DE102021122090A1 - Electrical circuit arrangement, motor vehicle and method for operating an electrical circuit arrangement - Google Patents

Electrical circuit arrangement, motor vehicle and method for operating an electrical circuit arrangement Download PDF

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Abstract

Elektrische Schaltungsanordnung umfassend wenigstens eine elektrische Maschine (3), einen Inverter (4) und eine zwischen mehreren Transformationsverhältnissen umschaltbare Transformatoreinrichtung (5), wobei die Transformatoreinrichtung (5) wenigstens einen Transformator (15) umfasst, welcher zwischen eine Wechselstromseite des Inverters (4) und die elektrische Maschine (3) schaltbar oder geschaltet ist, wobei die Transformatoreinrichtung (5) wenigstens eine unter Last schaltbare Schalteinrichtung (20) aufweist, über welche das Transformationsverhältnis der Transformatoreinrichtung (5) umschaltbar ist.Electrical circuit arrangement comprising at least one electrical machine (3), an inverter (4) and a transformer device (5) which can be switched between a plurality of transformation ratios, the transformer device (5) comprising at least one transformer (15) which is connected between an AC side of the inverter (4) and the electrical machine (3) can be switched or switched, the transformer device (5) having at least one switching device (20) which can be switched under load and via which the transformation ratio of the transformer device (5) can be switched.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung umfassend wenigstens eine elektrische Maschine, einen Inverter und eine zwischen mehreren Transformationsverhältnissen umschaltbare Transformatoreinrichtung, wobei die Transformatoreinrichtung wenigstens einen Transformator umfasst, welcher zwischen eine Wechselstromseite des Inverters und die elektrische Maschine schaltbar oder geschaltet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Schaltungsanordnung.The invention relates to an electrical circuit arrangement comprising at least one electrical machine, an inverter and a transformer device which can be switched between a plurality of transformation ratios, the transformer device comprising at least one transformer which can be switched or is connected between an AC side of the inverter and the electrical machine. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle and a method for operating an electrical circuit arrangement.

Elektrische Schaltungsanordnungen mit einer elektrischen Maschine, welche über einen Inverter betrieben wird, finden beispielsweise in Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb Verwendung. Die elektrische Maschine kann dabei insbesondere als ein Traktionselektromotor des Kraftfahrzeugs verwendet werden, welcher über den Inverter aus einem Gleichstromspeicher wie einer Hochvoltbatterie oder einer Brennstoffzelle betrieben werden kann. Dabei kann in einem Motorbetrieb der elektrischen Maschine durch den Inverter eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung erzeugt werden, welche am Motor anliegt und diesen betreibt. Die von dem Motor erzeugbare elektrische Leistung sowie das vom Motor erzeugbare maximale Drehmoment und die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie hängen dabei von der Höhe bzw. der Amplitude der Wechselspannung ab. Zur Veränderung dieser Spannung und/oder zur Anpassung der Kennlinie eines Elektromotors sind aus dem Stand der Technik verschiedene Ansätze bekannt.Electrical circuit arrangements with an electrical machine that is operated via an inverter are used, for example, in motor vehicles with an electric drive. The electrical machine can be used in particular as a traction electric motor of the motor vehicle, which can be operated via the inverter from a direct current storage device such as a high-voltage battery or a fuel cell. When the electric machine is operating as a motor, the inverter can generate a single-phase or multi-phase AC voltage, which is applied to the motor and operates it. The electrical power that can be generated by the motor and the maximum torque that can be generated by the motor and the torque-speed characteristic depend on the level or amplitude of the AC voltage. Various approaches are known from the prior art for changing this voltage and/or for adapting the characteristic curve of an electric motor.

In EP 2 923 881 A1 wird ein Kraftfahrzeug mit einem Wechselstrom-Elektroantrieb als Fahrantrieb beschrieben. Dabei ist ein Gangumschalter vorgesehen, welcher als eine elektrische Schalteinrichtung zwischen dem Stromrichter und dem Elektroantrieb ausgebildet ist. Diese Schalteinrichtung umfasst einen Transformator, mit welchem unterschiedliche Spannungsübersetzungsverhältnisse zwischen einem Stromrichter und dem Elektromotor eingestellt werden können.In EP 2 923 881 A1 describes a motor vehicle with an AC electric drive as the traction drive. In this case, a gear changeover switch is provided, which is designed as an electrical switching device between the power converter and the electric drive. This switching device includes a transformer with which different voltage transformation ratios can be set between a power converter and the electric motor.

Aus DE 44 31 347 A1 ist ein elektromotorischer Antrieb für ein Fahrzeug bekannt, bei dem ein mit einer Drehfeldwicklung ausgestatteter Elektromotor über eine Schaltanordnung mit einem Umrichter verbunden ist. Über die Schalteinrichtung kann eine Umschaltung der Wicklung des Elektromotors zwischen einer Dreieckschaltung und einer Sternschaltung in Abhängigkeit einer Fahrgeschwindigkeit und/oder eines Drehmoments des Fahrzeugs erfolgen.Out of DE 44 31 347 A1 an electric motor drive for a vehicle is known, in which an electric motor equipped with a rotary field winding is connected to a converter via a switching arrangement. The switching device can be used to switch the winding of the electric motor between a delta connection and a star connection as a function of a driving speed and/or a torque of the vehicle.

GB 428 066 A beschreibt ein elektrisches Antriebssystem, bei dem eine hohe Spannung über einen Transformator herabgesetzt und unter Verwendung zweier Gleichrichterröhren zum Betrieb von zwei Gleichstrommotoren gewandelt wird. Die Gleichrichterröhren sind dabei mit der Sekundärseite des Transformators über jeweils einen Laststufenschalter verbunden. GB 428 066 A describes an electric drive system in which a high voltage is stepped down through a transformer and converted using two rectifier tubes to drive two DC motors. The rectifier tubes are each connected to the secondary side of the transformer via an on-load tap changer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte elektrische Schaltungsanordnung anzugeben, welche insbesondere das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine verbessert.The invention is based on the object of specifying an improved electrical circuit arrangement which, in particular, improves the operating behavior of the electrical machine.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer elektrischen Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Transformatoreinrichtung wenigstens eine unter Last schaltbare Schalteinrichtung aufweist, über welche das Transformationsverhältnis der Transformatoreinrichtung umschaltbar ist.In order to achieve this object, in an electrical circuit arrangement of the type mentioned at the outset, the invention provides that the transformer device has at least one switching device that can be switched under load and via which the transformation ratio of the transformer device can be switched over.

Eine solche Schaltungsanordnung kann z. B. vorteilhaft in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, da das Transformationsverhältnis der Transformatoreinrichtung und somit das Verhältnis zwischen der Wechselspannung an der Wechselstromseite des Inverters und der elektrischen Maschine während des laufenden Betriebs angepasst werden kann. Die unter Last schaltbare Schalteinrichtung ermöglicht es, dass das Transformationsverhältnis der Transformatoreinrichtung unter Last, das heißt während eines Motorbetriebs und/oder während eines Generatorbetriebs der elektrischen Maschine, umgeschaltet werden kann. Auf ein vollständiges Trennen der elektrischen Verbindung zwischen der elektrischen Maschine und dem Inverter zum Umschalten des Transformationsverhältnisses kann somit vorteilhaft verzichtet werden. Dadurch verbessert sich das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine. Bei einer elektrischen Maschine, welche beispielsweise als ein Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs verwendet wird, kann somit während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs ein Umschalten des Transformationsverhältnisses erfolgen, ohne dass beispielsweise in einem Motorbetrieb eine Zugunterbrechung der elektrischen Maschine auftritt.Such a circuit arrangement can, for. B. can be used advantageously in a motor vehicle, since the transformation ratio of the transformer device and thus the ratio between the AC voltage on the AC side of the inverter and the electrical machine can be adjusted during operation. The switching device that can be switched under load makes it possible for the transformation ratio of the transformer device to be switched under load, that is to say during motor operation and/or during generator operation of the electrical machine. A complete disconnection of the electrical connection between the electrical machine and the inverter for switching over the transformation ratio can thus advantageously be dispensed with. This improves the operating behavior of the electrical machine. In an electric machine which is used, for example, as a traction motor of a motor vehicle, the transformation ratio can thus be switched over while the motor vehicle is being driven without, for example, a traction interruption of the electric machine occurring in motor operation.

Durch das Einstellen bzw. Umschalten des Transformationsverhältnisses kann das Verhältnis zwischen der Wechselspannung an der Wechselstromseite des Inverters und der Wechselspannung an der elektrischen Maschine variiert werden. Dies ermöglicht es vorteilhaft, bei einer beispielsweise für einen Kraftfahrzeugantrieb verwendeten elektrischen Maschine ein größeres Drehmoment und/oder eine größere mechanische Leistung, insbesondere bei hohen Drehzahlen bzw. in einem Feldschwächbereich der elektrischen Maschine, zu erreichen. Durch die unter Last schaltbare Schalteinrichtung kann dies vorteilhaft ohne Unterbrechung der Zugkraft der elektrischen Maschine umgesetzt werden, so dass zum Beispiel bei einem Kraftfahrzeug bevorzugt eine gleichmäßige Beschleunigung ohne das klassische Gangwechsel-Gefühl eines Schaltgetriebes erreicht werden kann.By adjusting or switching the transformation ratio, the ratio between the AC voltage on the AC side of the inverter and the AC voltage on the electrical machine can be varied. This advantageously makes it possible to achieve greater torque and/or greater mechanical power in an electric machine used, for example, for a motor vehicle drive, particularly at high speeds or in a field weakening range of the electric machine. The switching device that can be switched under load can advantageously do this without interrupting the tractive force of the electric machine, so that, for example, in a motor vehicle, smooth acceleration can preferably be achieved without the classic gear change feeling of a manual transmission.

Das Transformieren der Wechselspannung mittels des Transformators kann vorteilhaft mit einem hohen Wirkungsgrad erfolgen, so dass sich keine nennenswerten Verluste durch die Transformatoreinrichtung ergeben. Bei Einsatz der elektrischen Schaltungsanordnung in einem Elektroantrieb eines Kraftfahrzeug ergeben sich somit keine nennenswerten Reichweiteneinbußen.The transformation of the AC voltage by means of the transformer can advantageously take place with a high degree of efficiency, so that there are no significant losses through the transformer device. When using the electrical circuit arrangement in an electric drive of a motor vehicle, there are therefore no significant reductions in range.

