungen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge sowie Kraftfahrzeuge der gattungsgemäßen Art sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es diesbezüglich eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises nicht bedarf. Kraftfahrzeuge, insbesondere elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge oder dergleichen, nutzen eine Antriebseinrichtung für einen bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb. Die Antriebseinrichtung kann bei konventionellen Kraftfahrzeugen eine Verbrennungskraftmaschine sein. Bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen umfasst die Antriebseinrichtung zumindest eine elektrische Antriebseinrichtung, die wenigstens eine elektrische Maschine zum Zwecke des Antriebs des Kraftfahrzeugs im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb umfasst. Die elektrische Maschine ist vorliegend als rotierende elektrische Maschine ausgebildet und weist in der Regel einen Ständer mit einer Ständerwicklung auf, die mehrere Phasenwicklungen umfasst. In der Regel ist jede der Phasenwicklungen vorzugsweise genau einer Phase einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung zugeordnet. Für den bestimmungsgemäßen Betrieb dieser rotierenden elektrischen Maschine werden die Phasenwicklungen der Ständerwicklung mit einer entsprechenden Wechselspannung beaufschlagt.
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Zum Bereitstellen der elektrischen Wechselspannung ist üblicherweise ein Wechselrichter vorgesehen, der über einen Gleichspannungszwischenkreis verfügt, welcher seinerseits mit einer Fahrzeugbatterie des Kraftfahrzeugs elektrisch koppelbar ist. Die Fahrzeugbatterie kann beispielsweise eine Hochvolt-Batterie sein und eine Gleichspannung von zum Beispiel etwa 450 V, 800 V oder dergleichen bereitstellen. Mittels der Fahrzeugbatterie kann elektrische Energie für den Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden. Der Begriff Hochvolt bezieht sich vorliegend auf eine Gleichspannung, die größer als etwa 60 V ist. Vorzugsweise entspricht der Begriff Hochvolt der Norm ECE R 100.
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Eine rotierende elektrische Maschine ist eine Vorrichtung, die in einem Motorbetrieb elektrische Energie in mechanische Energie, insbesondere in Bewegungsenergie in Form einer Rotation und/oder in einem Generatorbetrieb mechanische Energie in eine elektrische Energie umformt. Bei der Bewegung handelt es sich in der Regel um eine Drehbewegung, die vom Läufer gegenüber dem Ständer ausgeführt wird. Der Ständer ist im Unterschied zum Läufer in der Regel drehfest angeordnet, das heißt, bei der Drehbewegung handelt es sich um eine Drehbewegung des Läufers gegenüber dem Ständer.
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Der Ständer und der Läufer sind mittels eines magnetischen Flusses verkettet, wodurch im Motorbetrieb die Kraftwirkung, nämlich das Drehmoment, erzeugt wird, die den Läufer gegenüber dem Ständer drehend antreibt. Im Generatorbetrieb kann dagegen dem Läufer zugeführte mechanische Energie in Form eines Drehmoments in elektrische Energie umgewandelt werden. Zu diesem Zweck weist zumindest der Ständer und gegebenenfalls auch der Läufer in der Regel eine magnetische Einheit auf, die im Allgemeinen ihrerseits eine von einem elektrischen Strom durchflossene Wicklung umfassen kann. Im Ständer oder im Läufer kann die Wicklung auch zumindest teilweise Permanentmagneten aufweisen oder zumindest durch Permanentmagneten ergänzt sein. Hiervon unterscheidet sich die Reluktanzmaschine, die eine spezielle Konstruktion einer rotierenden elektrischen Maschine ist. In der Regel weist der Läufer der weder Permanentmagnete noch eine Läuferwicklung auf. Die magnetische Einheit des Läufers der Reluktanzmaschine stellt jedoch Vorzugsrichtungen zum Führen des magnetischen Flusses bereit. Unter Nutzung des Reluktanzprinzips kann ein Drehmoment bereitgestellt werden. Eine Synchron-Reluktanzmaschine ist eine Reluktanzmaschine, die eine mehrphasige Ständerwicklung aufweist. Die Ständerwicklung wird entsprechend mit einem mehrphasigen elektrischen Strom beaufschlagt, sodass ständerseitig ein rotierendes Magnetfeld bereitgestellt werden kann. Im bestimmungsgemäßen Betrieb rotiert der Läufer mit diesem Magnetfeld.
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Die rotierende elektrische Maschine kann sowohl als Innenläufer als auch als Außenläufer ausgebildet sein. Bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug dient die rotierende elektrische Maschine häufig zum Antrieb des Kraftfahrzeugs während eines bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs. Daneben kann sie jedoch auch für andere Antriebsfunktionen vorgesehen sein, beispielsweise bei einem Fensterheber, bei einer Öl- und/oder Wasserpumpe und/oder dergleichen.
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Ein Wechselrichter ist eine Form eines Energiewandlers, mittels dem elektrische Energie einer Gleichspannung in elektrische Energie einer Wechselspannung, insbesondere einer einphasigen oder auch einer drei- beziehungsweise mehrphasigen Wechselspannung, gewandelt werden kann. Heutzutage werden Wechselrichter in Form sogenannter statischer Energiewandler eingesetzt, das heißt, dass sie anders als dynamische Energiewandler keine mechanisch bewegbaren, insbesondere rotierbaren Teile für den Zweck der Energiewandlung aufweisen. Wechselrichter der gattungsgemä-ßen Art als statische Energiewandler sind in der Regel als getaktete elektronische Energiewandler ausgebildet, und weisen zu diesem Zweck in der Regel wenigstens ein Halbbrückenmodul auf, mittels welchem eine mittels eines Zwischenkreises bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine elektrische Wechselspannung umgewandelt werden kann. Zu diesem Zweck weist das Halbbrückenmodul zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter auf, die mittels eines Taktgebers im Schaltbetrieb betrieben werden können, sodass in gewünschter Weise die Wechselspannung an einem Mittelanschluss eines jeweiligen Halbbrückenmoduls, der durch einen elektrischen Verbindungspunkt der beiden Halbleiterschalter des Halbbrückenmoduls gebildet ist, bereitgestellt werden kann. Eine solche Schaltungstopologie wird auch Halbbrückenschaltung genannt. Ein solcher Wechselrichter ist demnach für einen sogenannten einphasigen Betrieb ausgelegt.
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Eine leistungsstarke Variante eines solchen einphasigen Wechselrichters weist zwei parallelgeschaltete Halbbrückenmodule auf, wodurch sich die Höhe der erzeugten Wechselspannung im Wesentlichen verdoppeln lässt. Zu diesem Zweck werden die Halbbrückenmodule entsprechend komplementär gesteuert. Eine solche Schaltungstopologie wird auch Vollbrückenschaltung genannt.
