-
Elektrische Fahrzeugantriebe weisen neben einer Batterie und einer elektrischen Maschine einen Inverter auf, der mittels der Gleichspannung der Batterie Wechselstrom-Leistungssignale erzeugt. Diese führen zu einem elektrischen Drehfeld in der elektrischen Maschine. Üblicherweise werden Transistoren des Inverters mit einer Pulsweitemodulation (PWM) betrieben, um so den Wechselstrom für die elektrische Maschine zu erzeugen. Die Verluste, die durch die Schaltereignisse der PWM entstehen, hängen von Betriebsparametern wie Strom, Spannung, Schaltgeschwindigkeit und der verwendeten Transistortechnologie ab.
-
Es ist ferner allgemein bekannt, dass beispielsweise Transistoren des Typs IGBT (insulated gate bipolar transistor - Bipolartransistor mit isoliertem Gate) verwendet werden, um derartige Inverter auszugestalten. Weitere Entwicklungen sehen die Nutzung von SiC-MOSFETs zur Ausgestaltung des Inverters vor. In einigen Betriebsbereichen sind SiC-MOSFETs effizienter als IGBTs und weisen eine geringere Verlustleistung auf.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich Inverter kostengünstig und mit hoher Energieeffizienz realisieren lassen.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur.
-
Es wird ein Fahrzeug-Traktionsinverter vorgeschlagen, der eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe von Transistoren aufweist. Der Transistortyp der Transistoren der ersten Gruppe ist ein anderer als der Transistortyp der Transistoren der zweiten Gruppe. Es werden somit in ein- und demselben Traktionsinverter unterschiedliche Transistortypen verwendet. Die Transistoren der ersten und der zweiten Gruppe liegen im Leistungspfad des Inverters vor. Die Transistoren sind Leistungstransistoren und dienen zum Erzeugen eines Drehfeldes in der elektrischen Maschine, die von dem Traktionsinverter betrieben wird. Beide Gruppen von Transistoren werden somit, abhängig von der Gesamtleistung, zur Erzeugung eines Drehfelds verwendet. Insbesondere die Anteile, mit denen die unterschiedlichen Gruppen Leistung erzeugen, ändern sich mit der Gesamtleistung, die zu erzeugen ist. Der Anteil kann bei geringen Gesamtleistungen bei einer Gruppe null sein, während die andere Gruppe die Gesamtleistung vollständig erzeugt. Die beiden Gruppen sind an verschiedene Wicklungssysteme der elektrischen Maschine angeschlossen. Die Wicklungssysteme sind Teil derselben elektrischen Maschine. Die Wicklungssysteme sind in demselben Stator vorgesehen (oder im selben Rotor vorgesehen). Die Wicklungssysteme wirken insbesondere auf dieselbe Welle der elektrischen Maschine.
-
Die erste Gruppe von Transistoren und die zweite Gruppe von Transistoren bilden jeweils Halbbrücken. Die erste Gruppe von Transistoren kann eine BnC-Brücke bilden, wobei n das Doppelte der Anzahl von Phasen der Gruppe entspricht. Vorzugsweise haben beide Gruppen die gleiche Phasenanzahl und somit die gleiche Anzahl an Halbbrücken.
-
Die Transistoren einer Halbbrücke sind vom gleichen Transistortyp. Die Transistoren derselben Gruppe haben denselben Transistortyp. Die Transistoren, mit denen die Halbbrücken der ersten Gruppe gebildet sind, sind von einem anderen Typ als die Transistoren, die die Halbbrücken der zweiten Gruppe bilden. Mit anderen Worten sind die Transistoren der ersten Gruppe von einem anderen Typ wie die Transistoren der zweiten Gruppe.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die erste Gruppe dreiphasig ausgebildet, und die zweite Gruppe ist dreiphasig ausgebildet. Das Entwicklungssystem weist eine Phasenanzahl auf, die der Summe der Phasen der Gruppen entspricht. Bei einer ersten dreiphasigen Gruppe und einer zweiten dreiphasigen Gruppe hat das Wicklungssystem somit sechs Phasen. Es können auch mehr als zwei Gruppen vorgesehen sein, sodass dann die Anzahl der Phasen des Wicklungssystems der Summe der einzelnen Phasen jeder einzelnen Gruppe entspricht. Haben die Gruppe die gleiche Phasenanzahl, dann hat das Wicklungssystem eine Phasenanzahl gleich dem Produkt aus der Anzahl der Gruppen multipliziert mit Phasenzahl pro Gruppe.
