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Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter für einen elektrischen Antriebsstrang und ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters. Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einem Wechselrichter sowie ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang.
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Stand der Technik
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Wechselrichter für die Wandlung einer Gleichspannung aus einer Energiequelle in eine mehrphasige Wechselspannung zur Versorgung einer elektrischen Maschine für beispielsweise einen elektrischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs sind bekannt. Gemäß der Druckschrift
DE 10 2012 216 008 A1 wird in einem Fehlerfall, bevorzugt in einem Fehlerfall innerhalb eines Wechselrichters, in einem Wechselrichter ein sicherer Zustand eingestellt. Somit bleibt die Sicherheit für auf das Fahrzeug zugreifende Personen, wie beispielsweise Rettungskräfte bei einem Unfall und die Integrität des elektrischen Systems gewährleistet. Darüber hinaus wird dabei auch kein falsches Drehmoment gestellt. Üblicherweise wird der Wechselrichter durch eine Steuereinrichtung mit einem Mikrocontroller in einem Niederspannungs-Teil des Wechselrichters gesteuert. Bei einem Ausfall der Niederspannungsversorgung kann eine unabhängige, redundante zweite Steuereinrichtung in einem Hochspannungs-Teil des Wechselrichters den Wechselrichter selbstständig in einen sicheren Zustand schalten, um eine mögliche Schädigung elektrischer Komponenten zu verhindern. Eine Schädigung kann beispielsweise durch einen unkontrollierten Energieeintrag aufgrund der induzierten Spannung der drehenden elektrischen Maschine in den Gleichspannungszwischenkreis erfolgen. Aus dem Gleichspannungszwischenkreis wird der Wechselrichter über eine daran angeschlossene Energiequelle gespeist. Herkömmliche Verfahren sehen verschiedene Schaltungszustände als sogenannte sichere Zustände vor. Beispielsweise können sämtliche mit dem niedrigen Potential verbundenen Schaltelemente, sogenannte Low-Side-Schalter, geschlossen und alle mit dem hohen Potential verbundenen Schaltelemente, sogenannte High-Side-Schalter, geöffnet werden. Diese Betriebsart wird auch als aktiver Kurzschluss oder Kurzschlusszustand zu niedrigem Potential bezeichnet. Es können alternativ auch alle High-Side-Schalter geschlossen und alle Low-Side-Schalter geöffnet werden, so dass ein Kurzschlusszustand zu hohem Potential entsteht. Bei einem anderen Abschaltverfahren werden sämtliche Schalter des Pulswechselrichters geöffnet. Dies ist ebenfalls ein sicherer Zustand. Dieser wird auch als Freilaufmodus bezeichnet. Das Stellen eines sicheren Zustands kann über einen softwareunabhängigen, redundanten Abschaltpfad mit geringer Ausfallwahrscheinlichkeit erfolgen, damit die Schaltelemente auch bei schwerwiegenden internen Fehlern, wie z.B. dem Verlust der Mikrocontrollerversorgung, in einen sicheren Zustand geschaltet werden.
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Bei entladener Energiequelle eines Antriebsstranges, muss diese wieder aufgeladen werden, damit der Antriebsstrang oder das Fahrzeug mit dem Antriebsstrang wieder einsatzbereit wird. Die Energiequelle wird hierzu mit einer hohen Gleichspannung mittels einem Ladegerät bei Stillstand des Fahrzeugs und damit bei stillstehender oder nicht rotierender oder drehender elektrischer Maschine geladen. Diese Gleichspannung liegt während des Ladevorgangs auch am Wechselrichter an, da die Energiequelle elektrisch mit dem Wechselrichter verbunden ist. Zur Gewährleistung der Sicherheit des Wechselrichters muss dieser, und bevorzugt die Schaltelemente der Brückenschaltung des Wechselrichters, aktiv angesteuert werden. Bevorzugt wird hierzu bisher, bevorzugt mittels der Steuereinrichtung in einem Niederspannungs-Teil des Wechselrichters, der Wechselrichter in den Kurzschlusszustand zu niedrigem Potential angesteuert. Bei dem Kurzschlusszustand zu niedrigem Potential werden sämtliche mit dem niedrigen Potential verbundenen Schaltelemente geschlossen, sodass die Wicklungen einer angeschlossenen elektrischen Maschine kurzgeschlossen sind. Diese Ansteuerung führt während des Ladens zu einer niederspannungsseitigen Leistungsaufnahme. Zudem wird die Hälfte der Schaltelemente, also die geöffneten Schaltelemente, über die gesamte Ladezeit mit voller Zwischenkreisspannung belastet.