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Darüber hinaus sind Wechselrichter, insbesondere für die Erzeugung eines drei- beziehungsweise mehrphasigen Wechselspannungsnetzes, im Einsatz, wobei für jede der Wechselspannungsphasen wenigstens ein Halbbrückenmodul vorgesehen ist. Eine solche Schaltungstopologie wird ebenfalls Halbbrückenschaltung genannt. Darüber hinaus kann der Wechselrichter natürlich für jede Phase auch ein Paar von komplementär gesteuerten Halbbrückenmodulen aufweisen, um für jede Phase die Schaltungstopologie einer Vollbrückenschaltung bereitstellen zu können.
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Zur Bereitstellung der gewünschten Spannungsbereitstellungsfunktionalität durch den Wechselrichter werden die Halbleiterschalter beziehungsweise Halbleiterschaltelemente im Schaltbetrieb betrieben. In Bezug auf ein Halbleiterschaltelement unter Nutzung eines Transistors bedeutet der Schaltbetrieb, dass in einem eingeschalteten Schaltzustand zwischen den eine Schaltstrecke bildenden Anschlüssen des Transistors ein sehr kleiner elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, sodass ein hoher Stromfluss bei sehr kleiner Restspannung möglich ist. In einem ausgeschalteten Schaltzustand ist hingegen die Schaltstrecke des Transistors hochohmig, das heißt, sie stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit, sodass auch bei hoher, an der Schaltstrecke anliegender elektrischer Spannung im Wesentlichen kein oder nur ein sehr geringer, insbesondere vernachlässigbarer, Stromfluss vorliegt. Hiervon unterscheidet sich ein Linearbetrieb bei Transistoren.
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Die Steuereinheit ist zumindest an die Halbleiterschalter, insbesondere die Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters angeschlossen. Zu diesem Zweck kann der Wechselrichter eine jeweilige Kommunikationsschnittstelle aufweisen, über die sie mit der Steuereinheit in Kommunikationsverbindung steht. Die Kommunikationsschnittstellen können beispielsweise leitungsgebunden und/oder auch drahtlos ausgebildet sein. Eine drahtlos ausgebildete Kommunikationsverbindung kann zum Beispiel auf Funk, insbesondere Nahfunk, basieren. Die Steuereinheit selbst kann als separate Baueinheit vorgesehen sein. Vorzugsweise ist sie jedoch Bestandteil des Wechselrichters und besonders bevorzugt in diesen integriert angeordnet.
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Auch wenn sich die vorgenannte Art des Antriebs im Stand der Technik bewährt hat, so wurde doch versucht, dieses Antriebskonzept insgesamt weiter zu verbessern. Zu diesem Zweck wurde im Stand der Technik bereits vorgeschlagen, als rotierende elektrische Maschine eine Asynchronmaschine einzusetzen und diese im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb hinsichtlich ihrer Schaltungsart umzuschalten. Dabei geht der Stand der Technik von einer Asynchronmaschine aus, die eine dreiphasige Ständerwicklung aufweist. Der Stand der Technik schlägt vor, bei einer kleinen Drehzahl die Schaltungsart Sternschaltung zu nutzen, wohingegen bei einer großen Drehzahl die Schaltungsart Dreieckschaltung eingesetzt werden soll. In diesem Zusammenhang offenbart zum Beispiel die
DE 10 2010 054 224 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs sowie ein Fahrzeug. Darüber hinaus offenbart die
DE 10 2016 222 163 B3 diesbezüglich ein Kraftfahrzeug-Bordnetz und ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes. Die beiden vorgenannten Offenbarungen beziehen sich darauf, eine Umschaltungsmöglichkeit zwischen einer Sternschaltung und einer Dreieckschaltung für eine rotierende elektrische Maschine mit einer Ständerwicklung bereitzustellen, die drei Phasenwicklungen aufweist, wobei jede Phasenwicklung einer jeweiligen Phase einer dreiphasigen Wechselspannung zugeordnet ist. Darüber hinaus offenbart die
DE 10 2014 217 269 A1 eine Schaltungsanordnung zum Speisen einer Last und ein Verfahren zu deren Betreiben. Hier soll eine drehmomentbeziehungsweise kraftunterbrechungsfreie Stern-Dreieck-Umschaltung für eine Asynchronmaschine geschaffen werden. Ferner offenbart die
DE 10 2014 224 476 A1 eine elektrische Antriebseinheit, eine Hybridantriebseinrichtung und ein Fahrzeug. Schließlich offenbart die
US 2017/0229993 A1 eine mehrphasige elektrische Maschine, einen Antrieb und eine Steuerung.
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Auch wenn sich dieser Stand der Technik bewährt hat, so verbleiben dennoch Nachteile. Einerseits erfordert die Umschaltungsmöglichkeit zwischen einer Sternschaltung und einer Dreieckschaltung, dass die Ständerwicklung, insbesondere deren Phasenwicklungen, an beiden Enden elektrisch anschließbar beziehungsweise kontaktierbar sind. Darüber hinaus ist zusätzlicher Aufwand hinsichtlich einer entsprechenden Umschalteinheit erforderlich und ist insbesondere in Bezug auf die Anordnung im Kraftfahrzeug beziehungsweise der Antriebseinrichtung zu beachten. Hierbei entstehen zusätzliche Kosten, die nicht unerheblich sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bereitstellung einer Umschaltungsmöglichkeit zwischen einer Sternschaltung und einer n-Eck-Schaltung beziehungsweise Dreieckschaltung zu verbessern.
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Als Lösung werden mit der Erfindung ein Wechselrichter, eine Antriebseinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
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In Bezug auf einen gattungsgemäßen Wechselrichter wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass das Wechselrichtergehäuse zweite Phasenanschlüsse zum elektrischen Verbinden mit jeweiligen zweiten Anschlüssen der Phasenwicklungen der Ständerwicklung aufweist, wobei im Wechselrichtergehäuse eine Umschalteinheit mit elektronischen Umschaltelementen angeordnet ist, die an die ersten und zweiten Phasenanschlüsse angeschlossen ist und die ausgebildet ist, die Ständerwicklung zwischen einer Sternschaltung und einer der Anzahl der Phasen der Ständerwicklung entsprechenden n-Eck-Schaltung umzuschalten.
