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Die Erfindung betrifft eine Elektromotoranordnung für eine elektrische Achse eines Kraftfahrzeuges, wobei die Elektromotoranordnung wenigstens einen Elektromotor und eine Inverteranordnung mit wenigstens einem Inverter aufweist.
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Inverter, auch Stromrichter genannt, benötigen ein Leistungsmodul, damit der aus einer Batterie stammende Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird. Das Leistungsmodul weist Leistungstransistoren auf, die zum Steuern der Ströme und zur Erzeugung des Wechselstroms verwendet werden. Dabei sind unterschiedliche Ausgestaltungen von Leistungstransistoren bekannt. Unter anderem ist es bekannt, sogenannte MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) zu verwenden. Das dabei verwendete Halbleitermaterial kann Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC) oder auch Galliumnitrid (GaN) sein. Je nach Ausgestaltung des Leistungstransistors und des Halbleitermaterials weisen die Leistungsmodule unterschiedliche Durchlasskennlinien auf.
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Halbleitertransistoren mit Silizium weisen beispielsweise bei größeren Spannungen eine bessere Leitfähigkeit auf und Halbleitertransistoren mit Siliziumcarbid bei kleineren Strömen. Je nachdem, wo der Hauptbetriebsbereich des Inverters gesehen wird, kann die Verwendung der Halbleitermaterialien der Halbleitertransistoren darauf abgestimmt werden.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektromotoranordnung anzugeben, bei der demgegenüber die Effizienz weiter gesteigert ist und die dabei kostengünstig zu realisieren ist.
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Zur Lösung dieses Problems wird bei einer Elektromotoranordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Inverteranordnung wenigstens einen ersten Leistungstransistor mit einem ersten Halbleitermaterial und wenigstens einen zweiten Halbleitertransistor mit einem zweiten Halbleitermaterial aufweist.
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Als Kern der Erfindung wird angesehen, für eine elektrische Achse bei der Wechselstromerzeugung Leistungstransistoren mit wenigstens zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien zur Verfügung zu haben und dadurch die Stromversorgung des die Achse antreibenden Elektromotors leistungsoptimiert zu realisieren. Wie beschrieben weist die Elektromotoranordnung wenigstens einen Elektromotor auf. Die Inverteranordnung der Elektromotoranordnung weist wenigstens einen Inverter auf. In der Inverteranordnung befinden sich wenigstens zwei unterschiedliche Leistungstransistoren zur Erzeugung des Wechselstroms für den Elektromotor. Je nach Betriebsbereich können dabei entweder ausschließlich diejenigen Leistungstransistoren verwendet werden, für die der Betriebsbereich optimal ist. Alternativ kann ein Teil der Leistungstransistoren auch verwendet werden, um in bestimmten Betriebsbereichen zugeschaltet zu werden.
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In einer ersten Ausgestaltung kann die Inverteranordnung wenigstens zwei Inverter aufweisen, wobei die Leistungstransistoren der Inverter aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien bestehen. Jeder Inverter weist also ausschließlich Leistungstransistoren mit einem Halbleitermaterial auf. Das heißt, dass die Inverter sozusagen sortenrein ausgestaltet sind. Dann ist nicht nur ein Leistungstransistor für einen bestimmten Betriebsbereich optimal, sondern auch der damit ausgestattete Inverter.
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Bevorzugt kann die Inverteranordnung genau zwei Inverter aufweisen. Dann sind bevorzugt auch genau zwei Halbleitermaterialien vorhanden, eines im ersten Inverter und das zweite Halbleitermaterial im zweiten Inverter. Es ist aber auch denkbar, dass in einem oder beiden Invertern ein drittes, viertes oder noch mehr Halbleitermaterialien verwendet werden.
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Bei dieser Anordnung kann es je nach Anzahl der Elektromotoren unterschiedliche Konfigurationen geben. Beispielsweise kann die Elektromotoranordnung mehr Inverter als Elektromotoren aufweisen. Dann können die Inverter zumindest teilweise vor dem Elektromotor oder den Elektromotoren zusammengeschaltet sein. Weist die Elektromotoranordnung beispielsweise zwei Inverter und einen Elektromotor auf, kann der Ausgang der Inverter zusammengelegt sein. Der Elektromotor merkt dann sozusagen nicht, dass er von mehr als einem Inverter mit Strom beaufschlagt wird.