-
Beide Gruppen von Transistoren können in der elektrischen Maschine ein Drehfeld erzeugen. Die beiden Gruppen, die unterschiedliche Transistortypen aufweisen, werden in bestimmten Betriebsbereichen mit unterschiedlichen Leistungen angesteuert. Somit wird beim Betrieb die erste Gruppe mit einem ersten Leistungsanteil und die zweite Gruppe mit einem zweiten Leistungsanteil betrieben. Die beiden Leistungsanteile ergeben zusammen die Gesamt-Sollleistung des Traktionsinverters ergeben. Die beiden Anteile (bezogen auf den jeweiligen Absolutwert der Leistung) sind veränderlich und auch das Verhältnis der Anteile untereinander ist veränderlich. Damit ist die Verteilung der Gesamt-Sollleistung auf die Gruppen veränderlich, bis zu einem Anteil von null einer Gruppe und einem Anteil von eins für die andere Gruppe. Diese Verteilung hängt insbesondere von der Gesamt-Sollleistung ab. Dadurch kann die Leistung, die insgesamt zu erzeugen ist, entsprechend der Effizienz, die vom jeweiligen Betriebspunkt und vom Transistortyp abhängt, auf die Gruppen passend aufgeteilt werden. Dadurch kann insgesamt als Regelungsziel der Aufteilung der Soll-Gesamtleistung auf die Gruppen eine möglichst hohe Effizienz und eine möglichst geringe Verlustleistung erreicht werden. Es ergibt sich daher neben der Sollleistung eine weitere Größe, mittels der die Effizienz optimiert werden kann, nämlich die Aufteilung der Sollleistung auf die beiden Gruppen von Transistoren. Diese Aufteilung entspricht insbesondere dem Verhältnis der Anteile zueinander oder der jeweiligen Verhältnisse der Anteile zu der Gesamt-Sollleistung.
-
Vorzugsweise ist eine Ansteuerung vorgesehen (im Sinne einer Ansteuerungsvorrichtung), die eingerichtet ist, zum einen den Traktionsinverter gemäß einer (vorgegebenen) Sollleistung anzusteuern und die zum anderen eingerichtet ist, die Sollleistung auf die beiden Gruppen variabel zu verteilen. Wenn die Sollleistung in einem Geringleistungsbereich liegt, wird die erste Gruppe von Transistoren mit der Sollleistung betrieben. Das heißt im Geringleistungsbereich wird die Sollleistung vollständig von der ersten Gruppe von Transistoren umgesetzt. Im Geringleistungsbereich ist insbesondere die zweite Gruppe inaktiv. Die Ansteuerung ist ferner eingerichtet, in einem Hochleistungsbereich die Sollleistung auf beide Gruppen zu verteilen. Hierbei wird vorzugsweise die erste Gruppe gemäß ihrer Nennleistung betrieben, d.h. mit der maximalen Leistung, die von der ersten Gruppe (dauerhaft) geleistet werden kann. Die zweite Gruppe wird mit dem verbleibenden Anteil betrieben. Mit anderen Worten wird die Sollleistung auf die erste und die zweite Gruppe verteilt. Hierbei wird vorzugsweise die erste Gruppe voll ausgelastet, d.h. wird mit einem für die erste Gruppe maximalen Anteil betrieben, während die zweite Gruppe mit dem verbleibenden Anteil betrieben wird.
-
Die zweite Gruppe wird somit mit der Differenz zwischen der Solleistung und der (maximalen) Leistung bzw. Nennleistung der ersten Gruppe betrieben. Die erste und die zweite Gruppe werden im Hochleistungsbereich derart betrieben, dass sie zusammen die Sollleistung abgeben. Die von den einzelnen Gruppen geleisteten Anteile werden an die elektrische Maschine abgegeben und dort mechanisch umgesetzt. Hierbei wirken die Wicklungssysteme auf die gleiche Drehwelle der elektrischen Maschine. Insbesondere wird der Anteil, der von der ersten Gruppe umgesetzt wird, als mechanische Leistung auf die gleiche Drehwelle übertragen, auf die auch die mechanische Leistung übertragen wird, die von der zweiten Gruppe als elektrische Leistung erzeugt und von dem zweiten Wicklungssystem (und dem Rotor) in mechanische Leistung gewandelt wird.