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Es besteht daher ein Bedarf, diese Leistungsaufnahme sowie die Belastung der Schaltelemente zu minimieren, um die notwendige Ladezeit zu verkürzen, mittels einer Erhöhung des Wirkungsgrades den Energiebedarf zu senken und schließlich die Lebensdauer der elektronischen Bauteile zu erhöhen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Wechselrichter für einen elektrischen Antriebsstrang bereitgestellt, wobei der Wechselrichter einen Eingangsanschluss zum Anschließen einer Energiequelle und eines parallel geschalteten Ladegerätes zum Laden der Energiequelle, einen Ausgangsanschluss zum Anschließen einer mehrphasigen elektrischen Maschine und eine Mehrzahl an Schaltelementen einer Brückenschaltung umfasst. Der Wechselrichter ist dadurch gekennzeichnet, dass er dazu eingerichtet ist, die Schaltelemente zu öffnen, während die Energiequelle mittels des Ladegerätes geladen wird.
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Es wird ein Wechselrichter für einen elektrischen Antriebsstrang bereitgestellt. Ein Wechselrichter dient der Wandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung und/ oder umgekehrt. Entsprechend weist ein Wechselrichter einerseits einen Eingangsanschluss auf, an dem eine Gleichspannungsquelle, eine Energiequelle, angeschlossen werden kann. Anschließen bedeutet hierbei das elektrische Verbinden, kontaktieren oder Herstellen einer elektrischen Verbindung des Wechselrichters mit den Anschlusskontakten der Energiequelle. Die Energiequelle kann eine elektrische Batterie, Traktionsbatterie oder eine Brennstoffzelle sein. Die elektrische Energie der Gleichspannungsquelle wird innerhalb des Wechselrichters mittels einer Brückenschaltung in eine mehrphasige Wechselspannung gewandelt zur Versorgung einer mehrphasigen Last. Hierzu umfasst der Wechselrichter einen Ausgangsanschluss, an dem als Last eine mehrphasige elektrische Maschine angeschlossen werden kann. Anschließen bedeutet hierbei das elektrische Verbinden, kontaktieren oder Herstellen einer elektrischen Verbindung des Wechselrichters mit den Anschlusskontakten der elektrischen Maschine. Als elektrische Maschine kann hierbei bevorzugt eine mehrphasige Synchronmaschine oder Asynchronmaschine angeschlossen werden. Zur Wandlung der elektrischen Energie umfasst eine Brückenschaltung eine Mehrzahl an Schaltelementen, beispielsweise umfasst eine B6-Brücke zur Versorgung einer dreiphasigen Last sechs Schaltelemente. Jeweils zwei Schaltelemente sind dabei zu einer H-Brücke in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung ist zwischen das obere Potential und das untere Potential des Eingangsanschlusses geschaltet. Ein Mittelabgriff zwischen den zwei Schaltelementen, also einem oberen und einem unteren Schaltelement, ist mit einer Phase oder einem Potential des Ausgangsanschlusses elektrisch verbunden. Folglich kann durch Schließen eines oberen Schaltelementes eine elektrische Verbindung zwischen dem oberen Potential des Eingangsanschlusses und der Phase hergestellt werden und durch Schließen eines unteren Schaltelementes eine elektrische Verbindung zwischen dem unteren Potential des Eingangsanschlusses und der Phase hergestellt werden. Mittels jeweils versetzten und abwechselnden Öffnen und Schließen der beiden Schalter wird eine an dem Eingangsanschluss anliegende Gleichspannung als Wechselspannung an dem Ausgangsanschluss bereitgestellt, beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation oder Blockkommutierung. Für jede Phase des Ausgangsanschlusses ist eine entsprechende H-Brücke vorhanden. An den Eingangsanschluss des Wechselrichters kann parallel zur Gleichspannungsquelle ein Ladegerät angeschlossen werden. Dies ermöglicht ein Laden der Energiequelle