DE102022103770A1

DE102022103770A1 - Traktionsantrieb-Wechselrichter-Anordnung

Info

Publication number: DE102022103770A1
Application number: DE102022103770.3A
Authority: DE
Inventors: Robert Nelles; Thomas Hubert
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-02-17
Filing date: 2022-02-17
Publication date: 2023-08-17

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Traktionsantrieb-Wechselrichter-Anordnung (40) mit drei Phasenanschlüssen (4U,4V,4W) zur Speisung eines drei Phasenanschlüsse (3U,3V,3W) aufweisenden dreiphasigen Traktionsmotors (30), mit mit zwei zueinander identischen und elektrisch miteinander parallelgeschalteten dreiphasigen Wechselrichter-Modulen (51,52) mit jeweils drei Phasenanschlüssen (5U,5V,5W, 5U`,5V`,5W`), einer Wechselrichter-Steuerung (42), die die beiden Wechselrichter-Module (51,52) mit pulsweitenmodulierten Steuerungssignalen ansteuert, wobei die gleichnamigen Modul-Phasenanschlüsse (5U, 5U', 5V, 5V', 5W, 5W') der Wechselrichter-Module (51,52) jeweils paarweise durch jeweils einen Induktivkoppler (61,62,63) vor ihren Zusammenführungen (61',62',63') symmetrisch negativ zueinander gekoppelt sind, die elektrisch die Wechselrichter-Anordnungs-Phasenanschlüsse (4U,4V,4W) bilden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Traktionsantrieb-Wechselrichter-Anordnung zur Speisung eines dreiphasigen Traktionsmotors.
Eine Wechselrichter-Anordnung weist in der Regel eine dreiphasige Halbleiter-Brückenschaltung auf, die durch pulsweitenmodulierte rechteckige Steuerungssignale angesteuert wird. Die Modulations-Taktfrequenz liegt in der Regel im Kilohertz-Bereich. Derartige Wechselrichter-Anordnungen sind unter anderem bekannt aus WO 2020 248 078 A1 , US 2011 149 624 A1 , US 11 091 049 B2 und US 10 958 204B1 .
Durch die Pulsweitenmodulation und das daraus resultierende Spannungsmuster können je nach Modulationsverfahren im Bereich ganzer Vielfacher der Taktfrequenz Oberschwingungen generiert werden, die zu Verlusten in dem angeschlossenen Traktionsmotor führen, die wiederum zur Erwärmung des Traktionsmotors beitragen.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Traktionsantrieb-Wechselrichter-Anordnung zu schaffen, die die durch Taktfrequenz-Oberschwingungen verursachte Traktionsmotor-Erwärmung und die Belastung des Zwischenkreiskondensators verringert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Traktionsantrieb-Wechselrichter-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Traktionsantrieb-Wechselrichter-Anordnung weist drei Phasenanschlüsse zur Speisung eines ebenfalls drei Phasenanschlüsse aufweisenden dreiphasigen Traktionsmotors auf. Die Wechselrichter-Anordnung weist zwei zueinander identische und eingangsseitig elektrisch miteinander parallelgeschaltete dreiphasige Wechselrichter-Module auf. Die Wechselrichter-Module können mit zueinander synchronisierten Trägersignalen gespeist werden, oder können alternativ mit Trägersignalen gespeist werden, die sich beispielsweise in der Phasenlage voneinander unterscheiden. Durch die Verschiebung in der Phasenlage (Interleaving) können sich bestimmte Frequenzen im DC-Zwischenkreis aufheben.Wenn die Wechselrichter-Steuerung die beiden Wechselrichter-Module synchron und mit identischen pulsweitenmodulierten Ansteuerungssignalen ansteuert, sind die in den Wechselrichter-Modulen generierten und aus den Wechselrichter-Modulen kommenden elektrischen Strom- und Spannungsverläufe identisch und synchron zueinander.
Die beiden Wechselrichter-Module weisen jeweils drei Phasenanschlüsse auf, die im Allgemeinen mit den Buchstaben U, V und W gekennzeichnet werden. Die jeweils zwei gleichnamigen Modul-Phasenanschlüsse der Wechselrichter-Module sind paarweise durch einen Induktivkoppler symmetrisch negativ zueinander gekoppelt, bevor sie zu dem jeweiligen Wechselrichter-Anordnungs-Phasenanschluss elektrisch zusammengeführt sind. Auf diese Weise werden die von den beiden Wechselrichter-Modulen generierten Strom- bzw. Spannungsoberschwingungen erheblich gedämpft, ohne dass der daraus resultierende und für den Traktionsmotor bestimmte Strom- bzw. Spannungsverlauf der Grundwelle relevant verändert wird.
Durch die Dämpfung der Oberschwingungen werden die elektrischen Verluste innerhalb des Traktionsmotors verringert, wodurch sich auch die Erwärmung des Traktionsmotors im Betrieb entsprechend verringert. Dieser Erwärmungs-Anteil wird im Wesentlichen auf die Induktivkoppler verlagert, die rein statische Bauteile darstellen, so dass ihre Kühlung technisch relativ einfach realisierbar ist.
Ferner kann sich eine Reduktion der Gleichtaktspannung ergeben, wodurch sich insbesondere die durch die Wechselrichter-Module emittierte elektromagnetische Strahlung verringert, wodurch wiederum die Eingangsfilter entsprechend kleiner dimensioniert werden können.
Beim Ausfall eines Wechselrichter-Moduls kann das zweite Wechselrichter-Modul noch zur Verfügung stehen, so dass der Traktionsmotor noch mit halber Leistung betrieben werden kann.
Vorzugsweise weist die Wechselrichter-Anordnung eine flüssigkeitsgekühlte Kühlanordnung auf, wobei die drei Induktivkoppler durch die Kühlanordnung aktiv gekühlt werden. Die Kühlanordnung kann ein flüssigkeitsgekühltes Kühlgehäuse aufweisen, wobei die Induktivkoppler innerhalb des flüssigkeitsgekühlten Kühlgehäuses angeordnet sind. Eine effektive Kühlung der ausschließlich statischen Bauelemente der Wechselrichter-Module ist einfach und preiswert realisierbar, wohingegen die relativ komplexe Kühlung des Traktionsmotor-Rotors entsprechend reduziert und vereinfacht werden kann. Als Kühlmedium kann beispielsweise ein geeignetes Öl verwendet werden.
Vorzugsweise weisen die Induktivkoppler jeweils einen ferromagnetischen Kern auf, durch den die beiden gleichnamigen Phasen-Spulen magnetisch invers bzw. negativ miteinander gekoppelt sind. Die magnetische Permeabilität des ferromagnetischen Kerns der Induktivkoppler sollte so groß wie möglich sein.
Eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Antriebsanordnung weist eine elektrische Traktionsbatterie, einen elektrischen dreiphasigen Traktionsmotor und eine Wechselrichter-Anordnung mit den Merkmalen einer der auf die Wechselrichter-Anordnung gerichteten Ansprüche 1 bis4 auf, wobei die Traktionsbatterie die Wechselrichter-Module mit einer Gleichspannung direkt speist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Kraftfahrzeug-Antriebsanordnung mit einer elektrischen Traktionsbatterie, einem elektrischen dreiphasigen Traktionsmotor und einer Traktionsantrieb-Wechselrichter-Anordnung, die den Traktionsmotor mit der von der Traktionsbatterie zur Verfügung gestellten elektrischen Energie speist, und
2 schematisch einen Induktivkoppler der Wechselrichter-Anordnung der 1.