-
Der Geringleistungsbereich ist hierbei kleiner als der Hochleistungsbereich. Der Geringleistungsbereich hat eine obere Grenze, die nicht größer ist als die untere Grenze des Hochleistungsbereichs. Die beiden Bereiche sind Leistungsbereiche und insbesondere jeweils definiert durch eine obere Leistungsgrenze und eine untere Leistungsgrenze. Im Hochleistungsbereich wird die erste Gruppe voll ausgelastet. Dadurch kann ausgenutzt werden, dass der Transistortyp der ersten Gruppe bei Volllast eine hohe Effektivität aufweist und bei nur einem Bruchteil der Vorlast eine geringe Effektivität aufweist, die insbesondere geringer ist als die Effektivität der zweiten Gruppe bei dem gleichen Leistungsbruchteil.
-
Die Ansteuerung ist eingerichtet, im Hochleistungsbereich sowohl die erste als auch die zweite Gruppe zu betreiben. Es kann in diesem Bereich nur eine Untergruppe aller Transistoren der zweiten Gruppe mit dem Anteil der Sollleistung betrieben werden, der auf die zweite Gruppe entfällt. Mit anderen Worten wird nur von einem Teil bzw. einer Untergruppe aller Transistoren der zweiten Gruppe der Anteil der Sollleistung umgesetzt, der von der gesamten zweiten Gruppe zu tragen ist. Es werden somit im Hochleistungsbereich nur ein Teil der Transistoren der zweiten Gruppe betrieben, bzw. es wird nur eine Untergruppe aller Transistoren der zweiten Gruppe betrieben. Im Hochleistungsbereich verbleibt somit zumindest ein Transistor der zweiten Gruppe inaktiv.
-
Der Hochleistungsbereich beginnt bei einer unteren Leistungsgrenze, die beispielsweise der Nenn- oder Maximalleistung der ersten Gruppe entspricht. Die obere Grenze des Hochleistungsbereichs ist kleiner als die Nennleistung oder maximale Leistung des Traktionsinverters. Es kann ein Maximalleistungsbereich vorgesehen sein, der über dem Hochleistungsbereich liegt. Die untere Grenze des Maximalleistungsbereichs ist nicht kleiner als die obere Grenze des Hochleistungsbereich. Der Maximalleistungsbereich kann sich an den Hochleistungsbereich anschließen. Im Maximalleistungsbereich arbeitet sowohl die erste Gruppe als auch die zweite Gruppe im Wesentlichen mit Nennleistung bzw. mit jeweiliger Maximalleistung. Wenn eine dritte Gruppe vorliegt, dann kann im Maximalleistungsbereich vorgesehen sein, dass diese mit der Leistung arbeitet, die der Sollleistung abzüglich der Nenn- oder Maximalleistungen der ersten und zweiten Gruppe entspricht.