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Je nach angeforderter Strommenge wird entweder einer der Inverter oder beide Inverter eingesetzt, um den Elektromotor mit Strom zu versorgen.
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Alternativ kann die Stromführung der Inverter, die einem Elektromotor zugeordnet sind, selbst bis zum Elektromotor getrennt bleiben. Dann kann der Elektromotor genauso viele Phasen aufweisen wie die Inverter zusammen. Weist ein Inverter beispielsweise drei Phasen auf, kann der Elektromotor, der mit zwei Invertern gekoppelt ist, sechs Phasen aufweisen. Hierbei ist der Elektromotor aufzurüsten. Allerdings gibt es bereits Ausgestaltungen von Elektromotoren mit sechs Phasen, dementsprechend können an einem derartigen Elektromotor auch zwei unterschiedliche Inverter angekoppelt werden.
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Grundsätzlich können bei dieser Ausgestaltung auch mehr Elektromotoren und Inverter vorgesehen sein. Sollen jeweils zwei Inverter einem Elektromotor zugeordnet sein, können auch vier Inverter und zwei Elektromotoren pro Achse vorgesehen werden. Weiterhin ist es denkbar, dass zwei Motoren an der elektrischen Achse angeordnet sind, wobei jeder Elektromotor auf einer Seite der Achse sozusagen einem Rad zugeordnet ist. Dann kann den Elektromotoren jeweils ein Inverter mit Leistungsdioden mit einem ersten Halbleitermaterial zugeordnet sein und ein dritter Inverter, der Leistungsdioden mit einem zweiten Halbleitermaterial aufweist, kann beiden Elektromotoren zugeordnet sein. Der dritte Inverter kann beispielsweise für kurzfristige Beschleunigungsvorgänge zum Boosten eingesetzt werden.
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Weiterhin kann die Elektromotoranordnung genauso viele Inverter wie Elektromotoren aufweisen und jeder Inverter genau einem Elektromotor zugeordnet sein. Bei dieser Ausgestaltung ist bevorzugt vorgesehen, dass genau ein Inverter und genau ein Elektromotor vorgesehen sind. Dann weist der einzige Inverter selbst die ersten und zweiten Leistungstransistoren auf.
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Die Leistungstransistoren können beispielsweise derart aufgeteilt sein, dass einer ersten Leiterplatte die ersten Leistungstransistoren zugeordnet sind und einer zweiten Leiterplatte die zweiten Leistungstransistoren. Dann kann die Stromführung im Inverter bedarfsgerecht geregelt werden. Dadurch wird der einzelne Inverter zwar etwas teurer, jedoch ist er im Betrieb optimiert betreibbar. Auch kann, wie weiter unten noch beschrieben wird, durch eine geschickte Auswahl der Leistungstransistoren die Kostensteigerung im Rahmen gehalten werden, sodass der Nutzen insgesamt höher ist als der erhöhte Aufwand.
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Alternativ kann die Elektromotoranordnung genau zwei Inverter und genau zwei Elektromotoren aufweisen. Dann weist jeder Inverter Leistungstransistoren mit unterschiedlichen Halbleitermaterialien auf.
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Bevorzugt kann ein Halbleitermaterial Silizium sein. Silizium ist ein Halbleitermaterial, das bei höheren Spannungen eine bessere Leitfähigkeit aufweist.
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Weiterhin kann ein Halbleitermaterial Siliziumcarbid sein. Dieses ist bei niedrigeren Spannungen effizienter.
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In einer Ausgestaltung kann also vorgesehen sein, dass zwei Arten von Leistungstransistoren vorgesehen sind, nämlich Leistungstransistoren mit Silizium und Leistungstransistoren mit Siliziumcarbid. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Leistungstransistoren, die das Silizium aufweisen, als IGBTs ausgestaltet sind und / oder die Leistungstransistoren, die das Siliziumcarbid aufweisen als MOSFETs ausgestaltet sind.
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Die Leistungstransistoren können, unabhängig vom verwendeten Halbleitermaterial, bevorzugt als Leistungshalbleiterschalter ausgebildet sein. Insbesondere können die Leistungstransistoren als aktive Schalter ausgestaltet sein. Es kann zwar auch passive Schalter, beispielsweise in Form von Dioden, in einem Inverter geben, jedoch sind zumindest zwei unterschiedliche Arten von aktiven Schaltern vorzusehen.