In der 1 ist schematisch eine elektrische Kraftfahrzeug-Antriebsanordnung 10 mit einer elektrischen Gleichspannungs-Traktionsbatterie 20, einem elektrischen dreiphasigen Traktionsmotor 30 und einer Traktionsantrieb-Wechselrichter-Anordnung 40 dargestellt. Der Traktionsmotor 30 kann Teil eines rein elektrischen oder eines hybriden Antriebskonzeptes sein.
Der Traktionsmotor 30 ist wegen des guten Wirkungsgrades dreiphasig ausgebildet, weist also drei Phasenanschlüsse 3U, 3V, 3W auf. Die drei Motorphasen können sternartig oder dreieckig miteinander verschaltet sein. Die Traktionsbatterie 20 ist vorliegend eine Hochvolt-Batterie mit einer nominalen Ausgangsspannung von beispielsweise 400 V oder 800 V.
Die Wechselrichter-Anordnung 40 weist zwei zueinander identische und elektrisch miteinander parallelgeschaltete dreiphasige Wechselrichter-Module 51,52 auf, die beide direkt durch die Traktionsbatterie 20 mit elektrischer Gleichspannung gespeist werden. Die beiden Wechselrichter-Module 51,52 bilden ein Wechselrichter-Paar 50. Die Wechselrichter-Anordnung 40 weist ferner eine elektronische Wechselrichter-Steuerung 42 auf, die die beiden Wechselrichter-Module 51,52 synchron mit pulsweitenmodulierten rechteckigen Steuerungssignalen ansteuert. Alternativ kann die Phasenlage der Steuerungssignale für die beiden Wechselrichter-Module 51,52 auch zueinander phasenverschoben sein, die pulsweitenmodulierten Steuerungssignale der Wechselrichter-Steuerung 42 können beispielsweise eine Taktfrequenz von 10 kHz aufweisen. Jedes Wechselrichter-Modul 51,52 weist jeweils drei ausgangsseitige Phasenanschlüsse 5U,5V,5W, 5U',5V',5W' auf.
Die gleichnamigen Modul-Phasenanschlüsse 5U, 5U`, 5W, 5W, 5V, 5V' der beiden Wechselrichter-Module 51,52 sind jeweils paarweise durch jeweils einen phasenweise zugeordneten Induktivkoppler 61, 62,63 symmetrisch negativ zueinander gekoppelt, bevor sie hinter den Induktivkopplern 61, 62,63 in den drei Zusammenführungen 61', 62', 63' zusammengeführt sind, wobei die Zusammenführungen 61', 62', 63' die Phasenanschlüsse 4U, 4V, 4W der Wechselrichter-Anordnung 40 bilden. Die drei Induktivkoppler 61, 62,63 bilden zusammen eine Induktivkopplungs-Anordnung 60.
Die Wechselrichter-Anordnungs-Phasenanschlüsse 4U, 4V, 4W sind mit den korrespondierenden Traktionsmotor-Phasenanschlüssen 3U, 3V, 3W elektrisch verbunden.
Die drei Induktivkoppler 61, 62,63 sind beispielsweise innerhalb eines fluiddichten und flüssigkeitsgekühlten Kühlgehäuses 70' angeordnet, das einen Kühlflüssigkeits-Zulauf 71 und einen Kühlflüssigkeits-Ablauf 72 aufweist. Die Kühlflüssigkeit ist beispielsweise ein Öl. Auf diese Weise ist eine aktive Kühlanordnung 70 der drei Induktivkoppler 61,62,63 realisiert.
In der 2 ist schematisch ein Induktivkoppler 61, 62,63 dargestellt. Die beiden Phasenspulen 66, 66' der beiden gleichnamigen Phasen 5U, 5V, 5W weisen jeweils die gleiche Windungszahl auf und sind gegensinnig zueinander auf den rechteckig geschlossenen Magnetkern 67 aufgewickelt, der beispielsweise aus einem geeigneten ferromagnetischen Material mit hoher magnetischer Permeabilität besteht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2020248078 A1 [0002]
US 2011149624 A1 [0002]
US 11091049 B2 [0002]
US 10958204 B1 [0002]