-
Ein Aspekt ist es, dass der Anteil der Sollleistung, der auf die zweite Gruppe entfällt, von einer minimalen Anzahl von Transistoren der zweiten Gruppe getragen wird, insbesondere im Hochleistungsbereich. Ist ein Transistor der zweiten Gruppe aktiv und die anderen Transistoren dieser Gruppe sind inaktiv, dann wird erst dann ein weiterer Transistor der zweiten Gruppe hinzugezogen, wenn ein Transistor der zweiten Gruppe allein nicht den gesamten Anteil der Sollleistung tragen kann, der auf die zweite Gruppe entfällt. Ausgehend von einer Leistung, die von der ersten Gruppe allein getragen werden kann, wird somit bei einer erhöhten Leistung ein einzelner Transistor der zweiten Gruppe mit betrieben, während die weiteren Transistoren der zweiten Gruppe inaktiv bleiben. Wird die Leistung weiter erhöht und kann diese Leistung nichts von der ersten Gruppe und dem einzelnen Transistor der zweiten Gruppe getragen werden, dann wird ein zweiter Transistor der zweiten Gruppe hinzugezogen. Der erste und der zweite Transistor der zweiten Gruppe sowie die Transistoren der ersten Gruppe tragen dann die gesamte Sollleistung. Wird der Anteil, der auf die zweite Gruppe entfällt, von einer Untergruppe der zweiten Gruppe getragen und wird die Sollleistung weiter erhöht auf einen Wert, der nicht von der ersten Gruppe und der Untergruppe der zweiten Gruppe getragen werden kann (d.h. größer als deren Nenn- oder Maximalleistung ist), dann wird ein weiterer Transistor der zweiten Gruppe hinzugezogen, wobei die Untergruppe der zweiten Gruppe und dieser weitere Transistor den gesamten Anteil tragen, der auf die zweite Gruppe entfällt. In dieser Ausführungsform ist die Anzahl der aktiven Transistoren der zweiten Gruppe (d.h. die Anzahl der Transistoren der Untergruppe) minimal und wird nur dann erhöht, wenn die bereits aktiven Transistoren der zweiten Gruppe zusammen nicht den Anteil der Sollleistung tragen können, der auf die zweite Gruppe entfällt. Dadurch ist gewährleistet, dass die aktiven Transistoren der zweiten Gruppe, d.h. die Transistoren der Untergruppe der zweiten Gruppe, möglichst stark ausgelastet sind. Wenn die Transistoren in Halbbrücken geschaltet sind, das bezieht sich das vorangehende nicht auf einzelne Transistoren, sondern auf Transistorpaare (Highside- und Lowside-Transistor) einer Halbbrücke. Es werden dann bei einer Erhöhung der Sollleistung ganze Halbbrücken bzw. Transistorpaare zugeschaltet, falls die gesamte Leistung der bereits aktiven Halbbrücken nicht ausreicht, um die Sollleistung zu erzeugen.
-
Im Hochleistungsbereich wird mit steigendem Anteil der Sollleistung, der auf die zweite Gruppe entfällt, die Anzahl der Transistoren der Untergruppe erhöht. Die Transistoren der Untergruppe werden zusammen mit dem Anteil der Sollleistung betrieben, der auf die gesamte zweite Gruppe entfällt. Die Anzahl der Transistoren der Untergruppe (d.h. der aktiven Transistoren der zweiten Gruppe) steigt mit dem Leistungsanteil, der auf die zweite Gruppe entfällt. Die Transistoren der Untergruppe bzw. die aktiven Transistoren der zweiten Gruppe werden zusammen mit diesem Anteil betrieben, d.h. mit dem Anteil, der insgesamt auf die zweite Gruppe entfällt. Wenn die Transistoren in Halbbrücken geschaltet sind, das bezieht sich das vorangehende nicht auf einzelne Transistoren, sondern auf Transistorpaare (Highside- und Lowside-Transistor) einer Halbbrücke.
-
In einer anderen Ausführungsform werden alle Transistoren (bzw. Halbbrücken) der zweiten Gruppe im Hochleistungsbereich betrieben. Zusammen leisten diese den Anteil der Sollleistung, der auf die zweite Gruppe entfällt. Der Anteil, der auf die zweite Gruppe entfällt, verteilt sich auf alle Transistoren der zweiten Gruppe. Mit anderen Worten werden im Hochleistungsbereich alle Transistoren der zweiten Gruppe betrieben. Vorzugsweise wird der Anteil, der auf die zweite Gruppe entfällt, zu gleichen Teilen auf alle Transistoren (bzw. Halbbrücken) der zweiten Gruppe verteilt. Nach dieser Ausführungsform ist die Anzahl der im Hochleistungsbereich aktiven Transistoren (bzw. Halbbrücken) der zweiten Gruppe maximal.
-
Im Folgenden ist ein Beispiel für eine Variante dargestellt, bei der die Anzahl der aktiven Transistoren bzw. Halbbrücken der zweiten Gruppe minimal ist, und es ist ein zweites Beispiel dargestellt, bei dem die Anzahl der aktiven Transistoren bzw. Halbbrücken in der zweiten Gruppe maximal ist.