Neben einem Motorbetrieb ist es auch möglich, eine Spannungstransformation in einem Generatorbetrieb der elektrischen Maschine, in dem ein von der elektrischen Maschine erzeugter Wechselstrom über den Inverter in einen Gleichstrom gewandelt wird, einzusetzen. In einem Motorbetrieb der elektrischen Maschine stellt die mit der Wechselstromseite des Inverters verbundene Seite der Transformatoreinrichtung die Primärseite der Transformatoreinrichtung und die mit der elektrischen Maschine verbundene Seite der Transformatoreinrichtung die Sekundärseite der Transformatoreinrichtung dar. In einem Generatorbetrieb der elektrischen Maschine ist der Leistungsfluss durch die Transformatoreinrichtung umgekehrt, so dass in diesem Fall die mit der elektrischen Maschine verbundene Seite der Transformatoreinrichtung die Primärseite darstellt und die Sekundärseite mit dem Inverter verbunden ist. Der Übersichtlichkeit halber wird im Folgenden nur der Motorbetrieb beschrieben und die Begriffe Primärseite und Sekundärseite entsprechend des Leistungsflusses im Motorbetrieb verwendet. Der Begriff Transformationsverhältnis bezeichnet vorliegend den Quotient aus der Spannung an der Sekundärseite und der Spannung an der Primärseite. Das Transformationsverhältnis bestimmt also das Verhältnis zwischen der Wechselspannung an der elektrischen Maschine und der Wechselspannung an dem Inverter.In addition to motor operation, it is also possible to use voltage transformation in generator operation of the electrical machine, in which an alternating current generated by the electrical machine is converted into direct current via the inverter. When the electric machine is operating as a motor, the side of the transformer device connected to the AC side of the inverter represents the primary side of the transformer device and the side of the transformer device connected to the electric machine represents the secondary side of the transformer device. In generator operation of the electric machine, the power flow through the transformer device is reversed , so that in this case the side of the transformer device connected to the electrical machine represents the primary side and the secondary side is connected to the inverter. For the sake of clarity, only engine operation is described below and the terms primary side and secondary side are used according to the power flow in engine operation. In the present case, the term transformation ratio refers to the quotient of the voltage on the secondary side and the voltage on the primary side. The transformation ratio thus determines the ratio between the AC voltage at the electrical machine and the AC voltage at the inverter.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schalteinrichtung zwischen mehreren Transformatoren umschaltet und/oder dass die Schalteinrichtung zwischen mehreren Wicklungen eines Transformators umschaltet. Die unterschiedlichen Transformationsverhältnisse können dadurch erreicht werden, dass die Transformatoreinrichtung mehrere Transformatoren umfasst, welche jeweils ein oder mehrere, insbesondere unterschiedliche Transformationsverhältnisse der Wechselspannung ermöglichen.In a preferred embodiment of the invention, it can be provided that the switching device switches between a plurality of transformers and/or that the switching device switches between a plurality of windings of a transformer. The different transformation ratios can be achieved in that the transformer device comprises a plurality of transformers, each of which enables one or more, in particular different, transformation ratios of the AC voltage.

Die Schalteinrichtung kann auch zwischen mehreren Wicklungen oder Wicklungsabgriffen eines Transformators umschalten, so dass die Transformationsverhältnisse insbesondere über einen einzigen Transformator der Transformatoreinrichtung eingestellt werden können. Dazu kann der Transformator mehrere Wicklungen oder eine Wicklung mit mehreren Wicklungsabgriffen auf der Sekundärseite des Transformators aufweisen. Es ist auch möglich, dass die Transformatoreinrichtung mehrere Transformatoren umfasst, welche jeweils über einen separate, unter Last schaltbare Schalteinrichtung umschaltbare Transformationsverhältnisse aufweisen und/oder welche über eine oder mehrere derartige Schalteinrichtungen zuschaltbar sind.The switching device can also switch between a plurality of windings or winding taps of a transformer, so that the transformation ratios can be set, in particular, via a single transformer of the transformer device. To this end, the transformer can have a plurality of windings or a winding with a plurality of winding taps on the secondary side of the transformer. It is also possible for the transformer device to comprise a plurality of transformers which each have transformation ratios which can be switched via a separate switching device which can be switched under load and/or which can be connected via one or more such switching devices.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schalteinrichtung als ein Laststufenschalter des Transformators ausgeführt ist. Der Laststufenschalter kann dabei einen Lastschalter sowie mehrere, zwischen die zwei Seiten des Lastschalters und mehrere Wicklungsabgriffe des Transformators geschaltete Wählschalter aufweisen. Dies ermöglicht es, dass in einfacher Weise zwischen den unterschiedlichen Transformationsverhältnissen umgeschaltet werden kann. Der Laststufenschalter kann dabei insbesondere mit dem Transformator in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und/oder als eine gemeinsame Baueinheit ausgeführt sein, so dass eine bauraumsparende Anordnung der Transformatoreinrichtung beispielsweise in einem Kraftfahrzeug ermöglicht wird.In a preferred embodiment of the invention it can be provided that the switching device is designed as an on-load tap changer of the transformer. The on-load tap changer can have a load switch and a number of selector switches connected between the two sides of the load switch and a number of winding taps of the transformer. This makes it possible to easily switch between the different transformation ratios. The on-load tap changer can in particular be arranged in a common housing with the transformer and/or be designed as a common structural unit, so that a space-saving arrangement of the transformer device is made possible, for example in a motor vehicle.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen, dass die Transformationsverhältnisse der Transformatoreinrichtung jeweils derart sind, dass eine an der elektrischen Maschine anliegende Wechselspannung gleich oder größer als eine Wechselspannung an der Wechselstromseite des Inverters ist. Unter einer größeren Wechselspannung ist in diesem Zusammenhang eine betragsmäßig höhere Wechselspannung, also eine Wechselspannung mit einer betragsmäßig größeren Amplitude, zu verstehen.According to the invention, it can be provided that the transformation ratios of the transformer device are in each case such that an AC voltage applied to the electrical machine is equal to or greater than an AC voltage on the AC side of the inverter. In this context, a larger AC voltage is to be understood as meaning an AC voltage that is higher in terms of absolute value, ie an AC voltage with a greater amplitude in terms of absolute value.

Dies ermöglicht vorteilhaft, dass bei einer Drehzahl der elektrischen Maschine, welche ohne den Einsatz der Transformatoreinrichtung einen Betrieb der elektrischen Maschine im Feldschwächbereich bedingt, ein höheres Drehmoment und/oder ein besserer Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erzeugt werden können, da die Wechselspannung der elektrischen Maschine, welche beispielsweise der Statorspannung der elektrischen Maschine entspricht, durch die Transformatoreinrichtung mit einer höheren Amplitude bereitgestellt werden kann. Durch das Bereitstellen der höheren Spannung kann vermieden werden, dass bei dieser Drehzahl der elektrischen Maschine ein Betrieb im Feldschwächbereich erforderlich wird. Vorteilhaft kann dadurch der mit dem Betrieb im Feldschwächbereich einhergehende Abfall des Drehmoments vermieden werden und somit ein höheres Drehmoment und eine höhere mechanische Leistung bei der Drehzahl erzeugt werden. Durch das Verwenden von unterschiedlichen Transformationsverhältnissen kann dieser Effekt jeweils mit einem hohen Wirkungsgrad bei verschiedenen Drehzahlen bzw. in verschiedenen Drehzahlbereichen eingesetzt werden.This advantageously allows a higher torque and/or better efficiency of the electrical machine to be generated at a speed of the electrical machine which, without the use of the transformer device, requires operation of the electrical machine in the field weakening range, since the AC voltage of the electrical machine which corresponds, for example, to the stator voltage of the electrical machine, can be provided by the transformer device with a higher amplitude. By providing the higher voltage, operation in the field weakening range can be avoided at this speed of the electrical machine. Advantageously, the drop in torque associated with operation in the field weakening range can be avoided and thus a higher torque and higher mechanical power can be generated at the speed. By using different transformation ratios, this effect can be used with a high level of efficiency at different speeds or in different speed ranges.

Die Transformationsverhältnisse zwischen der Wechselspannung an der elektrischen Maschine und der Wechselspannung an der Wechselstromseite des Inverters können beispielsweise zwischen 125% und 300% betragen. Die Amplitude der an der elektrischen Maschine abfallenden Wechselspannung kann somit zwischen dem 1 ,25-fachen und dem 3-fachen der Amplitude der von dem Inverter erzeugten Wechselspannung liegen. Es ist auch möglich, dass über die Transformatoreinrichtung ein Transformationsverhältnis von 100 %, also eine 1:1 Umsetzung, eingestellt wird, sodass auch ein Betrieb der elektrischen Maschine mit der vom Inverter erzeugten Wechselspannung ohne Spannungstransformation ermöglicht wird.The transformation ratios between the AC voltage on the electrical machine and the AC voltage on the AC side of the inverter can be between 125% and 300%, for example. The amplitude of the AC voltage dropping across the electrical machine can thus be between 1.25 times and 3 times the amplitude of the AC voltage generated by the inverter. It is also possible for a transformation ratio of 100%, ie a 1:1 conversion, to be set via the transformer device, so that it is also possible to operate the electrical machine with the AC voltage generated by the inverter without voltage transformation.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Transformatoreinrichtung zwischen zwei und zehn verschiedenen Transformationsverhältnissen umschaltbar ist. Beispielsweise kann die Transformatorvorrichtung vier, sechs oder acht Transformationsverhältnisse beziehungsweise Stufen, in denen die Amplitude der Wechselspannung zwischen Inverter und elektrischer Maschine transformiert werden kann, aufweisen.In a preferred embodiment it can be provided that the transformer device can be switched between two and ten different transformation ratios. For example, the transformer device can have four, six or eight transformation ratios or stages in which the amplitude of the AC voltage between the inverter and the electrical machine can be transformed.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektrische Schaltungsanordnung eine Steuereinrichtung umfasst, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, das Transformationsverhältnis zwischen der Wechselspannung an der elektrischen Maschine und der Wechselspannung an dem Inverter zu erhöhen, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine wenigstens einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und/oder das Transformationsverhältnis zu verringern, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine wenigstens einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.In a preferred embodiment of the invention, it can be provided that the electrical circuit arrangement comprises a control device, the control device being set up to increase the transformation ratio between the AC voltage at the electrical machine and the AC voltage at the inverter when the speed of the electrical machine is at least exceeds a predetermined limit, and / or to reduce the transformation ratio when the speed of the electric machine falls below at least a predetermined limit.

Dadurch wird erreicht, dass ab einer gewissen Drehzahl eine Erhöhung des Transformationsverhältnisses stattfindet. Als Drehzahlgrenzwert kann dabei jeweils z. B. der Beginn eines Feldschwächbereichs für die jeweils aktuell an der elektrischen Maschine anliegende Wechselspannung verwendet werden. Auf diese Weise kann ein Betrieb der elektrischen Maschine im Feldschwächbereich vermieden werden, da die Grenze zum Beginn des Feldschwächbereichs für eine höhere Wechselspannung zu höheren Drehzahlen verschoben ist. Für Erreichen einer dieser höheren, weiteren Drehzahlen kann durch das Verwenden eines weiteren Grenzwertes erreicht werden, dass ein erneutes Umschalten des Transformationsverhältnisses stattfindet. Auf diese Weise kann durch die unterschiedlichen Transformationsverhältnisse jeweils für einen Drehzahlbereich ein verglichen mit dem Betrieb ohne Spannungstransformation höheres Drehmoment erreicht werden.As a result, the transformation ratio increases from a certain speed. As a speed limit can each z. B. the beginning of a field weakening range can be used for the AC voltage currently applied to the electrical machine. In this way, operation of the electric machine in the field weakening range can be avoided since the limit at the beginning of the field weakening range is shifted to higher speeds for a higher AC voltage. When one of these higher, further speeds is reached, the use of a further limit value can ensure that the transformation ratio is switched over again. In this way, due to the different transformation ratios, a higher torque can be achieved in each case for a speed range compared to operation without voltage transformation.

Zusätzlich oder alternativ dazu können die Grenzwerte für die Drehzahl auch jeweils derart gewählt werden, dass bei steigender Drehzahl ein höherer Wirkungsgrad, also ein besseres Verhältnis zwischen mechanischer Leistung und elektrischer Leistung im Motorbetrieb beziehungsweise zwischen elektrischer Leistung und mechanischer Leistung im Generatorbetrieb, erreicht wird. Dies ermöglicht vorteilhaft einen besonders effizienten Betrieb der elektrischen Maschine in einem großen Drehzahlbereich.In addition or as an alternative to this, the limit values for the speed can also be selected in each case in such a way that as the speed increases, higher efficiency, i.e. a better ratio between mechanical power and electrical power in motor operation or between electrical power and mechanical power in generator operation, is achieved. This advantageously enables a particularly efficient operation of the electric machine in a large speed range.