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In Bezug auf eine gattungsgemäße Antriebseinrichtung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass der Wechselrichter gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
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In Bezug auf ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeug wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Antriebseinrichtung gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
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Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass durch eine geeignete Konstruktion des Wechselrichters, insbesondere des Wechselrichtergehäuses, erreicht werden kann, dass eine einfache Konstruktion der Antriebseinrichtung realisiert werden kann, die es erlaubt, die Antriebseinrichtung mit der rotierenden elektrischen Maschine günstig zu verbinden und auf diese Weise Anschlussleitungen beziehungsweise Anschlussaufwand zu reduzieren. Zugleich kann durch die Erfindung eine konstruktive Einheit der Antriebseinrichtung erreicht werden, bei der die rotierende elektrische Maschine und der Wechselrichter eine integrale Baueinheit bilden können, die nach Art eines modularen Aufbaus auf einfache Weise herstellbar ist und im bestimmungsgemäßen Betrieb eine große Zuverlässigkeit ermöglicht. Insbesondere kann nämlich erreicht werden, dass der Wechselrichter und die rotierende elektrische Maschine lediglich auf einfache Weise miteinander verbunden zu werden brauchen, beispielsweise indem mit einer mechanischen Verbindung zugleich auch ein entsprechender elektrischer Anschluss realisiert werden kann, sodass Fertigungsaufwand reduziert werden kann. Zugleich erlaubt es die Erfindung, bei einer Montage der Antriebseinrichtung auftretende Fehler zu reduzieren beziehungsweise zu vermeiden. Dies kann insbesondere die elektrischen Anschlüsse der Phasenwicklungen an die Phasenanschlüsse des Wechselrichters betreffen. Darüber hinaus kann erreicht werden, dass durch den Wechselrichter beziehungsweise sein Wechselrichtergehäuse und die rotierende elektrische Maschine eine Art Codierung in Bezug auf den elektrischen Anschluss realisiert werden kann, sodass fehlerhafte elektrische Verbindungen weitgehend vermieden werden können. Dabei kann mit der Erfindung zugleich auch die Umschalteinheit ohne großen zusätzlichen Aufwand realisiert werden, weil diese im Wechselrichtergehäuse angeordnet werden kann. In Bezug auf die Schaltungsart bezeichnet der Parameter n die Anzahl der Phasen der Wechselspannung beziehungsweise die Anzahl der Phasenwicklungen.
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Die rotierende elektrische Maschine ist vorzugsweise als dreiphasige rotierende elektrische Maschine ausgebildet, die zum Beaufschlagen mit einer dreiphasigen elektrischen Wechselspannung ausgebildet ist. Jedoch ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Die rotierende elektrische Maschine kann auch für mehr als drei Phasen ausgelegt sein, beispielsweise vier Phasen, sechs Phasen oder dergleichen. Entsprechend ist dann auch der Wechselrichter ausgebildet und stellt an Phasenanschlüssen, deren Anzahl vorzugsweise der Anzahl der Phasenwicklungen der Ständerwicklung entspricht, entsprechende Phasenspannungen für die Phasenwicklungen bereit.
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Da gemäß der Erfindung vorgesehen ist, dass die Ständerwicklung in einem ersten Betriebsmodus in Sternschaltung und in einem zweiten Betriebsmodus in einer n-Eck-Schaltung betrieben werden kann, sind nicht nur erste Anschlüsse der Phasenwicklungen sondern auch zweite Anschlüsse der Phasenwicklungen mit dem Wechselrichter zu koppeln. Im Stand der Technik sind die zweiten Anschlüsse der Phasenwicklungen in der Regel innerhalb der rotierenden elektrischen Maschine in Sternschaltung verschaltet. Dadurch, dass die Erfindung die entsprechende Umschaltung mittels der Umschalteinheit realisieren kann, sind somit beide Anschlüsse der jeweiligen Phasenwicklungen mit dem Wechselrichter elektrisch zu koppeln. Dagegen brauchen mit der Erfindung jedoch separate Verbindungen zu separaten Einheiten nicht vorgesehen zu sein. Vielmehr reicht es aus, dass die elektrischen Verbindungen ausschließlich zwischen der rotierenden elektrischen Maschine und dem Wechselrichter ausgebildet sind. Dies vereinfacht die Konstruktion der Antriebseinrichtung und des Kraftfahrzeugs insgesamt.
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Die Phasenanschlüsse können durch geeignete elektrische Kontakte realisiert sein, die mit entsprechenden Anschlüssen der Phasenwicklungen mechanisch und elektrisch verbunden sein können. Beispielsweise können die Phasenanschlüsse und die Anschlüsse der Phasenwicklungen nach Art von Steckverbindungen, Schraubverbindungen und/oder dergleichen ausgebildet sein. Darüber hinaus besteht natürlich auch die Möglichkeit, die Phasenanschlüsse und die Anschlüsse der Phasenwicklungen mittels stoffschlüssiger Verbindungen wie beispielsweise Löten, Schweißen und/oder dergleichen zu verbinden. Vorzugsweise ist die Verbindung zwischen einem jeweiligen Phasenanschluss und dem jeweiligen Anschluss einer jeweiligen Phasenwicklung lösbar ausgebildet. Dadurch besteht die Möglichkeit, den Wechselrichter und die elektrische Maschine bedarfsweise voneinander zu trennen, beispielsweise um eine Wartung durchzuführen, den Wechselrichter oder die elektrische Maschine auszutauschen oder dergleichen. Ist das Wechselrichtergehäuse beispielsweise aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildet, sind die Phasenanschlüsse gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert am Wechselrichtergehäuse angeordnet. Eine elektrische Isolation kann dagegen eingespart werden, wenn das Wechselrichtergehäuse aus einem entsprechenden elektrisch schlecht leitfähigen Werkstoff, insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, gebildet ist.
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Vorzugsweise ist die Steuereinheit ebenfalls vom Wechselrichter umfasst und besonders bevorzugt auch innerhalb des Wechselrichtergehäuses angeordnet. An die Steuereinheit können darüber hinaus Sensoren angeschlossen sein, mittels denen zum Beispiel jeweilige Phasenspannungen beziehungsweise Phasenströme erfasst werden können. Darüber hinaus kann die Steuereinheit kommunikationstechnisch mit einer übergeordneten Fahrzeugsteuerung des Kraftfahrzeugs verbunden sein. Die übergeordnete Fahrzeugsteuerung kann der Steuereinheit beispielsweise Steuerdaten bezüglich eines Antriebsdrehmoments, einer Antriebsleistung und/oder dergleichen bereitstellen. Darüber hinaus besteht natürlich auch die Möglichkeit, dass die Steuereinheit maschinenseitige und/oder wechselrichterseitige Daten an die übergeordnete Fahrzeugsteuerung übermittelt. Solche Daten können zum Beispiel eine Maschinentemperatur, eine Wechselrichtertemperatur, eine momentane Leistung, ein momentanes Drehmoment und/oder dergleichen sein.