mittels des Ladegerätes. Hierzu entnimmt das Ladegerät einem elektrischen Stromversorgungsnetz oder einer elektrischen Speicheranordnung elektrische Energie. Diese elektrische Energie, Gleichspannung oder Wechselspannung, wandelt das Ladegerät in eine ausreichend hohe Gleichspannung. Diese Gleichspannung wird mit den Anschlusskontakten der Energiequelle elektrisch verbunden. Solange die seitens des Ladegerätes bereitgestellte Gleichspannung größer als die aktuelle Spannung der Energiequelle ist, fließt die elektrische Energie in die Energiequelle. Dabei wird die Energiequelle geladen. Während die Energiequelle geladen wird, liegt die Gleichspannung aufgrund der elektrischen Parallelschaltung der anzuschließenden Energiequelle und des Ladegerätes auch am Eingangsanschluss des Wechselrichters an. Der Wechselrichter ist dazu eingerichtet, die Schaltelemente der Brückenschaltung zu öffnen, insbesondere während des Ladens der Energiequelle mittels des Ladegerätes. So sind alle Schaltelemente zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Wechselrichters geöffnet.
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Somit wird während des Ladens ein Stromfluss zwischen der Energiequelle und der elektrischen Maschine unterbunden. Vorteilhaft werden einzelne Schaltelemente nicht während der Ladezeit mit voller Zwischenkreisspannung belastet.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Wechselrichter einen Datenspeicher mit einem Speicherinhalt. Der Wechselrichter ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit des Speicherinhalts einen ersten oder einen zweiten sicheren Zustand zu stellen. Das Stellen des ersten sicheren Zustands umfasst das Öffnen der Schaltelemente. Insbesondere umfasst das Stellen des zweiten sicheren Zustands das Schließen aller unteren oder aller oberen Schaltelemente der Brückenschaltung.
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Der Wechselrichter umfasst einen Datenspeicher mit einem Speicherinhalt. Ein Datenspeicher ist in einem einfachen Fall beispielsweise ein elektronisches Bauteil, welches beispielsweise mindestens zwei unterschiedliche Zustände einnehmen kann. Diese unterschiedlichen Zustände werden beispielsweise als Speicherinhalt bezeichnet. Der Speicherinhalt eines Datenspeichers ist elektronisch auslesbar. Der Wechselrichter ist dazu ausgelegt, in Abhängigkeit des Speicherinhalts einen ersten oder einen zweiten sicheren Zustand zu stellen. Sichere Zustände für einen Wechselrichter sind, wie oben erläutert, zur Gewährleistung der Sicherheit für auf das Fahrzeug zugreifende Personen sowie der Integrität des elektrischen Systems bekannt. Das Stellen des ersten sicheren Zustands umfasst das Öffnen der Schaltelemente der Brückenschaltung. Das Stellen des zweiten sicheren Zustands umfasst insbesondere das Schließen aller unteren oder aller oberen Schaltelemente der Brückenschaltung.
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Es wird ein Wechselrichter bereitgestellt, der in Abhängigkeit eines Speicherinhalts einen ersten oder einen zweiten sicheren Zustand einstellt. Vorteilhaft wird ein Wechselrichter bereitgestellt, bei dem durch Vorgabe eines Speicherinhalts das Stellen eines ersten oder zweiten sicheren Zustands vorgebbar ist.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist der Wechselrichter einen Fahrbetriebsmodus und einen Ladebetriebsmodus auf. Der Wechselrichter ist dazu eingerichtet, den Speicherinhalt des Datenspeichers so vorzugeben, dass während eines Betriebes im Ladebetriebsmodus als sicherer Zustand der erste sichere Zustand gestellt wird und insbesondere den Speicherinhalt des Datenspeichers so vorzugeben, dass während eines Betriebes im Fahrbetriebsmodus als sicherer Zustand der zweite sichere Zustand gestellt wird.