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Insbesondere können die beanspruchten Leistungstransistoren zur Verwendung in der positiven Stromrichtung, also in der Stromrichtung zum Elektromotor hin, angeordnet sein. Die Elektromotoranordnung weist also bevorzugt für die positive Stromrichtung wenigstens zwei unterschiedliche aktive Schalter auf.
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Die Rückwärtsrichtung oder negative Stromrichtung kann je nach Leistungstransistor in positiver Stromrichtung unterschiedlich ausgestaltet sein. Bei Leistungstransistoren mit Siliziumcarbid, insbesondere MOSFETs mit Siliziumcarbid, kann die Rückwärtsrichtung durch dieselben Leistungstransistoren gehen. Bei IGBTs mit Silizium kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in der negativen Stromrichtung eine Diode angeordnet ist.
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Weiterhin kann als Halbleitermaterial Galliumnitrid (GaN) verwendet werden. Weiter oder alternativ kann als Halbleitermaterial Galliumoxid (Ga2O3) verwendet werden. Weiter oder alternativ kann als Halbleitermaterial Galliumarsenid (GaAs) verwendet werden. Weiter oder alternativ kann Kohlenstoff (C) als Halbleitermaterial verwendet werden.
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Grundsätzlich kann jedes Halbleitermaterial zur Verwendung als erstes Halbleitermaterial verwendet werden und jedes andere Halbleitermaterial als zweites Halbleitermaterial. Auch können ein drittes Halbleitermaterial und ein viertes Halbleitermaterial eingesetzt werden, wenn eine weitere Optimierung dadurch erreicht werden kann. Allerdings steigt auch mit jedem zusätzlichen Halbleitermaterial die Komplexität, da entweder weitere Inverter oder weitere Leiterplatten vorzusehen sind und auch die Ansteuerung immer aufwendiger wird.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Leistungstransistoren mit der besseren Effizienz in der Stromleitung wenigstens 30 % der Inverterleistung stellen. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Leistungstransistoren mit der besseren Effizient in der Stromleitung wenigstens 40 % der Inverterleistung stellen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Leistungstransistoren mit der besseren Effizienz in der Stromleistung wenigstens 50 % der Inverterleistung stellen. Weiterhin können wenigstens 60 % vorgesehen sein.
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Die bessere Effizienz bemisst sich dabei daran, dass bei der durchschnittlich erwarteten Verwendung des Inverters eines der verwendeten Halbleitermaterialien einen optimalen Betriebspunkt hat. Beispielsweise ist Siliziumcarbid bei niedrigeren Spannungen effizienter. Dies korreliert mit niedrigen Beschleunigungen und / oder niedrigen Fahrgeschwindigkeiten. Für ein Stadtauto ist es also vorteilhaft, wenn ein größerer Anteil der Leistungstransistoren Siliziumcarbid aufweist, da die für den hauptsächlich vorgesehenen Betrieb effizienter sind als beispielsweise Leistungstransistoren mit Silizium.
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Werden die zweiten Leistungstransistoren nur bei großen Beschleunigungen verwendet sind diese eine Art Booster für den Fall eines Überholvorgangs oder einer Auffahrt-Fahrsituation. Je nach Ausgestaltung kann für diese trotzdem eine große Menge an der Inverterleistung vorgesehen sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass bei Sportwägen der Anteil der zweiten Leistungstransistoren steigt, weil für die Beschleunigung eine große Kapazität vorgesehen sein soll. Dann kann die eigentliche Strommenge, die über die ersten Leistungstransistoren zur Verfügung gestellt wird, sogar größer sein als bei dem gerade erwähnten Stadtauto. Da für die Beschleunigung aber ein sehr großer Spielraum bestehen soll wird im Verhältnis eine noch größere Anzahl an zweiten Leistungsdioden vorgesehen.
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Insbesondere kann man dabei neben der reinen Effizienz auch Kostengesichtspunkte berücksichtigen. So kann man diejenigen Leistungstransistoren, die sozusagen nur kurzzeitig verwendet werden, möglichst kostengünstig ausgestalten. Auch wenn diese in der Effizienz eher schlecht ausgebildet sind, kann so ein kurzfristiger Leistungshub kostengünstig realisiert werden. Die Gesamtbilanz wird dadurch aber auch nur unwesentlich verschlechtert.