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Im Wechselrichtergehäuse ist ferner die Umschalteinheit mit den elektronischen Umschaltelementen angeordnet. Die elektronischen Umschaltelemente können Halbleiterschaltelemente beziehungsweise Halbleiterschalter sein, die jedoch nicht in einem Schaltbetrieb wie die Wechselrichterschaltelemente betrieben zu werden brauchen. Dadurch können insbesondere Schaltverluste bei den Umschaltelementen gegenüber den Wechselrichterschaltelementen reduziert werden, sodass die Umschaltelemente kostengünstiger als die Wechselrichterschaltelemente realisiert sein können. Dadurch, dass die Umschaltelemente beziehungsweise die Umschalteinheit vom Wechselrichter umfasst ist, kann die Umschaltung zwischen der Sternschaltung beziehungsweise der n-Eck-Schaltung auf einfache Weise in die Antriebseinrichtung integriert werden. Separate Baueinheiten können dadurch eingespart werden.
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Das Wechselrichtergehäuse ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass es die in ihm angeordneten Komponenten vor äußeren Einwirkungen schützt, beispielsweise vor Feuchtigkeit, Schmutzpartikeln und/oder dergleichen.
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Die Umschaltelemente sind thermisch mit der Kühleinheit gekoppelt. Die Kühleinheit ist ferner thermisch mit den Wechselrichterschaltelementen gekoppelt. Dadurch braucht keine separate Kühleinheit für die Umschaltelemente vorgesehen zu sein, und die Umschaltelemente können thermisch auf einem vorgegebenen Temperaturniveau gehalten werden. Insbesondere kann in den Umschaltelementen während des bestimmungsgemäßen Betriebs auftretende Verlustleistung abgeführt werden. Separate Maßnahmen zur thermischen Stabilisierung der Umschaltelemente während des bestimmungsgemäßen Betriebs können dadurch eingespart werden.
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Besonders vorteilhaft erweist sich diese Maßnahme auch deshalb, weil von den Umschaltelementen etwaig abzuführende Verlustleistung im Vergleich zur Verlustleistung der Wechselrichterschaltelemente erheblich kleiner ist. Dies ergibt sich durch den Betriebsmodus der Umschaltelemente, der sich von denen der Wechselrichterschaltelemente grundsätzlich unterscheiden kann. So ist es für die Wechselrichterschaltelemente üblich, diese mit einer im Vergleich zu einer Grundfrequenz der Wechselspannung großen Taktrate beziehungsweise Schaltfrequenz zu betreiben. Dagegen brauchen die Umschaltelemente lediglich dann geschaltet zu werden, wenn ein Umschalten zwischen der Sternschaltung und der n-Eck-Schaltung gewünscht ist. Diese Schalthandlung tritt im Vergleich zum Schaltbetrieb der Wechselrichterschaltelemente selten auf. Zum Umschalten kann sogar ein Umschaltzeitpunkt gewählt werden, bei dem elektrische Ströme in den jeweiligen Phasenwicklungen klein, vorzugsweise etwa null sind. Im Gegensatz zu den Wechselrichterschaltelementen treten Schaltverluste daher bei den Umschaltelementen allenfalls in einem unerheblichen Maße auf. Daher ist die Verlustleistung eines jeweiligen Umschaltelements im Wesentlichen durch Leitungsverluste im eingeschalteten Schaltzustand bestimmt.
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Ein jeweiliges Umschaltelement weist wenigstens einen Thyristor auf. Für die Beanspruchung bei Wechselstrom können auch zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren vorgesehen sein. Auch die Nutzung eines TRIAC kann als Umschaltelement in Betracht kommen. Dadurch kann auf einfache Weise die Funktion der Umschalteinheit realisiert werden.
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Thyristoren erweisen sich darüber hinaus als besonders vorteilhaft für den bestimmungsgemäßen Einsatz, weil sie kostengünstig, hinsichtlich der elektrischen und thermischen Beanspruchung im Vergleich zu Transistoren sehr robust und mit geringem Aufwand ansteuerbar sind. Dabei kann eine etwaige höhere Verlustleistung im eingeschalteten Schaltzustand akzeptiert werden, weil für die vorgesehene Anwendung Schaltverluste aufgrund der Seltenheit der Schalthandlung im Vergleich zu den Wechselrichterschaltelementen kaum auftreten. Darüber hinaus erweisen sich Thyristoren, insbesondere wenn sie auf Siliziumbasis hergestellt sind, als vorteilhaft, weil deren Durchlassspannung im eingeschalteten Zustand mit zunehmender Temperatur abnimmt. Gerade bei hoher Betriebstemperatur kann dadurch ein Energieeintrag in die Kühleinheit reduziert werden, sodass entsprechend höhere Kühlleistung für die Wechselrichterschaltelemente zur Verfügung gestellt werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Wechselrichterschaltelemente durch Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, gebildet sind. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass der Thyristor, wenn er gezündet hat, bis zur Unterschreitung seines Haltestroms, ohne angesteuert werden zu brauchen, im eingeschalteten Schaltzustand verbleibt. Dadurch kann Energie für die Steuerung eines jeweiligen Thyristors eingespart werden. Ebenso kann dadurch Verlustleistung für das Einschalten beziehungsweise Zünden des Thyristors reduziert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Kühleinheit wenigstens einen Kühlmittelkanal für ein fluides Kühlmittel und das Wechselrichtergehäuse mit dem wenigstens einen Kühlkanal fluidtechnisch gekoppelte Kühlmittelanschlüsse aufweist. Dadurch ist es möglich, die Kühleinheit in das Wechselrichtergehäuse zu integrieren, sodass eine kompakte Baueinheit hergestellt werden kann. Die Kühlmittelanschlüsse können zum Beispiel durch jeweilige Flansche gebildet sein, an denen Kühlmittelleitungen angeschlossen werden können. Das fluide Kühlmittel kann beispielsweise eine Flüssigkeit, insbesondere ein Öl, Wasser, aber dem Grunde nach auch ein Gas oder dergleichen sein. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das Kühlmittel ein Kühlwasser ist, weil Wasser aufgrund seiner vergleichsweise großen Wärmekapazität für ein Abführen von Wärmeenergie besonders geeignet ist. Zugleich kann dadurch die Kühleinheit besonders kompakt realisiert sein. Vorzugsweise mündet der wenigstens eine Kühlkanal mit seinen Enden in einen jeweiligen Kühlmittelanschluss. Die Kühleinheit kann natürlich auch mehr als lediglich einen einzigen Kühlmittelkanal aufweisen. Die Kühlmittelkanäle können an jeweilige eigene Kühlmittelanschlüsse angeschlossen sein. Vorzugsweise sind die Kühlmittelkanäle jedoch innerhalb des Wechselrichtergehäuses parallel und/oder in Reihe geschaltet strömungstechnisch, sodass das Wechselrichtergehäuse lediglich zwei Kühlmittelanschlüsse aufzuweisen braucht. Dadurch kann eine besonders günstige Montage für die Antriebseinrichtung erreicht werden. Die Kühlmitteleinheit kann eine den wenigstens einen Kühlmittelkanal aufweisende Kühlplatte oder ein entsprechender Kühlblock sein, der zumindest eine Montageoberfläche bereitstellt, an der die Wechselrichterschaltelemente und/oder die Umschaltelemente angeordnet werden können. Entsprechende Kühlplatten der Schaltelemente können mit der Oberfläche der Kühlplatte beziehungsweise des Kühlblocks verbunden sein.