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Ein Wechselrichter weist unterschiedliche Betriebsmodi auf. Während des Fahrbetriebes eines Fahrzeuges, wird der Wechselrichter in einem Fahrbetriebsmodus betrieben. Bei dem Fahrbetriebsmodus wandelt der Wechselrichter eine am Eingangsanschluss anliegende elektrische Energie und stellt diese am Ausgangsanschluss bereit oder der Wechselrichter wandelt die elektrische Energie einer angeschlossenen Energiequelle und überträgt diese an eine angeschlossene mehrphasige elektrische Maschine. Bevorzugt dreht sich während des Fahrbetriebsmodus der Rotor der mehrphasigen elektrischen Maschine. Während eines Ladebetriebes des Fahrzeuges, bei dem die angeschlossene Energiequelle mittels des Ladegerätes geladen wird, wird der Wechselrichter in einem Ladebetriebsmodus betrieben, bei dem eine Gleichspannung an dem Eingangsanschluss anliegt. Bevorzugt steht der Rotor der mehrphasigen elektrischen Maschine still während des Ladebetriebsmodus und bevorzugt dreht sich der Rotor nicht. Bei dem Ladebetriebsmodus trennt der Wechselrichter die elektrische Verbindung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss oder der Wechselrichter trennt die elektrische Verbindung zwischen einer angeschlossenen Energiequelle und der mehrphasigen elektrischen Maschine. Der Wechselrichter gibt den Speicherinhalt des Datenspeichers so vor, dass während eines Betriebes im Ladebetriebsmodus als sicherer Zustand der erste sichere Zustand gestellt wird. Folglich öffnet der Wechselrichter in Abhängigkeit des vorliegenden Speicherinhalts alle Schaltelemente der Brückenschaltung in dem Ladebetriebsmodus, bei dem die Energiequelle mittels des Ladegerätes geladen wird. Insbesondere gibt der Wechselrichter den Speicherinhalt des Datenspeichers so vor, dass während eines Betriebes im Fahrbetriebsmodus als sicherer Zustand der zweite sichere Zustand gestellt wird. Wobei bevorzugt das Stellen des zweiten sicheren Zustands das Schließen aller unteren oder aller oberen Schaltelemente der Brückenschaltung umfasst. Vorteilhaft wird ein Wechselrichter bereitgestellt, der in Abhängigkeit des vorliegenden Betriebsmodus als sicheren Zustand einen ersten oder zweiten sicheren Zustand stellt und somit eine verbesserte Sicherheit und Lebensdauer gewährleistet.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Wechselrichter mindestens eine Impedanz, die einem Schaltelement der Brückenschaltung parallel geschaltet ist. Bevorzugt ist jedem der unteren und/oder der oberen Schaltelemente eine Impedanz parallel geschaltet. Bevorzugt umfasst eine Impedanz einen ohmschen Widerstand, eine Kapazität und/ oder eine Induktivität.
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Mindestens einem Schaltelement der Brückenschaltung oder jedem der unteren und/oder oberen Schaltelemente der Brückenschaltung ist eine Impedanz parallel geschaltet. Die parallel geschalteten Impedanzen bewirken, dass sich eine an der Brückenschaltung anliegende Spannung definiert, beziehungsweise gleichmäßig, auf die Brückenzweige und die einzelnen Schaltelemente verteilt. Bevorzugt sind für eine gleichmäßige Verteilung daher die Impedanzen an den einzelnen Schaltelementen gleich groß. Bevorzugt umfasst eine Impedanz einen ohmschen Widerstand, eine Kapazität und/ oder eine Induktivität. Bevorzugt sind die ohmschen Widerstände sehr hochohmig, bevorzugt zwischen ca. 100 kOhm und 10 MOhm.
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Vorteilhaft wird ein Wechselrichter bereitgestellt, bei dem sich die anliegende Spannung an der Brückenschaltung bei geöffneten Schaltelementen definiert und/ oder gleichmäßig auf die Schaltelemente verteilt. Somit wird die Belastung der Schalter gesteuert und ausgeglichen und die Lebensdauer des Wechselrichters erhöht.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Wechselrichter einen Niederspannungs-Teil und einen Hochspannungs-Teil, wobei der Wechselrichter mittels des Hochspannungs-Teils den sicheren Zustand stellt.