-
In beiden Beispielen sei der Inverter für eine Maximalleistung bzw. Nennleistung von 1 00kW ausgelegt. In beiden Beispielen sei die Nenn- oder Maximalleistung der ersten Gruppe erreicht, wenn diese 70 Prozent bzw. 70 kW trägt. Der Geringleistungsbereich würde sich somit von 0 kW bis 70 kW erstrecken. Der Hochleistungsbereich würde ab 70 kW beginnen. Sind beispielsweise 75 Prozent der gesamten Nennleistung als Sollleistung vorgesehen, dann entfallen 70 Prozent auf die erste Gruppe von Transistoren und 5 Prozent auf die zweite Gruppe von Transistoren. Im ersten Beispiel würden dann nur die Transistoren einer Phase der zweiten Gruppe aktiv sein, während die anderen Transistoren der zweiten Gruppe inaktiv sind. Im zweiten Beispiel würden die verbleibenden 5 Prozent der zweiten Gruppe auf alle Transistoren der zweiten Gruppe (gleichmäßig) verteilt werden. Steigt die Sollleistung auf beispielsweise 88 kW, dann gleichen die Transistoren der ersten Phase der zweiten Gruppe nicht mehr aus, sodass im ersten Beispiel eine weitere Phase hinzugezogen werden würde, um die auf die zweite Gruppe entfallende Leistung zu tragen. Im zweiten Beispiel würden sich die 18 kW, die auf die zweite Gruppe entfallen, gleichmäßig auf alle (drei) Phasen der zweiten Gruppe verteilen. Ab einer Leistung von 90 kW müssten in beiden Beispielen alle Phasen dazu beitragen, den auf die zweite Gruppe entfallenden Anteil zu wandeln. Pro Phase der zweiten Gruppe kann somit eine Leistung von 10 kW maximal getragen werden. Werden im ersten Beispiel mehr als 10 kW Leistung von der zweiten Gruppe gefordert, dann sind auch mehr als zwei Phasen der zweiten Gruppe an der Leistungsumsetzung beteiligt, das heißt die Anzahl der Transistoren der Untergruppe entspreche der Anzahl der Transistoren der Phasen, die zur Umsetzung minimal erforderlich sind. Im zweiten Beispiel würde bereits zu Beginn des Hochleistungsbereichs die auf die zweite Gruppe entfallende Leistung von allen Transistoren bzw. allen Phasen der zweiten Gruppe getragen werden. Wenn die Transistoren in Halbbrücken geschaltet sind, das bezieht sich das hier Beschriebene nicht auf einzelne Transistoren, sondern auf Transistorpaare (Highside- und Lowside-Transistor) einer Halbbrücke.
-
Der Inverter ist insbesondere als BnC-Brücke ausgebildet, wobei N die Gesamtanzahl der Transistoren ist und somit die Hälfte der Halbbrücken innerhalb der Brückenschaltung darstellt. In dieser Ausführungsform hat jede Phase des Transistors eine Halbbrücke und weist somit zwei Transistoren auf, einen Highside-Transistor und einen Lowside-Transistor. Mit steigendem Anteil, der auf die zweite Gruppe entfällt, steigt nicht nur die Anzahl der Transistoren (Halbbrücken) der Untergruppe, sondern auch die Anzahl der aktiven Phasen der zweiten Gruppe. Da entweder beide Transistoren einer Phase bzw. Halbbrücke aktiv sind oder inaktiv sind (nicht nur einer), erhöht sich mit steigendem Anteil, der auf die zweite Gruppe entfällt, die Anzahl der aktiven Transistoren um zwei bzw. die Anzahl der aktiven Phasen oder Halbbrücken um eins.
-
Bei anderen Inverterschaltungen kann pro Phase eine andere Anzahl als zwei Transistoren vorgesehen sein, wobei sich dann die Anzahl der Transistoren immer um so viele Transistoren erhöht, wie jede Phase einzeln aufweist. Wenn, gemäß dem zweiten Beispiel, der Anteil, der auf die zweite Gruppe entfällt, auf alle Transistoren der zweiten Gruppe, verteilt ist, dann wird dieser Anteil vorzugsweise auf alle Transistoren, Phasen oder Halbbrücken der zweiten Gruppe gleichmäßig verteilt.
-
Vorzugsweise sind die Transistoren der ersten Gruppe als SiC-MOSFETs ausgebildet. Die Transistoren der zweiten Gruppe können als IGBTs oder als GaN-Transistoren ausgebildet sein. Die GaN-Transistoren sind beispielsweise vom Typ HEMT. Der Transistortyp der ersten Gruppe kann somit SiC sein, insbesondere entsprechende MOSFETs und der Transistortyp der zweiten Gruppe kann IGBT oder GaN-HEMT sein.