Wenn die Drehzahl im weiteren Betrieb wieder unterhalb eines der vorgegebenen Grenzwerte fällt, so kann das Transformationsverhältnis zwischen der Wechselspannung an der elektrischen Maschine und der Wechselspannung am Inverter wieder entsprechend verringert werden, um einen drehzahloptimalen beziehungsweise wirkungsgradoptimierten Betrieb bei den niedrigeren Drehzahlen zu erreichen. Die Grenzwerte zum Erhöhen des Transformationsverhältnisses und die Grenzwerte zum Erniedrigen des Transformationsverhältnisses können dabei gleich oder unterschiedlich sein.If the speed falls below one of the specified limit values during further operation, the transformation ratio between the AC voltage at the electric machine and the AC voltage at the inverter can be reduced again accordingly in order to achieve speed-optimized or efficiency-optimized operation at the lower speeds. The limit values for increasing the transformation ratio and the limit values for decreasing the transformation ratio can be the same or different.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Transformator über die Schalteinrichtung und/oder wenigstens eine, insbesondere unter Last schaltbare, Überbrückungseinrichtung überbrückbar ist, wobei die Wechselstromseite des Inverters bei überbrücktem Transformator mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Über die Überbrückungseinrichtung der elektrischen Schaltungsanordnung kann dabei die gesamte Transformatoreinrichtung, also der Transformator und die Schalteinrichtung, überbrückt werden, insbesondere wenn die Schalteinrichtung als Laststufenschalter in den Transformator integriert ist. Das Überbrücken ermöglicht vorteilhaft, dass Verluste in dem Transformator bzw. der Transformatoreinrichtung bei einem Betrieb der elektrischen Maschine außerhalb des Feldschwächbereichs vermieden werden. Bei überbrücktem Transformator bzw. bei überbrückter Transformatoreinrichtung ist die Wechselstromseite des Inverters insbesondere unmittelbar mit der elektrischen Maschine verbunden, so dass die von dem Inverter erzeugte Wechselspannung ohne weitere Stromrichtung und/oder ohne weitere, zwischengeschaltete Verbraucher an der elektrischen Maschine anliegt.According to the invention, it can be provided that the transformer can be bridged via the switching device and/or at least one bridging device that can be switched in particular under load, the AC side of the inverter being connected to the electrical machine when the transformer is bridged is. The entire transformer device, ie the transformer and the switching device, can be bypassed via the bridging device of the electrical circuit arrangement, in particular if the switching device is integrated into the transformer as an on-load tap changer. Bridging advantageously allows losses in the transformer or the transformer device to be avoided when the electrical machine is operated outside the field weakening range. With a bridged transformer or with a bridged transformer device, the AC side of the inverter is in particular directly connected to the electrical machine, so that the AC voltage generated by the inverter is applied to the electrical machine without any further direction of current and/or without other consumers connected in between.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Transformator in Abhängigkeit eines Betriebsmodus der elektrischen Maschine, insbesondere eines gewählten Fahrbetriebsmodus, überbrückbar ist und/oder dass der überbrückte Transformator in Abhängigkeit einer Steuermittelstellung eines der elektrischen Maschine zugeordneten Steuermittels, insbesondere einer Gaspedalstellung, zuschaltbar ist. Bei einem gewählten Fahrbetriebsmodus einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs kann es sich beispielsweise um einen Sportmodus, einen Effizienzmodus oder einen Komfortmodus handeln. Es ist möglich, dass die wählbaren Fahrbetriebsmodi mehrere Sportmodi, mehrere Effizienzmodi und/oder mehrere Komfortmodi mit jeweils unterschiedlichen Betriebscharakteristiken für die elektrische Maschine umfassen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein Zuschalten des Transformators bzw. der Transformatoreinrichtung und somit auch eine Änderung des Transformationsverhältnisses über den Transformator nur erfolgt, wenn ein Sportmodus des Kraftfahrzeugs ausgewählt ist. In anderen Betriebsmodi kann auf eine Änderung des Transformationsverhältnisses verzichtet werden und der Transformator bzw. die Transformatoreinrichtung entsprechend überbrückt werden.According to the invention, it can be provided that the transformer can be bypassed depending on an operating mode of the electric machine, in particular a selected driving mode, and/or that the bypassed transformer can be switched on depending on a control means position of a control means assigned to the electric machine, in particular an accelerator pedal position. A selected driving mode of an electric machine of a motor vehicle can be, for example, a sport mode, an efficiency mode or a comfort mode. It is possible for the selectable driving operating modes to include multiple sport modes, multiple efficiency modes and/or multiple comfort modes, each with different operating characteristics for the electric machine. For example, it can be provided that the transformer or the transformer device is switched on and thus also the transformation ratio is changed via the transformer only when a sport mode of the motor vehicle is selected. In other operating modes, there is no need to change the transformation ratio and the transformer or the transformer device can be bridged accordingly.

Weiterhin ist es möglich, dass eine überbrückter Transformator in Abhängigkeit einer Steuermittelstellung eines der elektrischen Maschine zugeordneten Steuermittels, insbesondere einer Gaspedalstellung, über die Schalteinrichtung und/oder die Überbrückungseinrichtung zuschaltbar ist, also wenn beispielsweise eine bestimmte Steuermittelstellung eines der elektrischen Maschine zugeordneten Steuermittels, wie eine Gaspedalstellung eines Gaspedals, vorliegt. Auf diese Weise kann die drehzahlabhängige Umschaltung des Transformationsverhältnisses zum Beispiel aktiviert werden, wenn eine sehr tiefe Gaspedalstellung, welche auch als Kickdown bezeichnet wird, vorliegt. Durch das Zuschalten des Transformators bzw. der Transformatoreinrichtung und das Ändern des Transformationsverhältnis kann in einem solchen Fall insbesondere bei hohen Drehzahlen ein höheres Drehmoment geliefert werden.It is also possible for a bypassed transformer to be able to be connected via the switching device and/or the bypass device as a function of a central control position of a control means assigned to the electric machine, in particular an accelerator pedal position, i.e. if, for example, a specific central control position of a control means assigned to the electric machine, such as a Accelerator pedal position of an accelerator pedal is present. In this way, the speed-dependent switching of the transformation ratio can be activated, for example, when the accelerator pedal is in a very low position, which is also referred to as kickdown. In such a case, in particular at high speeds, a higher torque can be supplied by connecting the transformer or the transformer device and changing the transformation ratio.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die elektrische Schaltungsanordnung wenigstens eine weitere elektrische Maschine und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der elektrischen Maschine aufweist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, bei einem Überbrücken des Transformators die weitere elektrische Maschine zur Erzeugung eines Ausgleichsmoments anzusteuern, wobei das Ausgleichsmoment von der Steuereinrichtung in Abhängigkeit eines Betriebspunkts der mit dem zu überbrückenden Transformator verbundenen elektrischen Maschine ermittelbar ist.According to the invention, it can be provided that the electrical circuit arrangement has at least one additional electrical machine and a control device for controlling the electrical machine, the control device being set up to control the additional electrical machine to generate a compensating torque when the transformer is bypassed, the compensating torque of can be determined by the control device as a function of an operating point of the electrical machine connected to the transformer to be bridged.

Die Erzeugung des Ausgleichsmoments kann insbesondere dann erfolgen, wenn die Überbrückung der Transformator beziehungsweise die Überbrückung der Transformatoreinrichtung nicht unter Last vorgenommen werden kann. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn als Überbrückungseinrichtung einfache Schalter, welche nicht unter Last schaltbar sind, verwendet werden. Dies erfordert es, dass ein Stromfluss durch die im Motorbetrieb die Last darstellende elektrische Maschine auf null oder zumindest einen sehr geringen Wert gesteuert werden muss, um ein Überbrücken des Transformators zu ermöglichen. Dies bewirkt jedoch auch, dass das von der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment kurzzeitig nicht mehr oder zumindest nicht in der gewünschten Höhe erzeugt wird.The compensating torque can be generated in particular when the bridging of the transformer or the bridging of the transformer device cannot be carried out under load. This can be the case, for example, when simple switches that cannot be switched under load are used as the bridging device. This requires that a current flow through the electric machine, which represents the load during motor operation, has to be controlled to zero or at least to a very low value in order to enable the transformer to be bypassed. However, this also has the effect that the torque generated by the electric machine is briefly no longer generated, or at least not at the desired level.