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Es wird ein Wechselrichter bereitgestellt, der einerseits einen Niederspannungs-Teil umfasst, der bevorzugt die Ansteuerelektronik für die Ansteuerung der Brückenschaltung, bevorzugt für den Fahrbetriebsmodus, und/ oder die Kommunikation mit anderen Fahrzeugsteuergeräten umfasst. Der Niederspannungs-Teil des Wechselrichters wird bevorzugt mittels eines angeschlossenen Niederspannungs-Bordnetz mit elektrischer Energie versorgt. Weiter umfasst der Wechselrichter einen Hochspannungs-Teil, der bevorzugt die Hochspannung führenden elektrischen Bauelemente in dem Wechselrichter umfassen, wie beispielsweise Busbars, den Zwischenkreiskondensator, die Brückenschaltung und den Gatetreiber. Der Hochspannungs-Teil des Wechselrichters wird bevorzugt mittels eines angeschlossenen Hochspannungs-Traktionsnetz mit elektrischer Energie versorgt, an welches auch die Energiequelle angeschlossen ist. Der Hochspannungs-Teil umfasst eine Schaltung zur Stellung eines sicheren Zustands. Vorteilhaft wird ein Wechselrichter bereitgestellt, der bei defekten Niederspannungs-Teil oder mangelnder Niederspannungs-Teil Stromversorgung dennoch einen sicheren Zustand alleine aus dem Hochspannungs-Teil stellt. Vorteilhaft wird folglich in einem Ladebetriebsmodus in Abhängigkeit des Speicherinhalts bei mangelhafter Versorgung des Niederspannungsteils ein sicherer Zustand, bevorzugt der Freilauf, mittels des Hochspannungs-Teils gestellt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Hochspannungs-Teil den Datenspeicher. Der Wechselrichter ist dazu eingerichtet, mittels eines Signals aus dem Niederspannungs-Teil zum Hochspannungs-Teil, den Speicherinhalt des Datenspeichers einzustellen.
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Der Hochspannungs-Teil umfasst auch den Datenspeicher. Der Speicherinhalt des Datenspeichers wird in Abhängigkeit eines Signals eingestellt und vorgegeben, welches aus dem Niederspannungs-Teil in den Hochspannungs-Teil übertragen wird. Hierzu wird bevorzugt ein digitales Signal über eine Isolationsbarriere vom Niederspannungs- in den Hochspannungs-Teil des Wechselrichters übermittelt. Die Information des Signals wird in dem Datenspeicher als Speicherinhalt gespeichert, bevorzugt in einem Register, Latch oder Statuslatch mit geringer Ausfallrate. Bevorzugt werden zwei Informationen über ein digitales Signal mit moduliertem Taktverhältnis und Frequenz übermittelt. Bevorzugt ermöglicht dies, ein digitales Signal über die Isolationsbarriere einzusparen, wodurch ein Wandlerkanal bzw. Optokoppler eingespart werden kann. Bevorzugt sendet ein Mikrocontroller, der Haupt-Mikrocontroller, des Niederspannungs-Teils des Wechselrichters, ein Taktsignal (clock signal), über einen digitalen Isolator. Dieses Signal enthält bevorzugt die zwei Informationen, die in Frequenz und Taktverhältnis verschlüsselt sind. Bevorzugt zeigt das Taktverhältnis des Signals als eine Information des Signals an, ob als sicherer Zustand der erste sichere Zustand oder der zweite sichere Zustand eingestellt werden soll. Bevorzugt zeigt die Frequenz als andere Information an, ob der sichere Zustand ausgelöst oder gestellt wird. Der sichere Zustand wird ausgelöst oder gestellt, wenn eine Frequenzschwelle des Signals unterschritten wird. Bevorzugt wertet der Datenspeicher oder das Latch beide Informationen aus und speichert die erste Information, die Art des sicheren Zustands, als Speicherinhalt. Bevorzugt werden beide Informationen über eine Logikschaltung, bevorzugt mit weiteren Informationen verknüpft, an den Gatetreiber zum Stellen eines sicheren Zustands weitergeleitet. Bevorzugt bewirkt die