-
Die vorangehenden Ausführungsformen werden anhand von zwei Gruppen von Transistoren beschrieben, wobei dies jedoch nicht notwendigerweise die vollständige Anzahl aller Gruppen im Inverter sein muss, vielmehr können auch mehr als zwei Gruppen von Transistoren vorgesehen sein. In einer Ausführungsform ist der Inverter ferner mit einer dritten Gruppe von Transistoren ausgestattet. Deren Transistortyp kann sich von dem Typ der Transistoren der ersten Gruppe unterscheiden und kann sich vom Transistortyp der zweiten Gruppe unterscheiden. Somit können alle drei Gruppen unterschiedliche Transistortypen aufweisen. Die drei Gruppen sind an mindestens drei verschiedene Wicklungssysteme der elektrischen Maschine angeschlossen. Die erste Gruppe ist an ein erstes Wicklungssystem angeschlossen, die zweite Gruppe ist an ein zweites Wicklungssystem angeschlossen und die dritte Gruppe ist an ein drittes Wicklungssystem angeschlossen. Vorzugsweise ist die Phasenanzahl jeder Gruppe und die Phasenanzahl in jedem Wicklungssystem gleich. Beispielsweise ist die Phasenzahl in jedem Wicklungssystem drei. Insbesondere weist jede der Gruppen jeweils drei Phasen auf. Es können anstatt von drei Phasen beispielsweise auch sechs Phasen vorgesehen sein.
-
Die Ansteuerung ist vorzugsweise eingerichtet, auch bei drei Gruppen von Transistoren innerhalb des Inverters die Sollleistung auf diese zu verteilen. Es kann vorgesehen sein, dass in einem Geringleistungsbereich nur die erste Gruppe von Transistoren betrieben wird. In diesem Fall wird die erste Gruppe von Transistoren mit der Sollleistung betrieben, wobei ferner die zweite und dritte Gruppe inaktiv sind.
-
Im Hochleistungsbereich werden vorzugsweise alle drei Gruppen verwendet, um zusammen die Sollleistung zu erbringen. In einem Zwischenleistungsbereich, der zwischen dem Geringleistungsbereich und dem Hochleistungsbereich liegt, ist vorgesehen, dass die Sollleistung von der ersten und der zweiten Gruppe erbracht wird, nicht jedoch von der dritten Gruppe. Im Geringleistungsbereich ist somit die zweite und die dritte Gruppe inaktiv, während im Zwischenleistungsbereich die dritte Gruppe inaktiv ist.
-
Der Geringleistungsbereich hat eine obere Grenze, die nicht größer ist als die Untergrenze des Zwischenleistungsbereichs. Die Obergrenze des Zwischenleistungsbereichs ist nicht größer als die Untergrenze des Hochleistungsbereichs. Vorzugsweise fügen sich der Geringleistungsbereich, der Zwischenleistungsbereich und der Hochleistungsbereich aneinander in dieser Reihenfolge mit zunehmender Leistung. Die Obergrenze des Hochleistungsbereichs kann der Nennleistung bzw. der maximalen Leistung des Inverters entsprechen. Alternativ liegt die Nenn- oder Maximalleistung des Inverters über dem Hochleistungsbereich, wobei die Obergrenze des Hochleistungsbereichs kleiner ist als die Nenn- oder Maximalleistung des Inverters. Die Transistoren der ersten Gruppe können vom Typ IGBT sein (Si-IGBT), die Transistoren der zweiten Gruppe können vom Typ SiC sein (SiC-MOSFETs) und die Transistoren der dritten Gruppe können vom Typ GaN sein (GaN-HEMT).
-
Der Fahrzeug-Traktionsinverter kann nähere Abschnitte aufweise, wobei jedem Abschnitt einem der Entwicklungssysteme der elektrischen Maschine zugeordnet ist. Somit weist der Inverter mehrere Wicklungssystem-Abschnitte auf. Diese Abschnitte haben jeweils die gleiche Phasenzahl. Die Phasenzahl jenes Wicklungssystem-Abschnitts des Inverters entspricht insbesondere der Phasenzahl jedes Wicklungssystem der elektrischen Maschine. Beispielsweise kann der Inverter mehrere dreiphasige Abschnitte aufweisen, wobei jeder Abschnitt mit einem dreiphasigen Wicklungssystem der elektrischen Maschine verbunden ist. Jeder Abschnitt kann auch sechs oder neun Phasen aufweisen, wobei dann vorzugsweise auch jedes Wicklungssystem sechs oder neun Phasen aufweist.