Durch das Ansteuern einer weiteren elektrischen Maschine der elektrischen Schaltungsanordnung kann ein Ausgleichsmoment erzeugt werden, welches den Drehmomentabfall während des Überbrückens des Transformators reduziert. Das Ausgleichsmoment wird insbesondere so erzeugt, dass die Summe der Drehmomente der elektrischen Maschine und der weiteren elektrischen Maschine der vor dem Überbrücken des Transformators erzeugten Summe der Drehmomente der elektrischen Maschine und der weiteren elektrischen Maschine entspricht. Dies bewirkt beispielsweise, dass keine Rücknahme der Beschleunigung und somit keine Zugunterbrechung auftritt, wenn die elektrische Maschine und die weitere elektrische Maschine jeweils ein Traktionselektromotor eines Kraftfahrzeugs sind. Die Erzeugung des Ausgleichsmoments kann entsprechend auch beim Zuschalten eines überbrückten Transformators vorgenommen werden. Auch das Zuschalten des überbrückten Transformators kann über die Überbrückungseinrichtung erfolgen.By driving a further electrical machine of the electrical circuit arrangement, a compensating torque can be generated, which reduces the torque drop while the transformer is bypassed. The compensating torque is generated in particular in such a way that the sum of the torques of the electrical machine and the further electrical machine corresponds to the sum of the torques of the electrical machine and the further electrical machine generated before the transformer was bypassed. This has the effect, for example, that acceleration is not reduced and therefore no train interruption occurs when the electrical machine and the further electrical machine are each a traction electric motor of a motor vehicle. The compensating torque can also be generated accordingly when a bridged transformer is switched on. The bypassed transformer can also be switched on via the bypass device.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Wechselspannung zwischen dem Inverter und der elektrischen Maschine eine mehrphasige Wechselspannung ist, wobei die Transformatoreinrichtung für jede der Phasen eine unter Last schaltbare Schalteinrichtung umfasst. Die Transformatoreinrichtung kann für jede der Phasen einen Transformator und/oder wenigstens einen mehrphasigen Transformator umfassen, um eine Transformation jeder Phasenspannung vorzunehmen. Die einzelnen Phasenwicklungen eines mehrphasigen Transformators können dabei insbesondere jeweils über einen Laststufenschalter zwischen verschiedenen Transformationsverhältnissen umgeschaltet werden. Die mehrphasige Wechselspannung kann z. B. drei, fünf oder mehr Phasen umfassen. Bei Verwendung einer Überbrückungseinrichtung kann für jede der Phasen eine separate Überbrückungseinrichtung vorgesehen sein, über welche der jeweilig der Phase zugeordnete Transformator beziehungsweise die jeweilig der Phase zugeordnete Anteil eines mehrphasigen Transformators überbrückt werden kann.According to the invention, it can be provided that the AC voltage between the inverter and the electrical machine is a multi-phase AC voltage, with the transformer device comprising a switching device that can be switched under load for each of the phases. The transformer device can comprise a transformer and/or at least one multi-phase transformer for each of the phases in order to transform each phase voltage. The individual phase windings of a polyphase transformer can be switched between different transformation ratios in particular via an on-load tap changer. The polyphase AC voltage can, for. B. include three, five or more phases. If a bridging device is used, a separate bridging device can be provided for each of the phases, via which the transformer assigned to the respective phase or the portion of a polyphase transformer assigned to the respective phase can be bypassed.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Transformator als ein Spartransformator, insbesondere mit wenigstens einem Kern aus metallischem Glas, ausgebildet ist. Durch die Verwendung von einem oder mehreren Spartransformatoren, welche auch als Autotransformatoren bezeichnet werden, in der Transformatoreinrichtung kann eine bauraumsparende Realisierung der Transformatoreinrichtung erreicht werden. Auch das Gewicht der Transformatoreinrichtung kann dadurch vorteilhaft geringgehalten werden. Ferner können durch einen Spartransformator, insbesondere mit einem Kern aus metallischem Glas, hohe Wirkungsgrade von bis zu 99% oder mehr erreicht werden, so dass vorteilhaft ein verlustarmer Betrieb der Transformatoreinrichtung möglich ist. Bei einer mehrphasigen Wechselspannung kann jeder einzelnen Phase ein Spartransformator zugeordnet sein, mittels dem eine Transformation der jeweiligen Phasenspannung möglich ist.In a preferred embodiment of the invention, it can be provided that the transformer is designed as an autotransformer, in particular with at least one core made of metallic glass. By using one or more autotransformers, which are also referred to as autotransformers, in the transformer device, the transformer device can be realized in a space-saving manner. The weight of the transformer device can also be advantageously kept low as a result. Furthermore, high efficiencies of up to 99% or more can be achieved by an autotransformer, in particular with a core made of metallic glass, so that low-loss operation of the transformer device is advantageously possible. In the case of a multi-phase AC voltage, each individual phase can be assigned an autotransformer, by means of which a transformation of the respective phase voltage is possible.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Transformatoreinrichtung eine Kühleinrichtung, insbesondere einen Kühlölkreislauf, umfasst und/oder mit einer Kühleinrichtung verbunden ist. Die Transformatoreinrichtung kann dabei insbesondere eine eigene Kühleinrichtung aufweisen oder sie kann mit einer weiteren Kühleinrichtung wie einem Kühlölkreislauf, beispielsweise einem Kühlölkreislauf der elektrischen Maschine und/oder einem Kühlkreislauf weiterer Komponenten eines Kraftfahrzeugs, verbunden sein. Ein Kühlen des Transformators der Transformatoreinrichtung verringert die für eine vorgegebene Leistung des Transformators benötigte Baugröße und auch das Gewicht des Transformators, was beispielsweise die Anordnung der Transformatoreinrichtung in einem Kraftfahrzeug erleichtert.In a preferred embodiment of the invention, it can be provided that the transformer device includes a cooling device, in particular a cooling oil circuit, and/or is connected to a cooling device. The transformer device can in particular have its own cooling device or it can be connected to a further cooling device such as a cooling oil circuit, for example a cooling oil circuit of the electric machine and/or a cooling circuit of other components of a motor vehicle. Cooling the transformer of the transformer device reduces the structural size required for a given power of the transformer and also the weight of the transformer, which makes it easier to arrange the transformer device in a motor vehicle, for example.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine vier oder mehr Pole aufweist. Insbesondere kann die elektrische Maschine zwischen vier und vierundzwanzig Polen aufweisen. Bevorzugt kann die elektrische Maschine mit vier, sechs, acht, zehn oder zwölf Polen oder Polpaaren realisiert werden. Da bei Maschinen mit einer höheren Anzahl von Polen der Feldschwächbereich bereits bei einer niederen Drehzahl erreicht wird, kann die Transformatoreinrichtung vorteilhaft bei elektrischen Maschinen mit einer höheren Anzahl an Polen beziehungsweise einer höheren Polpaaranzahl eingesetzt werden und für höhere Drehzahlen ein höheres Drehmoment und/oder einen besseren Wirkungsgrad erreichen. Ferner werden elektrische Maschinen mit einer hohen Polpaarzahl für das Erreichen höherer Drehzahlen in der Regel mit einer höherfrequenten Wechselspannung bzw. mit einer höheren Grundfrequenz betrieben, was vorteilhaft auch die Verluste in der Transformatoreinrichtung reduziert.According to the invention it can be provided that the electrical machine has four or more poles. In particular, the electrical machine can have between four and twenty-four poles. The electrical machine can preferably be implemented with four, six, eight, ten or twelve poles or pole pairs. Since the field weakening range is already reached at a low speed in machines with a higher number of poles, the transformer device can be used advantageously in electrical machines with a higher number of poles or a higher number of pole pairs and for higher speeds a higher torque and/or a better torque achieve efficiency. Furthermore, electrical machines with a high number of pole pairs are generally operated with a higher-frequency AC voltage or with a higher fundamental frequency in order to achieve higher speeds, which advantageously also reduces the losses in the transformer device.

Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es wenigstens eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung umfasst.It is provided for a motor vehicle according to the invention that it comprises at least one electrical circuit arrangement according to the invention.

Sämtliche vorangehend in Bezug zur erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und umgekehrt.All the advantages and configurations described above in relation to the electrical circuit arrangement according to the invention apply correspondingly to the motor vehicle according to the invention and vice versa.

Für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Schaltungsanordnung umfassend eine Steuereinrichtung, wenigstens eine elektrische Maschine, einen Inverter und eine zwischen mehreren Transformationsverhältnissen umschaltbare Transformatoreinrichtung ist vorgesehen, dass die Transformatoreinrichtung wenigstens einen Transformator umfasst, welcher zwischen eine Wechselstromseite des Inverters und die elektrische Maschine schaltbar oder geschaltet ist, wobei die Transformatoreinrichtung wenigstens eine unter Last schaltbare Schalteinrichtung aufweist und die Schalteinrichtung von der Steuereinrichtung zum Umschalten des Transformationsverhältnisses der Transformatoreinrichtung angesteuert wird.For a method according to the invention for operating an electrical circuit arrangement comprising a control device, at least one electrical machine, an inverter and a transformer device which can be switched between a plurality of transformation ratios, it is provided that the transformer device comprises at least one transformer which can be switched between an AC side of the inverter and the electrical machine or is connected, the transformer device having at least one switching device that can be switched under load and the switching device being controlled by the control device for switching over the transformation ratio of the transformer device.

Bei dem Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Schaltungsanordnung kann es sich insbesondere um ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Schaltungsanordnung eines Kraftfahrzeugs beziehungsweise um ein Verfahren zum Betrieb eines die elektrische Schaltungsanordnung umfassenden Kraftfahrzeugs handeln.The method for operating an electrical circuit arrangement can in particular be a method for operating an electrical circuit arrangement of a motor vehicle or a method for operating a motor vehicle comprising the electrical circuit arrangement.

Sämtliche Vorteile und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung treffen auch auf das erfindungsgemäße Verfahren zu und umgekehrt. Entsprechend gelten auch die in Bezug zum erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.All the advantages and configurations of the electrical circuit arrangement according to the invention also apply to the method according to the invention and vice versa. Accordingly, the advantages and configurations described in relation to the motor vehicle according to the invention also apply to the method according to the invention and vice versa.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:

  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
  • 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung,
  • 3 eine Detailansicht der Transformatoreinrichtung des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungseinrichtung,
  • 4 eine alternative Ausführung der Transformatoreinrichtung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
  • 5 ein erstes Diagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
  • 6 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Further advantages and details of the invention result from the exemplary embodiments described below and from the drawings. These are schematic representations and show:
  • 1 an embodiment of a motor vehicle according to the invention,
  • 2 an embodiment of an electrical circuit arrangement according to the invention,
  • 3 a detailed view of the transformer device of the exemplary embodiment of the circuit device according to the invention,
  • 4 an alternative embodiment of the transformer device of an embodiment of the circuit arrangement according to the invention,
  • 5 a first diagram to explain an embodiment of a method according to the invention, and
  • 6 another diagram to explain an embodiment of the method according to the invention.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 ist als Personenkraftwagen ausgeführt und umfasst eine elektrische Schaltungsanordnung 2, welche eine elektrische Maschine 3, einen Inverter 4 und eine wenigstens einen Transformator umfassende Transformatoreinrichtung 5 aufweist. Der Inverter 4 ist mit seiner Gleichstromseite mit einem elektrischen Energiespeicher 6 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden. Der elektrische Energiespeicher 6 kann beispielsweise als eine Hochvolt-Batterie des Kraftfahrzeugs 1 ausgebildet sein. Der Inverter 4 wandelt einen dem Energiespeicher 6 entnommenen Gleichstrom in einen Wechselstrom zum Betreiben der elektrischen Maschine 3. Die elektrische Maschine 3 ist als ein Traktionsantrieb des Kraftfahrzeugs 1 ausgebildet und wird in einem Motorbetrieb über einen Wechselstrom, welcher von dem Inverter 4 erzeugt wird, betrieben, beziehungsweise mit einer vom Inverter 4 erzeugten Wechselspannung beaufschlagt.In 1 an exemplary embodiment of a motor vehicle 1 according to the invention is shown. The motor vehicle 1 is designed as a passenger car and comprises an electrical circuit arrangement 2 which has an electrical machine 3, an inverter 4 and a transformer device 5 comprising at least one transformer. The DC side of the inverter 4 is connected to an electrical energy store 6 of the motor vehicle 1 . The electrical energy store 6 can be embodied as a high-voltage battery of the motor vehicle 1, for example. The inverter 4 converts a direct current taken from the energy store 6 into an alternating current for operating the electric machine 3. The electric machine 3 is designed as a traction drive of the motor vehicle 1 and is operated in motor mode via an alternating current which is generated by the inverter 4 , or applied with an AC voltage generated by the inverter 4.

Die Transformatoreinrichtung 5 ist zwischen mehreren Transformationsverhältnissen umschaltbar, so dass die Amplitude der Wechselspannung, welche von dem Inverter 4 an seiner Wechselstromseite erzeugt wird, transformiert werden kann, so dass die Amplitude der Wechselspannung an der elektrischen Maschine 3 eine andere Höhe bzw. einen anderen Betrag aufweist.The transformer device 5 can be switched between several transformation ratios, so that the amplitude of the AC voltage which is generated by the inverter 4 on its AC side can be transformed, so that the amplitude of the AC voltage at the electrical machine 3 has a different level or a different amount having.

Die elektrische Schaltungsanordnung 2 umfasst weiterhin eine Steuereinrichtung 7, welche zur Steuerung des Inverters 4 und der Transformatoreinrichtung 5 eingerichtet ist. Weiterhin dargestellt ist eine Kühleinrichtung 8 des Kraftfahrzeugs 1, welche mit der Transformatoreinrichtung 5 und mit der elektrischen Maschine 3 verbunden ist. Über die Kühleinrichtung 8 kann eine Kühlung des wenigstens einen Transformators 15 der Transformatoreinrichtung 5 erfolgen. Dies ermöglicht vorteilhaft, dass der Transformator und somit die Transformatoreinrichtung 5 für eine vorgegebene Leistung kompakter als ohne Kühlung ausgeführt werden können. Die Kühleinrichtung 8 kann insbesondere als eine aktive Ölkühlung ausgeführt sein und auch die elektrische Maschine 3 kühlen. Alternativ kann die Transformatoreinrichtung eine von weiteren Kühleinrichtungen des Kraftfahrzeugs 1 getrennt ausgebildete Kühleinrichtung umfassen.The electrical circuit arrangement 2 also includes a control device 7 which is set up to control the inverter 4 and the transformer device 5 . Also shown is a cooling device 8 of the motor vehicle 1 which is connected to the transformer device 5 and to the electric machine 3 . The at least one transformer 15 of the transformer device 5 can be cooled via the cooling device 8 . This advantageously allows the transformer and thus the transformer device 5 to be made more compact for a given power than without cooling. The cooling device 8 can be designed in particular as an active oil cooling system and can also cool the electric machine 3 . Alternatively, the transformer device can comprise a cooling device that is configured separately from other cooling devices of motor vehicle 1 .