Claims

Traktionsantrieb-Wechselrichter-Anordnung (40) mit drei Phasenanschlüssen (4U,4V,4W) zur Speisung eines drei Phasenanschlüsse (3U,3V,3W) aufweisenden Traktionsmotors (30), mit mit zwei zueinander identischen und elektrisch miteinander parallelgeschalteten dreiphasigen Wechselrichter-Modulen (51,52) mit jeweils drei Phasenanschlüssen (5U,5V,5W, 5U`,5V`,5W`), einer Wechselrichter-Steuerung (42), die die beiden Wechselrichter-Module (51,52) mit pulsweitenmodulierten Steuerungssignalen ansteuert, wobei die gleichnamigen Modul-Phasenanschlüsse (5U,5U`,5V,5V`,5W,5W`) der Wechselrichter-Module (51,52) jeweils paarweise durch jeweils einen Induktivkoppler (61,62,63) vor ihren Zusammenführungen (61',62',63') symmetrisch negativ zueinander gekoppelt sind, die elektrisch die Wechselrichter-Anordnungs-Phasenanschlüsse (4U,4V,4W) bilden.
Traktionsantrieb-Wechselrichter-Anordnung (40) nach Anspruch 1, mit einer flüssigkeitsgekühlten Kühlvorrichtung (70), wobei die drei Induktivkoppler (61,62,63) durch die Kühlvorrichtung (70) aktiv gekühlt werden.
Traktionsantrieb-Wechselrichter-Anordnung (40) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Induktivkoppler (61,62,63) jeweils einen ferromagnetischen Kern (67) aufweisen.
Traktionsantrieb-Wechselrichter-Anordnung (4) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Steuerungssignale für die beiden Wechselrichter-Module (51,52) zueinander phasenverschoben sind.
Elektrische Kraftfahrzeug-Antriebsanordnung (10) mit einer elektrischen Traktionsbatterie (20), einem elektrischen dreiphasigen Traktionsmotor (30) und einer Traktionsantrieb-Wechselrichter-Anordnung (40) mit den Merkmalen einer der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Traktionsbatterie (20) die Wechselrichter-Module (51,52) direkt speist.