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass das Wechselrichtergehäuse Läuferanschlüsse aufweist und im Wechselrichtergehäuse ein Energiewandler angeordnet ist, der an die Läuferanschlüsse und am Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist und der ausgebildet ist, einen vorgebbaren Gleichstrom für eine an den Läuferanschlüssen anschließbare Läuferwicklung der rotierenden elektrischen Maschine bereitzustellen, insbesondere wenn diese als fremderregte Synchronmaschine ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Wechselrichter zugleich auch eine vollständige Anschlussmöglichkeit für die fremderregte Synchronmaschine bereitzustellen vermag. Dadurch kann Aufwand für die Herstellung der Antriebseinrichtung insgesamt reduziert werden. Durch die Integration des Energiewandlers in das Wechselrichtergehäuse kann nicht nur eine günstige thermische Kopplung des Energiewandlers mit der Kühleinheit geschaffen werden, sondern separate Konstruktionselemente, beispielsweise ein separates Gehäuse oder dergleichen für den Energiewandler, kann eingespart werden. Insgesamt kann dadurch ein modularer Aufbau der Antriebseinrichtung erreicht werden, sodass die Wechselrichtereinheit wahlweise mit fremderregten Synchronmaschinen oder auch permanenterregten Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen elektrisch gekoppelt werden kann.
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In Bezug auf die Antriebseinrichtung wird ferner vorgeschlagen, dass das Wechselrichtergehäuse erste und zweite Phasenanschlüsse aufweist, an denen die Phasenwicklungen angeschlossen sind, wobei die Phasenanschlüsse im Bereich jeweiliger Enden der Phasenwicklungen angeordnet sind. Dadurch kann eine besonders günstige Leitungsführung für den Anschluss der Phasenwicklungen an den Wechselrichter erreicht werden. Insbesondere kann eine aufwendige separate Leitungsführung weitgehend vollständig vermieden werden. Dadurch kann die Antriebseinrichtung als robuste kompakte Baueinheit bereitgestellt werden, die im Wesentlichen vorzugsweise keine weiteren separaten Elemente mehr benötigt. Insbesondere können separate Leitungsführungen vermieden werden.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Wechselrichter ein Wechselrichtergehäuse aufweist, das zumindest mechanisch oder thermisch mit einem Maschinengehäuse der rotierenden elektrischen Maschine verbunden ist. Das Maschinengehäuse kann ein separates Gehäuse der rotierenden elektrischen Maschine sein, welches beispielsweise aus einem Werkstoff wie Metall oder dergleichen gebildet sein kann. Darüber hinaus kann das Maschinengehäuse jedoch auch ständerseitig bereitgestellt sein, beispielsweise durch ein Blechpaket oder dergleichen. Das Wechselrichtergehäuse ist passend zum Maschinengehäuse im Verbindungsbereich ausgebildet, sodass eine einfache Verbindung des Wechselrichtergehäuses mit dem Maschinengehäuse realisiert werden kann. Beispielsweise können hierzu ein oder mehrere Verbindungsflansche vorgesehen sein. Darüber hinaus kann die Verbindung durch Schrauben, Nieten, Löten, Schweißen und/oder dergleichen realisiert sein. Vorzugsweise ist die Verbindung lösbar ausgebildet, sodass bei Bedarf der Wechselrichter oder die rotierende elektrische Maschine gewartet oder auch ausgetauscht werden kann.
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Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die rotierende elektrische Maschine eine von der Kühleinheit des Wechselrichters getrennte Maschinenkühleinheit aufweist. Dadurch ist es möglich, die Kühleinheit des Wechselrichters und die Maschinenkühleinheit für die jeweiligen spezifischen Betriebsanforderungen optimiert auszulegen und/oder den Wechselrichter von der rotierenden elektrischen Maschine thermisch zu entkoppeln. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Kühleinheit für die Wechselrichtereinheit für eine maximale Betriebstemperatur von etwa 100 bis etwa 120 °C realisieren kann. Dagegen kann die Maschinenkühleinheit für eine Beanspruchung mit größeren Temperaturen ausgelegt sein, beispielsweise 150 °C oder dergleichen. Insbesondere wenn Schaltelemente, wie die Wechselrichterschaltelemente oder die Umschaltelemente, als elektronische Schaltelemente ausgebildet sind, ist hier eine maximale Temperatur sicherzustellen, weil diese Elemente auf eine Übertemperatur zumindest teilweise recht empfindlich reagieren können. Dagegen erweist sich die rotierende elektrische Maschine diesbezüglich als deutlich robuster. Daher kann auch vorgesehen sein, dass das Kühlmittel bei der Kühleinheit des Wechselrichters eine Flüssigkeit wie Wasser ist, wohingegen ein Kühlmittel für die Maschinenkühleinheit für höhere Temperaturen geeignet sein sollte, die 100 °C deutlich überschreiten können, beispielsweise Öl oder auch ein Gas oder dergleichen. Beispielsweise kann das Kühlmittel der Maschinenkühleinheit für eine Beanspruchung bei einer Temperatur von etwa 150 °C oder sogar mehr ausgerichtet sein. Die Kühlmittel können daher im bestimmungsgemäßen Betrieb auch voneinander unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Dies erlaubt es, insbesondere wenn das Wechselrichtergehäuse und das Maschinengehäuse lediglich im Wesentlichen mechanisch miteinander verbunden sind, die rotierende elektrische Maschine und den Wechselrichter in thermisch geeigneten Bereichen im bestimmungsgemäßen Betrieb betreiben zu können. Dadurch kann die Antriebseinrichtung weiter optimiert werden. Bei dieser Ausgestaltung kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass das Wechselrichtergehäuse im mit dem Maschinengehäuse verbundenen Zustand thermisch entkoppelt ist, beispielsweise indem die thermische Isolationsschicht zwischen dem Wechselrichtergehäuse und dem Maschinengehäuse ausgebildet ist. Diese Isolationsschicht kann zum Beispiel durch einen Faserwerkstoff oder dergleichen gebildet sein.