In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der elektrischen Schaltungsanordnung 2 des Kraftfahrzeugs 1 dargestellt. Der Inverter 4 ist als Brückengleichrichter ausgeführt und erzeugt aus einer Gleichspannung eine n-phasige Wechselspannung. Für jede der n-Phasen der zu erzeugenden Wechselspannung umfasst der Inverter 4 ein als Halbbrücke ausgeführtes Leistungsmodul 9, wobei die Leistungsmodule 9 jeweils zwei Schaltelemente umfassen, welche die Halbbrücke bilden. An der Gleichstromseite des Inverters 9 sind weiterhin eine Entladeschaltung 10, ein Zwischenkreiskondensator 11 sowie eine Filtereinrichtung 12 angeordnet. Die Batterie 6 ist mit dem Inverter 4 über eine weitere Filtereinrichtung 13 verbunden, wobei zwischen den Filtereinrichtungen 12 und 13 ein Stromsensor 14 angeordnet ist.In 2 an exemplary embodiment of the electrical circuit arrangement 2 of the motor vehicle 1 is shown. The inverter 4 is designed as a bridge rectifier and generates an n-phase AC voltage from a DC voltage. For each of the n-phases of the AC voltage to be generated, the inverter 4 includes a power module 9 designed as a half-bridge, with the power modules 9 each including two switching elements which form the half-bridge. On the DC side of the inverter 9, a discharge circuit 10, an intermediate circuit capacitor 11 and a filter device 12 are also arranged. The battery 6 is connected to the inverter 4 via a further filter device 13 , a current sensor 14 being arranged between the filter devices 12 and 13 .

Der Inverter 4 erzeugt aus einem Gleichstrom, welcher dem Energiespeicher 6 entnommen wird, einen n-phasigen Wechselstrom bzw. eine n-phasige Wechselspannung. Die jeweiligen einzelnen Phasenspannungen Up,1 bis Up,n werden an den Brückenpunkten der Halbbrücken der Leistungsmodule 9 abgegriffen. Die Wechselspannungen Up,1 bis Up,n liegen entweder direkt an den jeweiligen Phasenwicklungen 16 der elektrischen Maschine 3 oder als Primärspannungen an der Transformatoreinrichtung 5 an.The inverter 4 generates an n-phase alternating current or an n-phase alternating voltage from a direct current which is taken from the energy store 6 . The respective individual phase voltages U p,1 to U p,n are tapped off at the bridge points of the half bridges of the power modules 9 . The AC voltages U p,1 to U p,n are applied either directly to the respective phase windings 16 of the electrical machine 3 or as primary voltages to the transformer device 5 .

In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Transformatoreinrichtung 5 für jede der n-Phasen einen Transformator 15, wobei jeweils eine der vom Inverter erzeugten Phasenspannungen Up,1 bis Up,n als eine Primärspannung an der Primärseite eines der Transformatoren 15 anliegen kann. Die Sekundärseiten der Transformatoren 15, an denen die Spannungen Us,1 bis Us,n erzeugt werden, sind jeweils mit einer der Phasenwicklungen 16 der elektrischen Maschine 3 verbindbar.In this exemplary embodiment, the transformer device 5 includes a transformer 15 for each of the n-phases, one of the phase voltages U p,1 to U p,n generated by the inverter being able to be present as a primary voltage on the primary side of one of the transformers 15 . The secondary sides of the transformers 15 at which the voltages U s,1 to U s,n are generated can each be connected to one of the phase windings 16 of the electrical machine 3 .

Die elektrische Schaltungsanordnung 2 umfasst weiterhin für jede der n-Phasen eine Überbrückungseinrichtung 17, welche jeweils zwei Schaltelemente 18, 19 aufweist. Die Schaltelemente 18, 19 können als unter Last schaltbare Lastschalter ausgeführt sein. Über die Überbrückungseinrichtungen 17 kann jeweils der Transformator 15 einer der Phasen überbrückt oder zugeschaltet werden, so dass an der entsprechenden Phasenwicklung 16 der elektrischen Maschine 3 entweder die Phasenspannung Up,i. oder die Sekundärspannung Us,i des Transformators 15 anliegt. Bei Zuschalten des jeweiligen Transformators 15 der Transformatoreinrichtung 5 entspricht die jeweilige Phasenspannung Us,i an der elektrischen Maschine 3 der über das Transformationsverhältnis des Transformators 15 transformierten Ausgangsspannung Up,i des Inverters 4. Die Transformatoreinrichtung 5 beziehungsweise die einzelnen Transformatoren 15 der Transformatoreinrichtung 5 können zwischen verschiedenen Transformationsverhältnissen umgeschaltet werden, so dass auch bei konstanter Phasenspannung Up,i des Inverters 4 unterschiedlich hohe Spannungen Us,i erzeugt werden können.The electrical circuit arrangement 2 also includes a bridging device 17 for each of the n-phases, which has two switching elements 18, 19 in each case. The switching elements 18, 19 can be designed as load switches that can be switched under load. The transformer 15 of one of the phases can be bridged or switched on via the bridging devices 17, so that either the phase voltage U p,i . or the secondary voltage U s,i of the transformer 15 is applied. When the respective transformer 15 of the transformer device 5 is switched on, the respective phase voltage U s,i on the electrical machine 3 corresponds to the output voltage U p,i of the inverter 4 transformed via the transformation ratio of the transformer 15. The transformer device 5 or the individual transformers 15 of the transformer device 5 can be switched between different transformation ratios, so that even with a constant phase voltage U p,i of the inverter 4 different voltages U s,i can be generated.

Die elektrische Maschine 3 kann insbesondere vier oder mehr Pole aufweisen. Insbesondere bei elektrischen Maschinen 3 mit vielen Polen kann die Erhöhung der Ausgangsspannung des Wechselrichters im Motorbetrieb bei höheren Drehzahlen der elektrischen Maschine 3 vorteilhaft eingesetzt werden. Auch in einem Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 3 kann die Transformatoreinrichtung 7 eingesetzt werden. Entsprechend dem Generatorbetrieb umgekehrten Leistungsfluss ändern sich auch die Primärseite beziehungsweise die Sekundärseite des Transformators 15. Vorliegend wird nur der Motorbetrieb beschrieben und die Bezeichnungen entsprechend des Leistungsflusses bei Motorbetrieb verwendet. Gleichwohl kann die Schaltung beziehungsweise das Verfahren in analoger Weise auch bei einem Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 3 eingesetzt werden.The electric machine 3 can in particular have four or more poles. In particular in the case of electrical machines 3 with many poles, the increase in the output voltage of the inverter during motor operation can be used advantageously at higher speeds of the electrical machine 3 . The transformer device 7 can also be used when the electric machine 3 is operated as a generator. The primary side or the secondary side of the transformer 15 also change in accordance with the reverse power flow in generator operation. Only motor operation is described here and the designations used correspond to the power flow in motor operation. Nevertheless, the circuit or the method can also be used in an analogous manner when the electrical machine 3 is operated as a generator.

In 3 ist eine Detailansicht einer Phase der Transformatoreinrichtung 5 dargestellt. Der einzelnen Phase zugeordnet ist der Transformator 15 sowie eine unter Last schaltbare Schalteinrichtung 20, über welche das Transformationsverhältnis des Transformators 15 umschaltbar ist. Ein vergleichbarer Aufbau wird insbesondere auch für jede weitere Phase der Transformatoreinrichtung 5 verwendet.In 3 a detailed view of one phase of the transformer device 5 is shown. Associated with the individual phase is the transformer 15 and a switching device 20 which can be switched under load and via which the transformation ratio of the transformer 15 can be switched. A comparable structure is also used in particular for each additional phase of the transformer device 5 .

Die Schalteinrichtung 20 ist als ein Laststufenschalter des Transformators 15 ausgeführt und umfasst einen Lastschalter 21 mit zwei Widerständen R1 und R2. Die beiden Seiten 22, 23 des Lastschalters 21 sind jeweils über vier Wahlschalter S1 bis S8 mit unterschiedlichen Wicklungsabgriffen 24 des Transformators 15 verbunden. Die Schalteinrichtung 20 kann mit dem Transformator 15 als eine Baueinheit ausgeführt sein und/der in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem Transformator 15 angeordnet sein. Der Lastschalter 21 kann durch die Steuereinrichtung 7 geschaltet werden.The switching device 20 is designed as an on-load tap changer of the transformer 15 and includes a load switch 21 with two resistors R 1 and R 2 . The two sides 22, 23 of the load switch 21 are each connected to different winding taps 24 of the transformer 15 via four selector switches S 1 to S 8 . The switching device 20 can be designed as a structural unit with the transformer 15 and/or can be arranged in a common housing with the transformer 15 . The load switch 21 can be switched by the control device 7 .

Es ist möglich, dass die Schalteinrichtung 20 derart ausgeführt ist, dass über sie auch ein Überbrücken des Transformators 5 möglich ist, beispielsweise wenn der Lastschalter zu einer weiteren Seite 30 schaltbar ist. Die weitere Seite 30 kann dabei beispielsweise über einen Widerstand R3 mit der ersten Seite 22 verbunden sein (in 2 gestrichelt dargestellt). In diesem Fall kann auf die Schalter 18, 19 der Überbrückungseinrichtung 17 verzichtet werden.It is possible for the switching device 20 to be designed in such a way that it can also be used to bridge the transformer 5 , for example if the load switch can be switched to another side 30 . The other side 30 can be connected to the first side 22 via a resistor R 3 (in 2 shown dashed). In this case, the switches 18, 19 of the bridging device 17 can be dispensed with.

Über die unter Last schaltbare Schalteinrichtung 20 kann weiterhin ein Umschalten der Transformationsverhältnisse des Transformators 15 erfolgen. Im vorliegenden Beispiel ist der Wahlschalter S7 geschlossen, so dass an die an der Primärseite 25 anliegende Spannung Up,i zu der Spannung Us,i,7 an der Sekundärseite 26 des Transformators 15 transformiert wird. Zum Umschalten auf das nächst höhere Transformationsverhältnis, bei dem die Spannung Us,i,8 an der Sekundärseite 26 anliegt, kann zunächst der Wahlschalter S8, welcher keine Leistung führt, geschlossen werden. Anschließend kann der Lastschalter 20 über die Widerstände R1 und R2 von der ersten Seite 22 auf die zweite Seite 23 geschaltet werden, wonach der dann lastfreie Wahlschalter S7 geöffnet werden kann. Entsprechend kann auch zwischen anderen Transformationsverhältnissen umgeschaltet werden. Es ist möglich, dass statt der Widerstände R1, R2 und/oder R3 auch Induktivitäten verwendet werden.Furthermore, the transformation ratios of the transformer 15 can be switched over via the switching device 20 which can be switched under load. In the present example, selector switch S 7 is closed, so that voltage U p,i present on primary side 25 is transformed to voltage U s,i,7 on secondary side 26 of transformer 15 . In order to switch over to the next higher transformation ratio, at which the voltage U s,i,8 is present at the secondary side 26, the selector switch S 8 , which has no power, can first be closed. The load switch 20 can then be switched from the first side 22 to the second side 23 via the resistors R 1 and R 2 , after which the then load-free selector switch S 7 can be opened. Correspondingly, it is also possible to switch between other transformation ratios. It is possible that instead of the resistors R 1 , R 2 and/or R 3 , inductors can also be used.