Information, dass der sichere Zustand ausgelöst wird, die Sperrung des Latchs. Dadurch lässt sich die Information welcher der beiden sicheren Zustände gestellt werden soll, nicht mehr ändern, solange die Auslösung des sicheren Zustands nicht wieder zurückgenommen wird. Bevorzugt geschieht die Auswertung der Signalfrequenz deutlich schneller als die des Taktverhältnisses, wodurch statische Signale sofort als solche erkannt werden und zuverlässig der vorher übermittelte sichere Zustand gespeichert und eingestellt werden kann. Das Latch kann aus analogen oder digitalen Logikbausteinen bestehen. Alternativ können statt des einen modulierten Taktsignals auch zwei digitale Signale verwendet werden, um die beiden Informationen an den Datenspeicher oder das Latch zu übermitteln. Bevorzugt wirkt der Speicherinhalt direkt auf einen redundanten Abschaltpfad, bevorzugt im Hochspanungs-Teil, ein, und stellt den Freilauf, also das Öffnen der Schaltelemente der Brückenschaltung, als sicheren Zustand während des Ladens der Energiequelle oder während des Ladebetriebsmodus ein.
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Vorteilhaft wird eine Zuordnung der notwendigen Bauelemente bereitgestellt, die einen sicheren Betrieb eines Wechselrichters ermöglichen.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Wechselrichter dazu eingerichtet, den Niederspannungs-Teil auszuschalten, während die Energiequelle mittels des Ladegeräts geladen wird.
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Der Wechselrichter schaltet den Niederspannungs-Teil ab, während die Energiequelle mittels des Ladegeräts geladen wird oder während des Ladebetriebsmodus. Entsprechend fällt beispielweise die Frequenz des Signals aus dem Niederspannungs-teils ab, sodass der Wechselrichter in den sicheren Zustand in Abhängigkeit des Speicherinhalts schaltet. Der Wechselrichter stellt den Speicherinhalt des Datenspeichers im Ladebetriebsmodus so ein, dass als sicherer Zustand der erste sichere Zustand, nämlich Freilauf, gestellt wird. Die Ansteuerung des Wechselrichters während des Ladebetriebsmodus zur Stellung eines sicheren Zustands erfolgt über den Hochspannungs-Teil. Der Hochspannungs-Teil wird bevorzugt mittels eines Hochspannungs-Traktionsnetz versorgt. Bevorzugt ist die Energiequelle an das Hochspannungstraktionsnetz angeschlossen. Der sichere Zustand wird in Abhängigkeit des Speicherinhalts im Datenspeicher oder im Latch gestellt, wodurch der Niederspannungs-Teil des Inverters während des Ladebetriebsmodus ausgeschaltet werden kann. Bevorzugt hält der Speicherinhalt des Datenspeichers oder des Latchs im Normalbetrieb oder Fahrbetriebsmodus, unabhängig vom Mikrocontroller, den zweiten sicheren Zustand, bevorzugt den aktiven Kurzschluss, als sicheren Zustand fest um Momenten- und Hochspannungs-Sicherheit zu gewährleisten. Bevorzugt wird der Speicherinhalt nur dann so eingestellt, dass in den ersten sicheren Zustand oder Freilauf geschaltet wird, wenn der Datenspeicher ein Reset-Signal und ein moduliertes Taktsignal empfängt. Bevorzugt steuert das Ausgangssignal des Latch, in Abhängigkeit des Speicherinhalts des Datenspeichers oder des Latch, über eine digitale oder analoge Logik direkt die Ausgangsstufe des Gatetreibers an zum Schließen oder Öffnen der Schaltelemente. Vorteilhaft wird die Energieaufnahme des Wechselrichters während des Ladebetriebes minimiert. Bevorzugt wird während des Ladebetriebsmodus über das angeschlossene Niederspannungs-Bordnetz, mittels dem bevorzugt der Niederspannungs-Teil des Wechselrichters versorgt wird, nahezu keine elektrische Leistung aufgenommen.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit einem Wechselrichter.