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Die Inverterleistung, auf die dabei referenziert wird, ist bevorzugt die Peakleistung. Diese ist üblicherweise als 10-Sekunden-Wert festgelegt. Es ist also diejenige maximale Leistung, die der Inverter für zehn Sekunden zur Verfügung stellen kann. Natürlich kann das Verhältnis der Leistungsdioden auch durch andere Größen zueinander in Bezug gesetzt werden.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Elektromotoranordnung. Die Elektromotoranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass sie wie beschrieben ausgebildet ist.
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Das Kraftfahrzeug kann vorteilhafterweise eine elektrische Achse aufweisen und die Elektromotoranordnung an der elektrischen Achse angeordnet sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Es kann also auch wenigstens einen Verbrennungsmotor aufweisen. Dann kann die Elektromotoranordnung an derselben oder einer anderen Achse angeordnet sein wie der Verbrennungsmotor.
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Bevorzugt kann die Elektromotoranordnung in einem Kraftfahrzeug mit einer einzigen elektrischen Achse angeordnet sein. Dadurch kann die Effizienz beispielsweise in Hybrid-Fahrzeugen weiter gesteigert werden, da bei rein elektrischer Fahrt bei unterschiedlichsten Fahrsituationen immer Leistungstransistoren mit einem optimalen Betriebspunkt zur Verfügung stehen.
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Die Inverter können dabei für Spannungsklassen von 48 V, 400 V oder 800 V ausgebildet sein. Die Leistungsdioden können dementsprechend Raitings von 80 V oder 120 V oder 650 V oder 750 V oder 1200 V aufweisen. Dabei ist die maximale Sperrspannung bezeichnet.
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Die Inverter können weiterhin Zwischenkreiskondensatoren aufweisen, eine Treiberansteuerung und sonstige übliche Bestandteile.
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Das Kraftfahrzeug umfasst ferner eine Gleichstromquelle, bspw. wenigstens eine Batterie. Diese speist den Inverter mit Gleichstrom und/oder wird über den Inverter geladen.
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Alternativ kann das Kraftfahrzeug auch eine Brennstoffzelle aufweisen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und Figuren. Dabei zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug,
- 2 Durchlasskennlinien,
- 3 ein Kraftfahrzeug in einer zweiten Ausgestaltung,
- 4 eine Elektromotoranordnung in einer ersten Ausgestaltung,
- 5 eine Elektromotoranordnung in einer zweiten Ausgestaltung,
- 6 eine Elektromotoranordnung in einer dritten Ausgestaltung und
- 7 eine Elektromotoranordnung in einer vierten Ausgestaltung.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Leistungselektronik 2, beispielsweise in Form eines Inverters 3. Dieser umfasst u.a. ein Leistungsmodul 4.
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Das Kraftfahrzeug 1 kann insbesondere eine elektrische Achse 5 aufweisen. Das Kraftfahrzeug 1 kann grundsätzlich als Hybrid-Kraftfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein. Besonders bevorzugt weist das Kraftfahrzeug 1 eine einzige elektrische Achse auf.
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2 zeigt die Durchlasskennlinien eines Siliziumcarbid-MOSFETs und eines Silizium-IGBTs. Auf der Achse 8 ist das Verhältnis der Spannungen UdS gegen Uce aufgetragen und auf der Achse 9 das Verhältnis der Ströme Id zu Ic. Dabei zeigt die Linie 10 die Durchlasskennlinie eines Siliziumcarbid-MOSFETs und die Linie 12 die Durchlasskennlinie eines Silizium-IGBTs. Man erkennt, dass am Break-Even-Punkt 14 die Leitfähigkeit des Silizium-IGBTs besser wird als die des Siliziumcarbid-MOSFETs.
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Derartige Kennlinien existieren selbstverständlich auch für andere Halbleitermaterialien und Transistorentypen. Dabei erkennt man auch, dass der maximale Ausgangsstrom 16 beim Silizium-IGBT bei geringeren Spannungen erreicht wird als beim Siliziumcarbid-MOSFET.
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3 zeigt ein Kraftfahrzeug 18 in einer zweiten Ausgestaltung. Dieses weist zwei elektrische Achsen 20 und 22 auf. Beide können eine Elektromotoranordnung 6 aufweisen.