Die Schalteinrichtung 20 ermöglicht ein Umschalten des Transformationsverhältnisses des Transformators 15 unter Last. Bei einer elektrischen Maschine 3, welche als Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs 1 eingesetzt wird, wird somit ein Umschalten des Transformationsverhältnisses der Transformatoreinrichtung 5 bzw. ihrer Transformatoren 15 während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs 1 ermöglicht, ohne dass merkbare Drehmomentschwankungen und/oder eine Zugkraft- bzw. Beschleunigungsunterbrechung bei der Fahrt des Kraftfahrzeugs 1 auftreten.The switching device 20 enables the transformation ratio of the transformer 15 to be switched over under load. In an electric machine 3, which is used as a traction motor of the motor vehicle 1, it is thus possible to switch the transformation ratio of the transformer device 5 or its transformers 15 while the motor vehicle 1 is being driven, without noticeable torque fluctuations and/or an interruption in traction or acceleration occur when driving the motor vehicle 1.

Die an der Primärseite anliegende Spannung Up,i wird in eine Sekundärspannung Us,i,x transformiert. Dabei kann der Laststufenschalter 20 zwischen mehreren Wicklungsabgriffen 24 des Transformators 15 umschalten, wobei über jeden der x Wicklungsabgriffe 24 eine Sekundärspannung Us,i,x abgegriffen werden kann. Vorliegend sind acht Wicklungsabgriffe 24 vorgesehen, über die acht verschiedene Spannungen Us,i,1 bis Us,i,8 durch die als Laststufenschalter ausgebildete Schalteinrichtung 20 an die Sekundärseite des Transformators 15 schaltbar sind.The voltage U p,i applied to the primary side is transformed into a secondary voltage U s,i,x . The on-load tap changer 20 can switch over between a plurality of winding taps 24 of the transformer 15, it being possible for a secondary voltage U s,i,x to be tapped via each of the x winding taps 24. In the present case, eight winding taps 24 are provided, via which eight different voltages U s,i,1 to U s,i,8 can be switched to the secondary side of the transformer 15 by the switching device 20 designed as an on-load tap changer.

Folglich weist die Transformatoreinrichtung 5 für die dargestellte Phase acht unterschiedliche Transformationsverhältnisse auf. Die Transformationsverhältnisse tx = Us,i,x / Up,i sind dabei jeweils derart, dass die an der elektrischen Maschine anliegenden Wechselspannungen Us,i,x größer als die Wechselspannung Up,i an der Wechselstromseite des Inverters 4 sind. Beispielsweise können die folgenden Transformationsverhältnisse verwendet werden: t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 1,25 1,5 1,75 2,0 2,25 2,5 2,75 3,0
Entsprechen betragen die von der Transformatoreinrichtung 15 erzeugbaren Sekundärspannungen Us,i,x zwischen 125% und 300% der Primärspannung bzw. der Ausgangsphasenspannung Up,i des Inverters 4. Neben einem Umschalten von acht verschiedenen Transformationsverhältnissen bzw. Stufen pro Transformator 15 kann auch ein Umschalten zwischen einer anderen Anzahl von Stufen, insbesondere zwischen zwei und zehn verschiedenen Stufen beziehungsweise Transformationsverhältnissen, erfolgen.Consequently, the transformer device 5 has eight different transformation ratios for the phase shown. The transformation ratios t x =U s,i,x / U p,i are in each case such that the AC voltages U s,i,x applied to the electrical machine are greater than the AC voltage U p,i on the AC side of the inverter 4 . For example, the following transformation ratios can be used: t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 1.25 1.5 1.75 2.0 2.25 2.5 2.75 3.0
Correspondingly, the secondary voltages U s,i,x that can be generated by the transformer device 15 are between 125% and 300% of the primary voltage or the output phase voltage U p,i of the inverter 4. In addition to switching eight different transformation ratios or stages per transformer 15, switching between a different number of stages, in particular between two and ten different stages or transformation ratios, can take place.

Der Transformator 15 ist vorliegend als ein Spartransformator ausgeführt, was eine besonders kleinbauende, leichte und kostengünstige Ausführung der Transformatoreinrichtung 5 ermöglicht. Der Transformator 15 kann insbesondere einen Kern aus einem metallischen Glas aufweisen, der vorteilhaft einen hohen Wirkungsgrad des Transformators 15 und somit einen verlustarmen Betrieb ermöglicht.In the present case, the transformer 15 is designed as an autotransformer, which enables the transformer device 5 to be designed in a particularly compact, lightweight and cost-effective manner. The transformer 15 can in particular have a core made of a metallic glass, which advantageously enables a high degree of efficiency of the transformer 15 and thus low-loss operation.

Die Transformatoreinrichtung 5 kann für jede der n Phasen einen eigenen, insbesondere als Spartransformator ausgeführten Transformator 15 umfassen. Alternativ ist es möglich, dass über die Schalteinrichtung 20 zwischen mehreren Transformatoren 15 umgeschaltet wird, wobei jeder der Transformatoren ein festgelegtes Transformationsverhältnis hat. Weiterhin kann auch ein mehrphasiger Transformator 15 verwendet werden, welcher eine Transformation der n Phasen ermöglicht.The transformer device 5 can have its own transformer 15, designed in particular as an autotransformer, for each of the n phases. Alternatively, it is possible to switch between a plurality of transformers 15 via the switching device 20, with each of the transformers having a fixed transformation ratio. Furthermore, a polyphase transformer 15 can also be used, which enables a transformation of the n phases.

In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Transformatoreinrichtung 5 dargestellt. Diese umfasst einen mehrphasigen, vorliegend einen fünfphasigen, Transformator 15. Jede der Phasen 27 des Transformators 15 ist als ein Spartransformator ausgeführt, über welchen ausgehend von der an der jeweiligen Primärseite 28 der Phase 27 anliegenden Spannungen Up,i die entsprechenden Sekundärspannungen Us,1,x bis Us,5,x erzeugt werden können. Für jede der Phasen ist eine als Lastumschalter ausgebildete Schalteinrichtung 20 vorgesehen, über die verschiedene Wicklungsabgriffe 24 der jeweiligen Phase 27 des Transformators 15 mit dem sekundärseitigen Ausgang 29 der jeweiligen Phase 27 verbunden werden können. An den Phasenwicklungen 16 der elektrischen Maschine 3 können so abhängig von den Schaltstellung der als Lastumschalter ausgebildeten Schalteinrichtungen 20 unterschiedliche Sekundärspannung Us,i,x erzeugt werden.In 4 a further exemplary embodiment of a transformer device 5 is shown. This comprises a multi-phase, in this case a five-phase, transformer 15. Each of the phases 27 of the transformer 15 is designed as an autotransformer, via which the corresponding secondary voltages U s , 1,x to U s,5,x can be generated. A switching device 20 designed as a load changeover switch is provided for each of the phases, via which various winding taps 24 of the respective phase 27 of the transformer 15 can be connected to the secondary-side output 29 of the respective phase 27 . Different secondary voltages U s,i,x can thus be generated at the phase windings 16 of the electrical machine 3 as a function of the switching position of the switching devices 20 designed as diverter switches.

Die Verwendung eines mehrphasigen Transformators hat gegenüber der Verwendung von einzelnen Transformatoren den Vorteil, dass ein geringerer Bauraum im Kraftfahrzeug 1 beansprucht wird. Weiterhin kann eine Reduktion des Gewichts der Transformatoreinrichtung 5 erreicht werden. Neben einem Umschalten von acht verschiedenen Stufen pro Phase des Transformators 15 kann auch ein Umschalten zwischen einer anderen Anzahl von Stufen, insbesondere zwischen zwei und zehn verschiedenen Stufen beziehungsweise Transformationsverhältnissen erfolgen. Insbesondere werden bei einer mehrphasigen Wechselspannung alle Phasen mit einem gleichen Transformationsverhältnis transformiert oder es werden alle Phasen mit überbrückter Transformatoreinrichtung 5 betrieben.The use of a multi-phase transformer has the advantage over the use of individual transformers that less installation space is required in motor vehicle 1 . Furthermore, a reduction in the weight of the transformer device 5 can be achieved. In addition to switching eight different stages per phase of the transformer 15 can also be switched between a different number of stages, in particular between two and ten different stages or transformation ratios. In particular, in the case of a multi-phase AC voltage, all phases are transformed with the same transformation ratio, or all phases are operated with a bridged transformer device 5 .

Bei überbrückter Transformatoreinrichtung 5 entspricht die an den Phasenwicklungen 16 der elektrischen Maschine 3 abfallende Spannung jeweils der vom Wechselrichter erzeugten Spannung Up,n, da keine Transformation über die Transformatorvorrichtung 5 stattfindet. Das Überbrücken der Transformatoreinrichtung 15 ermöglicht daher einen 1:1-Übertrag der vom Wechselrichter erzeugten Spannung an die Phase der elektrischen Maschine 3. Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein 1:1 -Übertrag auch durch ein Transformationsverhältnis von eins bzw. von 100% der Transformatoreinrichtung 5 erreicht werden. Dies ermöglicht es, dass statt einer Überbrückung auch ein Betrieb der elektrischen Maschine 3 über die Transformatoreinrichtung 5 ohne Spannungstransformation erfolgen kann. Es ist möglich, dass ein Überbrücken der einzelnen Phasen 27 auch über die Schalteinrichtung 20 erfolgen kann, so wie es in Bezug zu 3 beschrieben wurde.When the transformer device 5 is bypassed, the voltage drop across the phase windings 16 of the electrical machine 3 corresponds to the voltage U p,n generated by the inverter, since no transformation takes place via the transformer device 5 . The bridging of the transformer device 15 therefore enables a 1:1 transfer of the voltage generated by the inverter to the phase of the electrical machine 3. Additionally or alternatively, a 1:1 transfer can also be achieved by a transformation ratio of one or 100% of the transformer device 5 can be reached. This makes it possible that, instead of bridging, the electrical machine 3 can also be operated via the transformer device 5 without voltage transformation. It is possible that the individual phases 27 can also be bridged via the switching device 20, as is the case in relation to FIG 3 was described.

Das über den oder die unter Last schaltbaren Schalteinrichtungen 20 jeweils einstellbare Transformationsverhältnis ermöglicht, dass die an der elektrischen Maschine 3 anliegende Wechselspannung gleich oder größer als die Ausgangsspannung des Inverters 4 bzw. die Spannung des Energiespeichers 6 ist. Auf diese Weise kann bei einer Drehzahl der elektrischen Maschine 3, welche einen Feldschwächbetrieb der elektrischen Maschine 3 bedingt, durch ein Anheben der Statorspannung der elektrischen Maschine 3 der Drehmomentabfall zumindest teilweise kompensiert werden. Die Änderung des Transformationsverhältnisses bewirkt, dass die elektrische Maschine eine veränderte Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie aufweist.The adjustable transformation ratio via the switching device(s) 20 that can be switched under load makes it possible for the AC voltage applied to the electrical machine 3 to be equal to or greater than the output voltage of the inverter 4 or the voltage of the energy storage device 6 . In this way, the torque drop can be at least partially compensated for by increasing the stator voltage of the electric machine 3 at a speed of the electric machine 3 which causes a field weakening operation of the electric machine 3 . The change in the transformation ratio causes the electric machine to have a changed torque-speed characteristic.