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Die für den Wechselrichter angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen auch für die mit dem Wechselrichter ausgerüstete Antriebseinrichtung beziehungsweise das mit der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung ausgerüstete Kraftfahrzeug und umgekehrt.
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Zu der Erfindung gehört auch die Steuereinheit für das Kraftfahrzeug. Die Steuereinheit kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, zumindest die Schaltelemente in geeigneter Weise im Schaltbetrieb zu betreiben. So können beispielsweise die Wechselrichterschaltelemente gemäß einem Pulsweitenmodulationsverfahren im Schaltbetrieb betrieben werden. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 in einer schematischen Seitenansicht ein Elektrofahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinrichtung, die eine Synchronmaschine umfasst;
- 2 in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung die Antriebseinrichtung gemäß 1, die einen an die Synchronmaschine und die Fahrzeugbatterie des Elektrofahrzeugs angeschlossenen Wechselrichter und eine Umschalteinheit mit Umschaltelementen zum Umschalten der Synchronmaschine zwischen einer Sternschaltung und einer Dreieckschaltung umfasst;
- 3 in einer schematischen Schaltbilddarstellung zu drei Halbbrücken geschaltete Wechselrichterschaltelemente zum Anschlie-ßen an entsprechende Phasenwicklungen einer Ständerwicklung der Synchronmaschine;
- 4 in einer schematischen Schaltbilddarstellung einen Thyristor;
- 5 in einer schematischen Schaltbilddarstellung zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren als Umschaltelement;
- 6 eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung einer Antriebseinrichtung mit einer permanenterregten Synchronmaschine; und
- 7 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung einer Antriebseinrichtung mit einer fremderregten Synchronmaschine.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, welches hier als Elektrofahrzeug 50 ausgebildet ist. Das Elektrofahrzeug 50 weist eine elektrische Antriebseinrichtung 52 auf, die eine rotierende elektrische Maschine 58 zum Antreiben des Elektrofahrzeugs 50 in einem bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb umfasst. Die rotierende elektrische Maschine 58 ist vorliegend als dreiphasige Synchronmaschine ausgebildet. Die elektrische Antriebseinrichtung 52 ist ferner über einen dreiphasigen Wechselrichter 56 als Energiewandler an eine Hochvoltbatterie 54 des Elektrofahrzeugs 50 angeschlossen, die der elektrischen Energieversorgung der Antriebseinrichtung 52 dient.
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2 zeigt in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung die Antriebseinrichtung 52 gemäß 1, die einen an die Synchronmaschine 58 und die Fahrzeugbatterie 54 des Elektrofahrzeugs 50 angeschlossenen Wechselrichter 56 und eine Umschalteinheit 34 mit Umschaltelementen 36, 38 zum Umschalten der Synchronmaschine 58 zwischen einer Sternschaltung und einer Dreieckschaltung umfasst. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Synchronmaschine 58 eine Ständerwicklung 90 mit drei Phasenwicklungen U, V, W umfasst. Die Ständerwicklung 90 ist somit für einen Betrieb an einer dreiphasigen Wechselspannung ausgelegt. Diese wird vom Wechselrichter 56 bereitgestellt.
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Aus 2 ist ersichtlich, dass der Wechselrichter 56 erste Phasenanschlüsse 12, 14, 16 zum elektrischen Verbinden mit jeweiligen ersten Anschlüssen U1, V1 W1 der Phasenwicklungen U, V, W der Ständerwicklung 90 der Synchronmaschine 58 aufweist. Zweite Enden U2, V2, W2 der Phasenwicklungen U, V, W sind an die Umschalteinheit 34 angeschlossen, um die gewünschte Schaltungsart der Ständerwicklung 90 realisieren zu können.
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Die Synchronmaschine 58 umfasst ferner einen gegenüber dem Ständer drehbar gelagerten Läufer 68 (6, 7). Der Läufer 68 ist über eine Läuferwelle 74 mit einem Getriebe 70 drehfest verbunden, welches seinerseits über eine Radwelle 76 mit wenigstens einem Rad 72 des Elektrofahrzeugs 50 verbunden ist. Das Getriebe 70 kann je nach Bedarf mit oder auch ohne eine Differentialfunktionalität realisiert sein. Die weiteren Räder 72 des Elektrofahrzeugs 50 sind in entsprechender Weise an das Getriebe 70 angeschlossen, was in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist.
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Aus 2 ist ferner ersichtlich, dass die Umschalteinheit 34 ebenfalls an die Phasenanschlüsse 12, 14, 16 beziehungsweise an die entsprechenden Enden U1, V1, W1 der Phasenwicklungen U, V, W angeschlossen ist. Durch entsprechendes Schalten der Schaltelemente 36, 38 kann die gewünschte Schaltungsart realisiert werden.
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3 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung sechs zu drei Halbbrücken geschaltete Wechselrichterschaltelemente 18, 20, die jeweilige Reihenschaltungen ausbilden, an deren Mittelanschlüssen die jeweiligen Phasenanschlüsse 12, 14, 16 angeschlossen sind. Die Wechselrichterschaltelemente 18, 20 sind vorliegend durch Transistoren nach Art von IBGT (Insulated Gate Bipolar Transistor) gebildet. In alternativen Ausgestaltungen kann hier natürlich auch ein anderes elektronisches Schaltelement vorgesehen sein, beispielsweise ein Feldeffekttransistor oder dergleichen. Die Reihenschaltungen der Wechselrichterschaltelemente 18, 20 sind parallelgeschaltet an den Gleichspannungszwischenkreis 10 angeschlossen. Der Gleichspannungszwischenkreis 10 ist über elektrische Anschlüsse 78, 80 an die Fahrzeugbatterie 54 angeschlossen. Somit kann die Fahrzeugbatterie 54 elektrische Energie für den bestimmungsgemäßen Betrieb des Wechselrichters 56 bereitstellen.
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Die Wechselrichterschaltelemente 18, 20 sind mit ihren Steuerelektroden an eine Steuereinheit 22 angeschlossen, die die Wechselrichterschaltelemente 18, 20 mit geeigneten Schaltsignalen beaufschlagt, damit die Wechselrichterschaltelemente 18, 20 in einem Schaltbetrieb betrieben werden können, um in den jeweiligen Phasenwicklungen U, V, W vorgegebene Wechselströme einstellen zu können. Zu diesem Zweck nutzt die Steuereinheit 22 ein Pulsweitenmodulationsverfahren. Dies ist dem Fachmann bekannt, weshalb von weiteren Erläuterungen hierzu abgesehen wird.