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4 zeigt eine Elektromotoranordnung 6 in einer ersten Ausgestaltung. Diese weist einen ersten Inverter 24 auf, der mit einem ersten Elektromotor 26 wirkverbunden ist sowie einen zweiten Inverter 28, der mit einem zweiten Elektromotor 30 wirkverbunden ist. Beide Elektromotoren können eine Achse 32 antreiben. Der erste Inverter 24 weist erste Leistungsdioden 34 auf, die ein erstes Halbleitermaterial 36 aufweisen. Die ersten Leistungsdioden 34 sind dabei rein schematisch dargestellt, wie auch das erste Halbleitermaterial 36. Ausgestaltungen der ersten Leistungsdioden als MOS-FET oder IGBT sind allgemein bekannt.
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Der zweite Inverter 28 weist zweite Leistungstransistoren 38 auf, die ein zweites Halbmaterial 40 umfassen.
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Bei dem ersten Halbleitermaterial 36 kann es sich beispielsweise um Silizium handeln und bei dem zweiten Halbleitermaterial 40 beispielsweise um Siliziumcarbid. Weiterhin weist jeder Inverter mehr als eine einzige erste Leistungsdiode auf und der Übersichtlichkeit halber ist aber lediglich jeweils eine Leistungsdiode dargestellt. Die Achse 32 kann dabei entweder durch einen der Elektromotoren 26 oder 30 alleine oder auch durch beide Elektromotoren 26 und 30 gleichzeitig angetrieben werden.
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5 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer Elektromotoranordnung 6. Im Unterschied zu 4 sind sowohl der erste Inverter 24 als auch der zweite Inverter 28 mit einem einzigen Elektromotor 42 elektrisch verbunden. Geht man davon aus, dass sowohl der erste Inverter 24 als auch der zweite Inverter 28 einen dreiphasigen Ausgang aufweisen, so ist der Elektromotor 42 sechsphasig ausgebildet. Die Überlagerung der Ströme der Inverter findet damit im Elektromotor 42 statt.
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6 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Anordnung bestehend aus zwei Invertern 24 und 28 und einem Elektromotor 26. Dabei findet die Zusammenführung der Ausgangsströme der Inverter 24 und 28 außerhalb des Elektromotors 26 und vor diesem statt, sodass der Elektromotor so ausgebildet sein kann, als wäre er mit einem einzigen Inverter verbunden.
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7 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Elektromotoranordnung 6. Dabei ist ein Inverter 44 vorgesehen, der sowohl erste Leistungstransistoren 34 mit einem ersten Halbleitermaterial 36 als auch zweite Leistungstransistoren 38 mit einem zweiten Halbleitermaterial 40 aufweist. Der Inverter 44 ist dann mit einem Elektromotor 26 wirkverbunden. Dadurch kann die Anzahl der Inverter auf Eins reduziert werden. Der Inverter 44 ist dabei etwas komplexer aufgebaut als einer der Inverter 24 oder 28, da er beispielsweise zwei Leiterplatten aufweisen sollte, wobei jede Leiterplatte eine Sorte Leistungstransistoren zugeordnet ist. Es gibt daher also auch eine erste Leiterplatte, die mit ersten Leistungstransistoren bestückt ist und eine zweite Leiterplatte, die mit zweiten Leistungstransistoren bestückt ist. Alternativ können die Leistungstransistoren 34 und 38 auch auf einer einzigen Leiterplatte angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Leistungselektronik
- 3
- Inverteranordnung
- 4
- Leistungsmodul
- 5
- elektrische Achse
- 6
- Elektromotoranordnung
- 7
- Elektromotor
- 8
- Achse
- 9
- Achse
- 10
- Linie
- 12
- Linie
- 14
- Break-Even-Punkt
- 16
- Ausgangsstrom
- 18
- Kraftfahrzeug
- 20
- elektrische Achse
- 22
- elektrische Achse
- 24
- Inverter
- 26
- Elektromotor
- 28
- Inverter
- 30
- Elektromotor
- 32
- Achse
- 34
- erster Leistungstransistor
- 36
- erstes Halbleitermaterial
- 38
- zweiter Leistungstransistor
- 40
- zweites Halbleitermaterial
- 42
- Elektromotor
- 44
- Inverter