In 5 ist ein erstes Diagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Dabei ist auf der Ordinate das Drehmoment der elektrischen Maschine 3 aufgetragen und auf der Abszisse die Drehzahl n der elektrischen Maschine 3. Weiterhin dargestellt sind als gestrichelte Linien die jeweiligen Verläufe des Drehmoments N über der Drehzahl n für die verschiedenen Stufen beziehungsweise Sekundärspannungen Us,i,1 bis Us,i,8 der Transformatoreinrichtung 5. Außerdem sind weiterhin verschiedene Bereiche 22 dargestellt, in denen ein hoher Wirkungsgrad, beispielsweise ein Wirkungsgrad 97% oder darüber, der elektrischen Maschine 3 im Motorbetrieb vorliegt. Für alle Phasen einer mehrphasigen Wechselspannung werden dabei die gleichen Transformationsverhältnisse bzw. Sekundärspannungen mit gleicher Amplitude verwendet.In 5 a first diagram is described to explain an exemplary embodiment of a method according to the invention. The torque of the electrical machine 3 is plotted on the ordinate and the speed n of the electrical machine 3 is plotted on the abscissa. The respective curves of the torque N over the speed n for the various stages or secondary voltages U s,i are also shown as dashed lines ,1 to U s,i,8 of the transformer device 5. Various areas 22 are also shown in which the electrical machine 3 has a high degree of efficiency, for example an efficiency of 97% or more, in motor operation. The same transformation ratios or secondary voltages with the same amplitude are used for all phases of a polyphase AC voltage.

In einem Drehzahlbereich unter der Nenndrehzahl n0 der elektrischen Maschine 3 bei der von dem Inverter erzeugten Wechselspannung Up,i wird die elektrische Maschine 3 bevorzugt mit überbrückter Transformatoreinrichtung 5 bzw. mit überbrücktem Transformator 5 oder mit überbrückten Transformatoren 5 betrieben. Bei Drehzahlen, welche über der Nenndrehzahl n0 liegen, kann durch ein Zuschalten der überbrückten Transformatoreinrichtung 5 bzw. des überbrückten Transformators 5 oder der überbrückten Transformatoren 5 ein höheres Drehmoment und/oder ein besserer Wirkungsgrad erreicht werden.In a speed range below the nominal speed n 0 of the electrical machine 3 with the AC voltage U p,i generated by the inverter, the electrical machine 3 is preferably operated with a bridged transformer device 5 or with a bridged transformer 5 or with bridged transformers 5 . At speeds which are above the rated speed n 0 , a higher torque and/or better efficiency can be achieved by connecting the bridged transformer device 5 or the bridged transformer 5 or the bridged transformers 5 .

Die Steuereinrichtung 7 des Kraftfahrzeugs 1 ist dazu eingerichtet, die Schalteinrichtungen 20 zur Änderung des Transformationsverhältnis der Transformatoreinrichtung 5 anzusteuern und somit das Verhältnis zwischen der Wechselspannung an der elektrischen Maschine 3 und der Wechselspannung an dem Inverter 4 zu erhöhen, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine wenigstens einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Die Grenzwerte sind auf der Abszisse als nth,1 bis nth,8 bezeichnet. Die dargestellten Grenzwerte sind schematisch und können auch an anderen Positionen auf der Drehzahlachse n liegen.The control device 7 of the motor vehicle 1 is set up to control the switching devices 20 to change the transformation ratio of the transformer device 5 and thus to increase the ratio between the AC voltage at the electric machine 3 and the AC voltage at the inverter 4 when the speed of the electric machine is at least exceeds a specified limit. The limit values are denoted on the abscissa as n th,1 to n th,8 . The limit values shown are schematic and can also be at other positions on the speed axis n.

Beispielsweise kann bei Erreichen des Grenzwerts nth,1 ein Zuschalten der Transformatoreinrichtung 5 über die Überbrückungseinrichtung 17 erfolgen, wenn sich die Transformatoreinrichtung 5 im überbrückten Zustand befindet. Die Transformatoreinrichtung 5 kann beim Zuschalten das kleinste Transformationsverhältnis aufweisen. Anschließend kann beim Erreichen des zweiten Grenzwerts nth,2 ein Umschalten des Transformationsverhältnisses zu dem nächstgrößeren Transformationsverhältnis erfolgen. Die weiteren Transformationsverhältnisse bzw. Stufen der Transformatoreinrichtung können dann entsprechend in aufsteigender Reihenfolge beim Erreichen der weiteren Grenzwerte nth,3 bis nth,8 eingestellt werden. Durch das Umschalten des Transformationsverhältnisses, also durch das Erzeugen von größeren Phasenspannungen Us,i,x an der Phase der elektrischen Maschine 3, kann bei oder nach dem Eintreten in den Feldschwächbereich der elektrischen Maschine 3 ein höheres Drehmoment erzeugt werden.For example, when the limit value n th,1 is reached, the transformer device 5 can be switched on via the bypass device 17 if the transformer device 5 is in the bypassed state. The transformer device 5 can have the smallest transformation ratio when switched on. Then, when the second limit value n th,2 is reached, the transformation ratio can be switched over to the next larger transformation ratio. The further transformation ratios or stages of the transformer device can then be set accordingly in ascending order when the further limit values n th,3 to n th,8 are reached. By switching the transformation ratio, ie by generating larger phase voltages U s,i,x at the phase of the electrical machine 3, a higher torque can be generated when or after entering the field weakening range of the electrical machine 3.

Die Steuereinrichtung 7 ist weiterhin dazu eingerichtet, das Transformationsverhältnis zu verringern, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine 3 einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Dazu können dieselben Grenzwerte als nth,1 bis nth,8 wie für das Erhöhen des Transformationsverhältnisses verwendet werden. Alternativ können auch andere Grenzwerte verwendet werden. Bei einem Abfallen der Drehzahl der elektrischen Maschine 3 wird folglich durch die Steuereinrichtung 7 eine Reduktion des Transformationsverhältnisses vorgenommen, um den effizienten Betrieb der elektrischen Maschine 3 auch bei abnehmenden Drehzahlen zu ermöglichen.The control device 7 is also set up to reduce the transformation ratio when the speed of the electrical machine 3 falls below a predefined limit value. To do this, the same limit values as n th,1 to n th,8 can be used as for increasing the transformation ratio. Alternatively, other limit values can also be used. If the speed of the electric machine 3 drops, the control device 7 consequently reduces the transformation ratio in order to enable the efficient operation of the electric machine 3 even at falling speeds.

Das Überbrücken bzw. das Zuschalten der Transformatoreinrichtung 5 kann dabei in Abhängigkeit eines Betriebsmodus der elektrischen Maschine 3 erfolgen. Bei dem Betriebsmodus kann es sich z. B. um einen Fahrbetriebsmodus des Kraftfahrzeugs 1, beispielsweise einem Sportbetriebsmodus, einen Komfortbetriebsmodus oder einen Effizienzbetriebsmodus, handeln. Dabei kann ein Zuschalten der Transformatoreinrichtung 5 zum Beispiel erfolgen, wenn ein Sportmodus gewählt wird. Zusätzlich oder alternativ dazu ist es auch möglich, dass die Lage der Grenzwerte nth.i jeweils in Abhängigkeit des Betriebsmodus der elektrischen Maschine 3 beziehungsweise des Fahrbetriebsmodus des Kraftfahrzeugs 1 gewählt wird.The bridging or connection of the transformer device 5 can take place as a function of an operating mode of the electrical machine 3 . The operating mode can be z. B. a driving mode of the motor vehicle 1, such as a sports mode, a comfort mode or an efficiency mode act. In this case, the transformer device 5 can be switched on, for example, when a sport mode is selected. In addition or as an alternative to this, it is also possible for the position of the limit values n th.i to be selected in each case as a function of the operating mode of the electric machine 3 or the driving mode of the motor vehicle 1 .

Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Überbrücken der Transformationseinrichtung 5 bzw. des Transformators 15 oder der Transformatoren 15 auch in Abhängigkeit einer Steuermittelstellung eines der elektrischen Maschine 3 zugeordneten Steuermittels, wie einer Gaspedalstellung eines Gaspedals des Kraftfahrzeugs 1 erfolgen. Dies ermöglicht es, dass beispielsweise bei einem Kickdown die drehzahlabhängige Umschaltung des Transformationsverhältnisses aktiviert wird bzw. dass die überbrückte Transformatoreinrichtung 5 durch die Überbrückungseinrichtung 17 zugeschaltet wird.In addition or as an alternative to this, the bridging of the transformation device 5 or the transformer 15 or the transformers 15 can also take place as a function of a control center position of a control means assigned to the electric machine 3 , such as an accelerator pedal position of an accelerator pedal of the motor vehicle 1 . This makes it possible, for example, for a kickdown to activate the speed-dependent changeover of the transformation ratio or for the bypassed transformer device 5 to be switched on by the bypass device 17 .

Das Überbrücken der Transformatoreinrichtung 5 kann über die Überbrückungseinrichtung 17 erfolgen. Alternativ dazu ist auch ein Überbrücken der Transformatoren 5 bzw. der jeweiligen Phasen 27 eines mehrphasigen Transformators jeweils durch die Schalteinrichtung 20 möglich, so wie es in Bezug zu 3 beschrieben wurde. Die Überbrückungsschaltung 17 kann als Schaltelemente 18, 19 zum Beispiel unter Last schaltbare Lastschalter umfassen. Es ist auch möglich, dass die Schalter 18, 19 als nicht unter Last schaltbare Schaltelemente ausgeführt sind. Dabei kann während des Betriebs der elektrischen Maschine 3 ein Schalten der Schaltelemente 18, 19 insbesondere dann vorgenommen werden, wenn sich der jeweilige Phasenstrom der Phase 27 gerade in einem Nulldurchgang befindet.The bridging of the transformer device 5 can take place via the bridging device 17 . As an alternative to this, it is also possible to bridge the transformers 5 or the respective phases 27 of a multi-phase transformer using the switching device 20, as is the case in relation to FIG 3 was described. The bridging circuit 17 can, for example, include load switches as switching elements 18, 19 that can be switched under load. It is also possible for the switches 18, 19 to be designed as switching elements that cannot be switched under load. During the operation of the electrical machine 3, the switching elements 18, 19 can be switched in particular when the respective phase current of the phase 27 is just at a zero crossing.

Alternativ ist es möglich, dass bei einem Kraftfahrzeug 1, welches eine weitere elektrische Maschine 31 (in 1 gestrichelt dargestellt) als Traktionsmotor umfasst, das Drehmoment der weiteren Maschine 31 Maschine übergangsweise erhöht wird, damit die Summe der Drehmoment beim Umschalten einer oder mehrerer Phasen der elektrischen Maschine 3 gleichbleibt. Dadurch kann das Auftreten einer Beschleunigung oder einer Zugunterbrechung verhindert werden.Alternatively, it is possible that in a motor vehicle 1, which has a further electrical machine 31 (in 1 shown in dashed lines) as a traction motor, the torque of the additional machine 31 machine is temporarily increased so that the sum of the torques when switching one or more phases of the electric machine 3 remains the same. Thereby, occurrence of acceleration or train breakage can be prevented.

Die Steuereinrichtung 7 der elektrische Schaltungsanordnung 2 kann dazu die wenigstens eine weitere Maschine 31 ansteuern, so dass bei einem Überbrücken des Transformators 15 oder der Transformatoren 15 bzw. der Transformatoreinrichtung 5 und/oder dem Zuschalten eines überbrückten Transformators 15 bzw. einer überbrückten Transformatoreinrichtung 5 die weitere elektrische Maschine 31 ein Ausgleichsmoment erzeugt, welches das von der mit dem überbrückten Transformator 15 verbundenen elektrischen Maschine 3 kurzzeitig nicht erzeugbare Drehmoment ausgleicht. Die Höhe des Ausgleichsmoments kann dabei in Abhängigkeit eines Betriebspunkts der mit dem überbrückten Transformator 15 verbundenen elektrischen Maschine 3 kurz vor dem Überbrücken bzw. dem Zuschalten ermittelt werden.For this purpose, the control device 7 of the electrical circuit arrangement 2 can control the at least one additional machine 31, so that when the transformer 15 or the transformers 15 or the transformer device 5 is bypassed and/or a bypassed transformer 15 or a bypassed transformer device 5 is switched on, the further electrical machine 31 generates a compensating torque, which compensates for the torque that cannot be generated briefly by the electrical machine 3 connected to the bypassed transformer 15 . The level of the compensating torque can be determined as a function of an operating point of the electrical machine 3 connected to the bridged transformer 15 shortly before bridging or switching on.