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Es wird ein Antriebstrang mit einem Wechselrichter bereitgestellt. Ein Antriebstrang eines Fahrzeugs umfasst bevorzugt eine Energiequelle, ein Ladegerät und oder eine elektrische Maschine. Die Modifikation dieses Antriebsstrangs mit einem beschriebenen Wechselrichter ermöglicht vorteilhaft eine minimierte Leistungsaufnahme sowie Belastung während des Ladens der Energiequelle.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, mit einem wie bisher beschriebenen Antriebsstrang. Vorteilhaft wird ein Fahrzeug bereitgestellt, bei dem vorteilhaft eine minimierte Leistungsaufnahme sowie Belastung während des Ladens der Energiequelle erfolgt.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters, wobei der Wechselrichter einen Eingangsanschluss zum Anschließen einer Energiequelle und eines parallel geschalteten Ladegerätes zum Laden der Energiequelle, einen Ausgangsanschluss zum Anschließen einer mehrphasigen elektrischen Maschine und eine Mehrzahl an Schaltelementen einer Brückenschaltung umfasst. Das Verfahren umfasst die Schritte: Öffnen der Schaltelemente während die Energiequelle mittels des Ladegeräts geladen wird.
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Vorteilhaft wird während des Ladens ein Stromfluss zwischen der Energiequelle und der elektrischen Maschine unterbunden. Vorteilhaft werden einzelne Schaltelemente nicht während der Ladezeit mit voller Zwischenkreisspannung belastet.
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Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des Wechselrichters entsprechend auf das Verfahren bzw. den Antriebsstrang und das Fahrzeug und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters.
- 2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Antriebsstrang
- 3 ein schematisch dargestelltes Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt einen Wechselrichter 100 mit einem Eingangsanschluss 102 zum Anschließen einer Energiequelle 104. Die Energiequelle 104 ist bevorzugt eine Batterie, ein Akkumulator, eine Hochspannungs-Batterie oder auch eine Brennstoffzelle, die dazu eingerichtet am Eingangsanschluss 102 des Wechselrichters 100 eine Gleichspannung bereitzustellen. Parallel zu der Energiequelle 104 ist ein Ladegerät 106 geschaltet. Das Ladegerät 106 ist dazu eingerichtet, elektrische Energie 108 aus einem Stromversorgungsnetz oder einer Speicherbatterie aufzunehmen. Diese elektrische Energie 108 kann als Gleichspannung oder Wechselspannung verfügbar sein. Das Ladegerät 106 transformiert die elektrische Energie 108 in eine an die Energiequelle, und bevorzugt deren Ladezustand, angepasste Ladespannung und gibt diese über die elektrischen Verbindungen an die Energiequelle 104 während des Ladens der Energiequelle 104 ab. Der Wechselrichter umfasst einen mehrphasigen Ausgangsanschluss 112 zum Anschließen einer mehrphasigen elektrischen Maschine 114. Der Wechselrichter umfasst eine Mehrzahl an Schaltelementen 120Px, 120Nx einer Brückenschaltung. In der 1 ist hierzu beispielhaft eine B6-Brücke dargestellt, die drei Halbbrücken mit je einem oberen 120Px und einem unteren 120Nx Schaltelement umfasst. Die Schaltelemente 120Px, 120Nx sind bevorzugt IGBTs oder MOSFETS. Bevorzugt umfassen die Schaltelemente 120Px, 120Nx eine intrinsische Freilaufdiode oder Body-Diode. Bevorzugt ist den Schaltelementen 120Px, 120Nx alternativ eine Freilaufdiode parallel geschaltet. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind diese Freilaufdioden in der 1 nicht dargestellt. Die Reihenschaltung einer Halbbrücke aus oberen und unteren Schaltelement ist jeweils zwischen die Potentiale des Eingangsanschluss 102 verschaltet und ein Mittelabgriff zwischen den beiden Schaltelementen 120Px, 120Nx ist mit einem Potential des mehrphasigen Ausganganschlusses 112 verbunden. Innerhalb des Wechselrichters 100 wird eine am Eingangsanschluss 102 anliegende Gleichspannung, bevorzugt im Fahrbetriebsmodus, mittels versetztem und abwechselnden Schlie-ßen und Öffnen der oberen 120Px und unteren 120Nx Schaltelemente in eine Wechselspannung gewandelt und am Ausgangsanschluss 112 mehrphasig bereitgestellt zur Versorgung einer anschließbaren elektrischen Maschine 114. Bevorzugt umfasst der Wechselrichter Impedanzen 122Px und 122Nx, die jeweils einem Schaltelement 120Px, 120Nx parallel geschaltet sind. Die anschließbare elektrische Maschine 114 kann beispielsweise eine beliebige mehrphasige permanentmagneterregte oder fremderregte Synchron- oder Asynchron Maschine sein. Weiter ist in der 1 ein Niederspannungs-Teil 150 des Wechselrichters und ein davon abgegrenzter und isolierter Hochspannungs-Teil 160 dargestellt. Der Wechselrichter 100 ist bevorzugt dazu eingerichtet, ein Signal 130 aus dem Niederspannungs-Teil 150 in den Hochspannungs-Teil 160 zu übertragen. Bevorzugt wird es innerhalb des Hochspannungs-Teils an einen Datenspeicher 170 übertragen und die Information dort als Speicherinhalt gespeichert. Weiter ist der Wechselrichter dazu eingerichtet, bevorzugt in Abhängigkeit des Speicherinhaltes als sicheren Zustand einen vorgegebenen sicheren Zustand einzustellen (in der 1 mittels des Pfeils von dem Datenspeicher in Richtung der Brückenschaltung dargestellt). Wobei der Wechselrichter dazu eingerichtet ist, alle Schaltelemente 120Px, 120Nx zu öffnen, während die Energiequelle 104 mittels des Ladegerätes 106 geladen wird.
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2 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug 300 mit vier Rädern 302 und einem Antriebsstrang 200. Das Fahrzeug 300 ist hier nur beispielhaft mit vier Rädern 302 dargestellt, wobei die Erfindung gleichermaßen in beliebigen Fahrzeugen mit einer beliebigen Anzahl an Rädern zu Lande, zu Wasser und in der Luft einsetzbar ist. Der beispielhaft dargestellte Antriebsstrang 200 umfasst mindestens einen Wechselrichter 100. Weiter umfasst der Antriebsstrang bevorzugt eine elektrische Energiequelle 104 und oder eine mehrphasige elektrische Maschine 114. Die Energie der Gleichspannungsquelle oder Energiequelle 104 wird mit dem Wechselrichter 100 in eine mehrphasige Wechselspannung gewandelt für den Betrieb der elektrischen Maschine 114 als Antriebsaggregat für das Fahrzeug 300. Bevorzugt umfasst der Antriebsstrang ein Ladegerät 106, welches zum Laden der Energiequelle 104 mit diesem elektrisch verbunden und parallel geschaltet ist. Weiter ist das Ladegerät an eine Schnittstelle 107 angeschlossen, bevorzugt eine Ladebuchse an der Karosserie des Fahrzeugs, um das Ladegerät bevorzugt an ein Stromversorgungsnetz oder an einen Batteriespeicher anzuschließen zur Bereitstellung der elektrischen Energie 108 zum Aufladen der Energiequelle 104. Das Ladegerät kann alternativ auch außerhalb des Antriebsstrangs und auch des Fahrzeugs, beispielsweise in der Infrastruktur, angeordnet sein, wobei dieses zum Laden der Energiequelle 104 mit dieser elektrisch verbunden und parallel geschaltet ist.
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3 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren 400 zum Betrieb eines Wechselrichters 100. Das Verfahren 400 startet mit dem Schritt 405. In Schritt 410 werden alle Schaltelemente 120Px, 120Nx der Brückenschaltung des Wechselrichters geöffnet, während die Energiequelle 104 mittels des Ladegerätes 106 geladen wird. Mit Schritt 415 endet das Verfahren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012216008 A1 [0002]