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Mit den Wechselschaltrichterelementen 18, 20 kann abhängig von jeweiligen Schaltzuständen eine elektrische Verbindung zwischen einem jeweiligen elektrischen Zwischenkreispotential des Gleichspannungszwischenkreises 10 und einem jeweiligen ersten Phasenanschluss 12, 14, 16 hergestellt werden.
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4 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung einen Thyristor 82. Die Funktion des Thyristors 82 ist dem Fachmann ebenfalls bekannt, beispielsweise aus „Silicon Controlled Rectifier Designer's Handbook“ von Westinghouse Electric Corporation, Seminconductor Division, 1963, Youngwood, Pennsylvania, USA oder „Thyristor-Handbuch“ von Dr. Arnulf Hoffmann und Karl Stocker, 2. Auflage, Siemens Schuckertwerke AG, 1965 und weitere, weshalb auch diesbezüglich von weiteren Erläuterungen abgesehen wird.
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5 zeigt in einer weiteren schematischen Schaltbilddarstellung zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren 82, um ein jeweiliges Umschaltelement 36, 38 zu bilden. Zu erkennen ist, dass die Thyristoren 82 antiparallelgeschaltet sind. Auch wenn die Umschaltelemente 36, 38 vorliegend gemäß 5 ausgebildet sind, so können sie jedoch dem Grunde nach auch durch entsprechende Transistorschaltungen oder einen TRIAC gebildet sein. Für die Funktion der Erfindung ist dies jedoch unbeachtlich.
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6 zeigt eine erste Ausgestaltung der Antriebseinrichtung 52 mit der Synchronmaschine 58, wobei die Synchronmaschine 58 vorliegend permanenterregt ausgebildet ist. Anstelle der Synchronmaschine 58 kann dem Grunde nach auch eine Asynchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine eingesetzt sein. Für die Funktion der Erfindung ist dies jedoch nicht relevant.
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Aus 6 ist ersichtlich, dass die Antriebseinrichtung 52 neben der Synchronmaschine 58 auch den Wechselrichter 56 umfasst. Der Wechselrichter 56 weist ein Wechselrichtergehäuse 24 auf, welches die ersten und die zweiten Phasenanschlüsse 12, 14, 16, 28, 30, 32 bereitstellt. Das Wechselrichtergehäuse ist vorliegend aus einem Metall gebildet, und zwar in dieser vorliegenden Ausgestaltung durch eine Aluminiumlegierung. Die Phasenanschlüsse 12, 14, 16, 28, 30, 32 sind daher elektrisch isoliert gegenüber dem Wechselrichtergehäuse 24 ausgebildet. Das Wechselrichtergehäuse 24 weist ferner die elektrischen Anschlüsse 78, 80 auf, um den innerhalb des Gehäuses 24 angeordneten Gleichspannungszwischenkreis 10 an die Fahrzeugbatterie 54 anschließen zu können. Auch diese elektrischen Anschlüsse sind gegenüber dem Wechselrichtergehäuse 24 elektrisch isoliert ausgebildet. Im Wechselrichtergehäuse 24 ist ferner eine Kühleinheit 26 zum Kühlen der Wechselrichterschaltelemente 18, 20 angeordnet. Die Kühleinheit 26 stellt hierfür eine Kühlplatte bereit, die eine Montageoberfläche für die Wechselrichterschaltelemente 18, 20 bereitstellt. Entsprechende Kühlflächen der Wechselrichterschaltelemente 18, 20 können auf dieser Montageoberfläche angeordnet und fest mit dieser verbunden werden, um einen guten thermischen Übergang zu ermöglichen. Die Kühlplatte der Kühleinheit 26 weist ferner einen Kühlmittelkanal 40 für ein fluides Kühlmittel auf, welches vorliegend durch Kühlwasser gebildet ist. Das Wechselrichtergehäuse 24 weist ferner Kühlmittelanschlüsse 42, 44 auf, in denen jeweilige Enden des Kühlmittelkanals 40 münden. Dadurch kann der Kühlmittelkanal 40 an ein geeignetes Kühlsystem des Elektrofahrzeugs 50 angeschlossen werden.
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In dem Wechselrichtergehäuse 24 ist ferner die Umschalteinheit 34 angeordnet. Die Umschalteinheit 34 ist zumindest teilweise auch gleich mit den Wechselrichterschaltelementen 18, 20 beziehungsweise den entsprechenden Mittelanschlüssen der durch sie gebildeten Reihenschaltungen elektrisch verbunden, sodass das Wechselrichtergehäuse 24 lediglich noch die Phasenanschlüsse 12, 14, 16, 28, 30, 32 für die Enden U1, V1, W1, U2, V2, W2 der Phasenwicklungen U, V, W der Ständerwicklung 90 bereitzustellen braucht.
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Im Wechselrichtergehäuse 24 ist ferner die Steuereinheit 22 angeordnet, die die Wechselrichterschaltelementen 18, 20 sowie die Umschaltelemente 36, 38 entsprechend anzusteuern vermag. Im Wechselrichtergehäuse 24 ist somit beispielsweise auch ein Sternpunkt 84 ausgebildet. Die Umschaltelemente 36, 38 sind ebenfalls auf der Montageoberfläche der Kühlplatte der Kühleinheit 26 angeordnet und mit dieser fest verbunden, um eine gute thermische Ankopplung an die Kühlplatte zu erreichen. Dadurch kann auf einfache Weise für sämtliche der Schaltelemente 18, 20, 36, 38 eine Kühlfunktionalität bereitgestellt werden.
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In der vorliegenden Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass die Synchronmaschine 58 eine eigene Maschinenkühleinheit 66 aufweist, die von der Kühleinheit 26 des Wechselrichters 56 getrennt ist. Die Maschinenkühleinheit 66 ist vorliegend ausgebildet, mehrere nicht dargestellte Kühlkanäle in einem Ständerblechpaket des Ständers der Synchronmaschine 58 bereitzustellen, die von einem Kühlöl als Kühlmittel durchströmt sind. Die Maschinenkühleinheit 66 sowie die Synchronmaschine 58 sind in einem Maschinengehäuse 64 angeordnet. Das Maschinengehäuse 64 weist Kühlmittelanschlüsse 86, 88 auf, über die das Kühlöl der Maschinenkühleinheit 66 zugeführt beziehungsweise abgeführt werden kann. Aus 6 ist ferner ersichtlich, dass der Kühlmittelanschluss 88 in eine nicht weiter dargestellte Kühleinrichtung des Getriebes 70 mündet, sodass das Kühlöl nicht nur zum Kühlen der Synchronmaschine 58 dient, sondern zugleich auch eine Kühlungsfunktion beziehungsweise eine Schmierfunktion für das Getriebe 70 bereitstellt. Zu diesem Zweck umfasst das Getriebe 70 ein nicht bezeichnetes Getriebegehäuse, welches im Bereich eines Wellenaustrittsendes der Läuferwelle 74 am Maschinengehäuse 64 befestigt ist.