In 6 ist der Drehmomentverlauf der elektrischen Maschine 3 sowie der Drehmomentverlauf einer weiteren elektrischen Maschine 31 dargestellt. Der Verlauf des Drehmoments der elektrischen Maschine 3 ist dabei in der Kurve 32 dargestellt und der Verlauf des Drehmoments der weiteren elektrischen Maschine 31 entsprechend in Kurve 33. Auch der Verlauf des Motorstroms in einer Phasenwicklung 16, welche durch die Überbrückungsschaltung 17 geschaltet wird, entspricht grundsätzlich dem Verlauf des dargestellten Drehmoments.In 6 the torque curve of the electric machine 3 and the torque curve of a further electric machine 31 are shown. The course of the torque of the electrical machine 3 is shown in curve 32 and the course of the torque of the other electrical machine 31 correspondingly in curve 33. The course of the motor current in a phase winding 16, which is switched by the bypass circuit 17, is basically the same the curve of the torque shown.

Für das Überbrücken der Transformatoreinrichtung 5 über eine nicht unter Last schaltbare Überbrückungseinrichtung 17 wird das Drehmoment der elektrischen Maschine 3 auf null oder zumindest auf einen sehr geringen Wert gesteuert. Dazu kann die Steuereinrichtung 7 den Inverter 4 entsprechend ansteuern. Auch der Strom in der elektrischen Maschine wird dabei auf null oder einen sehr geringen Wert eingestellt. Das weitere Umschalten der Transformationsverhältnisse der Transformatoreinrichtung kann anschließend durch die Ansteuerung der Schalteinrichtung 20 durch die Steuereinrichtung 7 unter Last erfolgen.For bridging the transformer device 5 via a bridging device 17 that cannot be switched under load, the torque of the electric machine 3 is controlled to zero or at least to a very low value. For this purpose, the control device 7 can control the inverter 4 accordingly. The current in the electrical machine is also set to zero or a very low value. The further switching over of the transformation ratios of the transformer device can then take place by the activation of the switching device 20 by the control device 7 under load.

Die weitere elektrische Maschine 31 kann derselben Achse des Kraftfahrzeugs 1 oder einer anderen Achse des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet sein. Auch die weitere elektrische Maschine 31 kann über einen weiteren Inverter 34 und/oder eine weitere Transformatoreinrichtung 35 mit dem Energiespeicher 6 verbunden sein. Die weitere Transformatoreinrichtung 35 kann dabei entsprechend der Transformatoreinrichtung 15 ausgebildet sein und analog zu dieser betrieben werden.The further electrical machine 31 can be arranged on the same axle of the motor vehicle 1 or on a different axle of the motor vehicle 1 . The additional electrical machine 31 can also be connected to the energy store 6 via an additional inverter 34 and/or an additional transformer device 35 . The further transformer device 35 can be designed in accordance with the transformer device 15 and can be operated analogously to it.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 2923881 A1 [0003]EP 2923881 A1 [0003]
  • DE 4431347 A1 [0004]DE 4431347 A1 [0004]
  • GB 428066 A [0005]GB 428066A [0005]

Claims (15)

Elektrische Schaltungsanordnung umfassend wenigstens eine elektrische Maschine (3), einen Inverter (4) und eine zwischen mehreren Transformationsverhältnissen umschaltbare Transformatoreinrichtung (5), wobei die Transformatoreinrichtung (5) wenigstens einen Transformator (15) umfasst, welcher zwischen eine Wechselstromseite des Inverters (4) und die elektrische Maschine (3) schaltbar oder geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatoreinrichtung (5) wenigstens eine unter Last schaltbare Schalteinrichtung (20) aufweist, über welche das Transformationsverhältnis der Transformatoreinrichtung (5) umschaltbar ist.Electrical circuit arrangement comprising at least one electrical machine (3), an inverter (4) and a transformer device (5) which can be switched between a plurality of transformation ratios, the transformer device (5) comprising at least one transformer (15) which is connected between an AC side of the inverter (4) and the electrical machine (3) is switchable or switched, characterized in that the transformer device (5) has at least one switching device (20) that can be switched under load and via which the transformation ratio of the transformer device (5) can be switched over. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (20) zwischen mehreren Transformatoren (15) umschaltet und/oder dass die Schalteinrichtung (20) zwischen mehreren Wicklungen oder Wicklungsabgriffen eines Transformators (15) umschaltet.Electrical circuit arrangement according to claim 1 , characterized in that the switching device (20) switches between a plurality of transformers (15) and/or that the switching device (20) switches between a plurality of windings or winding taps of a transformer (15). Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (20) als ein Laststufenschalter des Transformators (15) ausgeführt ist.Electrical circuit arrangement according to claim 1 or 2 , characterized in that the switching device (20) is designed as an on-load tap changer of the transformer (15). Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformationsverhältnisse der Transformatoreinrichtung (5) jeweils derart sind, dass eine an der elektrischen Maschine anliegende Wechselspannung gleich oder größer als eine Wechselspannung an der Wechselstromseite des Inverters (4) ist.Electrical circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the transformation ratios of the transformer device (5) are in each case such that an AC voltage applied to the electrical machine is equal to or greater than an AC voltage on the AC side of the inverter (4). Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatoreinrichtung (5) zwischen zwei und zehn verschiedenen Transformationsverhältnissen umschaltbar ist.Electrical circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the transformer device (5) can be switched between two and ten different transformation ratios. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltungsanordnung (2) eine Steuereinrichtung (7) umfasst, wobei die Steuereinrichtung (7) dazu eingerichtet ist, das Transformationsverhältnis zwischen der Wechselspannung an der elektrischen Maschine (3) und der Wechselspannung an dem Inverter (4) zu erhöhen, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine (3) wenigstens einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und/oder das Transformationsverhältnis zu verringern, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine (3) wenigstens einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.Electrical circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical circuit arrangement (2) comprises a control device (7), the control device (7) being set up to determine the transformation ratio between the AC voltage on the electrical machine (3) and the AC voltage to increase at the inverter (4) when the speed of the electric machine (3) exceeds at least one predetermined limit value, and/or to reduce the transformation ratio when the speed of the electric machine (3) falls below at least one predetermined limit value. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (15) über die Schalteinrichtung (20) und/oder wenigstens eine, insbesondere unter Last schaltbare, Überbrückungseinrichtung (17) überbrückbar ist, wobei die Wechselstromseite des Inverters (4) bei überbrücktem Transformator (15) mit der elektrischen Maschine (3) verbunden ist.Electrical circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the transformer (15) can be bridged via the switching device (20) and/or at least one bridging device (17), which can be switched in particular under load, the AC side of the inverter (4) being bypassed transformer (15) is connected to the electrical machine (3). Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (15) in Abhängigkeit einer Drehzahl der elektrischen Maschine (3) und/oder eines Betriebsmodus der elektrischen Maschine (3), insbesondere eines gewählten Fahrbetriebsmodus, überbrückbar ist und/oder dass der überbrückte Transformator (15) in Abhängigkeit einer Drehzahl der elektrischen Maschine (3) und/oder einer Steuermittelstellung eines der elektrischen Maschine (3) zugeordneten Steuermittels, insbesondere einer Gaspedalstellung, zuschaltbar ist.Electrical circuit arrangement according to claim 7 , characterized in that the transformer (15) can be bridged depending on a speed of the electric machine (3) and/or an operating mode of the electric machine (3), in particular a selected driving mode, and/or that the bridged transformer (15) in Depending on a speed of the electric machine (3) and/or a control center position of a control means assigned to the electric machine (3), in particular an accelerator pedal position, can be switched on. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltungsanordnung (2) wenigstens eine weitere elektrische Maschine (23) und eine Steuereinrichtung (7) zur Ansteuerung der elektrischen Maschinen (3, 23) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (7) dazu eingerichtet ist, bei einem Überbrücken des Transformators (15) und/oder bei einem Zuschalten eines überbrückten Transformators (15) die weitere elektrische Maschine (23) zur Erzeugung eines Ausgleichsmoments anzusteuern, wobei das Ausgleichsmoment von der Steuereinrichtung (7) in Abhängigkeit eines Betriebspunkts der elektrischen Maschine (3) ermittelbar ist.Electrical circuit arrangement according to claim 7 or 8th , characterized in that the electrical circuit arrangement (2) has at least one further electrical machine (23) and a control device (7) for controlling the electrical machines (3, 23), wherein the control device (7) is set up for bridging of the transformer (15) and/or when a bypassed transformer (15) is switched on, to control the additional electrical machine (23) to generate a balancing torque, with the balancing torque being able to be determined by the control device (7) as a function of an operating point of the electrical machine (3). is. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung zwischen dem Inverter (4) und der elektrischen Maschine (3) eine mehrphasige Wechselspannung ist, wobei die Transformatoreinrichtung (15) für jede der Phasen eine unter Last schaltbare Schalteinrichtung (20) umfasst.Electrical circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the AC voltage between the inverter (4) and the electrical machine (3) is a multi-phase AC voltage, the transformer device (15) having a switching device (20) which can be switched under load for each of the phases includes. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (15) als ein Spartransformator, insbesondere mit wenigstens einem Kern aus metallischem Glas, ausgebildet ist.Electrical circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the transformer (15) is designed as an autotransformer, in particular with at least one core made of metallic glass. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatoreinrichtung (5) eine Kühleinrichtung (8), insbesondere einen Kühlölkreislauf, umfasst und/oder mit einer Kühleinrichtung (8) verbunden ist.Electrical circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the transformer device (5) comprises a cooling device (8), in particular a cooling oil circuit, and/or is connected to a cooling device (8). Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (3) vier oder mehr Pole aufweist.Electrical circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical machine (3) has four or more poles. Kraftfahrzeug umfassend wenigstens eine elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche.Motor vehicle comprising at least one electrical circuit arrangement according to one of the preceding claims. Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Schaltungsanordnung (2) umfassend eine Steuereinrichtung (7), wenigstens eine elektrische Maschine (3), einen Inverter (4) und eine zwischen mehreren Transformationsverhältnissen umschaltbare Transformatoreinrichtung (5), wobei die Transformatoreinrichtung (5) wenigstens einen Transformator (15) umfasst, welcher zwischen eine Wechselstromseite des Inverters (4) und die elektrische Maschine (3) geschaltet ist, wobei die Transformatoreinrichtung (5) wenigstens eine unter Last schaltbare Schalteinrichtung (20) aufweist, über welche das Transformationsverhältnis der Transformatoreinrichtung (5) umschaltbar ist.Method for operating an electrical circuit arrangement (2) comprising a control device (7), at least one electrical machine (3), an inverter (4) and a transformer device (5) which can be switched between a plurality of transformation ratios, the transformer device (5) having at least one transformer ( 15) which is connected between an AC side of the inverter (4) and the electrical machine (3), the transformer device (5) having at least one switching device (20) which can be switched under load and via which the transformation ratio of the transformer device (5) can be switched over is.
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