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Vorliegend ist ferner ersichtlich, dass das Maschinengehäuse 64 über Schraubverbindungen mit dem Wechselrichtergehäuse 24 fest verbunden ist. Dadurch kann erreicht werden, dass separate Verdrahtung zwischen dem Wechselrichter 56 und der Synchronmaschine 58 weitgehend vermieden werden kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die elektrischen Verbindungen zwischen dem Wechselrichter 56 und der Synchronmaschine 58 durch Steckverbindungen gebildet sind. Dadurch kann eine besonders einfache und zuverlässige Verbindung erreicht werden, die es darüber hinaus erlaubt, den Wechselrichter 56 von der Synchronmaschine 58 bedarfsweise zu trennen.
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Das Wechselrichtergehäuse 24 ist somit mechanisch mit dem Maschinengehäuse 64 verbunden.
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7 zeigt eine zweite Ausgestaltung für die Antriebseinrichtung 52, die auf der ersten Ausgestaltung gemäß 6 basiert, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede erläutert.
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Aus 7 ist ersichtlich, dass die Synchronmaschine 58 durch eine fremderregte Synchronmaschine gebildet ist. Daher weist der Läufer 68 eine Läuferwicklung 62 auf, die im bestimmungsgemäßen Betrieb mit einem Gleichstrom zu beaufschlagen ist. Zu diesem Zweck umfasst das Wechselrichtergehäuse 24 einen Energiewandler 60, der vorliegend als DC/DC-Wandler ausgebildet ist und der eingangsseitig an den Gleichspannungszwischenkreis 10 des Wechselrichters 56 angeschlossen ist. Ausgangsseitig ist der Energiewandler 60 an Läuferanschlüsse 46, 48 des Wechselrichtergehäuses 24 angeschlossen, die ebenfalls gegenüber dem Wechselrichtergehäuse 24 elektrisch isoliert ausgebildet sind. An entsprechender Stelle des Maschinengehäuses 64 sind entsprechende Anschlüsse der Läuferwicklung 62 ausgebildet, sodass bei der mechanischen Verbindung des Wechselrichtergehäuses 24 mit dem Maschinengehäuse 64 eine entsprechende elektrische Verbindung beziehungsweise ein entsprechender elektrischer Anschluss erreicht werden kann. Der Energiewandler 60 wird vorliegend ferner durch die Steuereinheit 22 gesteuert. Dadurch kann die Funktion der Synchronmaschine 58 ebenfalls gesteuert werden.
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Die weiteren Merkmale entsprechen denen, wie sie bereits zur ersten Ausgestaltung gemäß 6 erläutert wurden.
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Der Energiewandler 60 weist zum Zwecke der Energiewandlung nicht dargestellte Schaltelemente auf, die in der vorliegenden Ausgestaltung ebenfalls an der Kühlplatte beziehungsweise an deren Montageoberfläche angeordnet und fest mit dieser verbunden sind, um eine thermische Kopplung erreichen zu können.
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Der Einsatz von Thyristoren bei den Umschaltelementen 36, 38 hat den Vorteil, dass große Ströme und Leistungen gesteuert werden können. Diese Ströme und Leistungen können sogar größer sein als mit dem Wechselrichter 56 erreicht werden kann. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass eine Schaltfrequenz bei der Nutzung von Thyristoren nur kleiner als bei der Nutzung mit Transistoren erreicht werden kann. Für die vorgesehene Umschaltungsfunktion ist dies jedoch ausreichend, weshalb die Anwendung von Thyristoren in Betracht kommt.
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Die Erfindung sieht also vor, dass vorzugsweise jegliche Schaltelemente, insbesondere wenn sie als elektronische Schaltelemente ausgebildet sind, in die Antriebseinrichtung 52 integriert werden können, sodass sie Teil der Leistungselektronik sind, vorzugsweise in einem gleichen Gehäuse sitzen wie die Leistungselektronik. Sie können beispielsweise auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sein. Darüber hinaus kann eine gemeinsame Kühlung vorgesehen sein. Darüber hinaus kann auch ein gemeinsames Steuern, insbesondere mit einer einzigen Steuereinheit, realisiert sein.
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Das Wechselrichtergehäuse 24 kann zum Beispiel mittels Schrauben oder auch Gummielementen, beispielsweise für eine Schwingungsdämpfung, mit dem Maschinengehäuse 64 mechanisch verbunden sein. Dadurch können Zuleitungen kurz gehalten werden, teilweise zwischen den Gehäusen sogar entfallen. Dadurch ist es möglich, einen geringen elektrischen Widerstand in den Zuleitungen und eine geringe elektrische Induktivität durch die Zuleitungen realisieren zu können. Dadurch können Verluste insgesamt reduziert werden. Schließlich können auch Störungen, insbesondere in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit, reduziert werden.
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Darüber hinaus kann auch das Getriebe 70 mit der Antriebseinrichtung zu einer einzigen Baueinheit verbunden sein, beispielsweise indem ein Getriebegehäuse des Getriebes 70 mit dem Maschinengehäuse 64 mechanisch verbunden wird. Auch hier kann die Verbindung mittels Schrauben und/oder Gummielementen erfolgen. Die rotierende elektrische Maschine kann gemeinsam mit dem Getriebe einen Kühlkreis nutzen. Hierzu kann eine Kühlflüssigkeit wie zum Beispiel Kühlöl genutzt werden. Die Kühlung des Wechselrichters 56 beziehungsweise der im Wechselrichtergehäuse 24 angeordneten Einheiten kann separat erfolgen. Dem Grunde nach besteht natürlich auch die Möglichkeit, eine gemeinsame Kühlung für die elektrische Maschine 58 und die Einheiten des Wechselrichtergehäuses 24 vorzusehen.
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Mit der Erfindung kann eine hohe Integration in Bezug auf den Antriebsstrang erreicht werden, bei dem vorzugsweise sämtliche Bauteile beziehungsweise Elemente in großer räumlicher Nähe zueinander angeordnet sind. Eine Verbindung kann beispielsweise mittels Schrauben, Klemmen oder dergleichen realisiert sein. Zugleich kann auch eine hochintegrierte Kühlung erreicht werden, sodass der Antriebsstrang beziehungsweise die Antriebseinrichtung insgesamt sehr kompakt realisiert werden kann, wobei zugleich eine große Leistungsfähigkeit realisiert werden kann.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie eine Antriebseinrichtung mit einer rotierenden elektrischen Maschine und einem Wechselrichter bereitgestellt werden kann.