-
Diese vielfache Ausprägung von Phasen dient auch zur Ausbildung von Redundanzen. Die Ansteuerung kann eingerichtet sein, in einem fehlerfreien Betrieb alle Gruppen zu betreiben (bzw. im Hochleistungsbereich alle Gruppen aktiv vorzusehen). Die Ansteuerung ist somit im fehlerfreien Betrieb eingerichtet, abhängig von der Leistung, die Sollleistung auf alle Gruppen zu verteilen, insbesondere bei Sollleistungen innerhalb des Hochleistungsbereichs. In einem Fehlerbetrieb, in dem eine der Gruppen einen Fehler aufweist, werden nur die fehlerfreien Gruppen zu betreiben. Mit anderen Worten ist die Ansteuerung ausgestaltet, um in einem Fehlerbetrieb die fehlerbehaftete Gruppe in keinem der Leistungsbereiche zu betreiben und die zu erzeugende Leistung im Fehlerbetrieb entweder auf die fehlerfreien Gruppen von Transistoren zu verteilen oder nur eine fehlerfreie Gruppe mit der zu erzeugenden Leistung zu betreiben. Die im Fehlerbetrieb zu erzeugende Leistung ist insbesondere geringer als die Sollleistung. Dadurch kann bei Ausfall einer Gruppe das Fahrzeug noch (mit verminderter Leistung) bewegt werden.
-
Die 1 zeigt einen beispielhaften Fahrzeugantrieb zur schematischen Darstellung von Ausführungsformen des hier beschriebenen Antriebs.
-
Die 1 zeigt einen Fahrzeug-Traktionsinverter I (kurz: Inverter I) sowie eine elektrische Maschine IM. Es ist symbolhaft dargestellt, dass die einzelnen Phasen U1 bis W1 sowie U2 bis W2 des Inverters mit den einzelnen Phasen der elektrischen Maschine U1 bis W1 und U2 bis W2 verbunden sind. Daher tragen diese die gleichen Bezugszeichen. Allgemein weist der Inverter I somit einen mehrphasigen Ausgang auf, der mit den Wicklungssystemen der elektrischen Maschine IM verbunden ist.
-
Die elektrische Maschine hat ein erstes Wicklungssystem U1, V1, W1 und ein zweites Wicklungssystem U2, V2, W2. Der Inverter I weist eine erste Gruppe von Transistoren G1 auf, wobei die Transistoren der Gruppe G1 mit SI bezeichnet sind. Eine die Transistoren einer zweiten Gruppe G2 sind mit TS bezeichnet. Die Transistoren TI der ersten Gruppe G1 sind Silicium-IGBT, d.h. Transistoren vom Typ „isoliertes Gate-Bipolartransistor“ und basieren auf Siliciumtechnik. Die Transistoren TS der zweiten Gruppe G2 sind vom Typ Silicium-Carbid-MOSFET, das heißt Metalloxid-Felddefekttransistoren basierend auf Silicium-Carbid (SiC)-Material.
-
Die Transistoren der ersten und der zweiten Gruppe sind jeweils als B6C-Brücke verbunden. Mit anderen Worten weist die erste Gruppe drei Halbbrücken mit Transistoren TI auf. Auch die zweite Gruppe G2 weist drei Halbbrücken mit Transistoren TS auf. Somit sind beide Gruppen G1, G2 jeweils dreiphasig. Auch das erste Wicklungssystem U1, V1, W1 der elektrischen Maschine EM ist dreiphasig. Dies gilt auch für das zweite Wicklungssystem U2, V2, W2 der elektrischen Maschine EM. Die beiden Wicklungssysteme der elektrischen Maschine sind zueinander winkelversetzt angeordnet. Schließlich sei bemerkt, dass der Inverter einen Gleichspannungseingang +/- aufweist, zu dem ein Zwischenkreiskondensator C parallelgeschaltet ist. An die betreffenden Potentialschienen +/- des Gleichspannungseingangs sind die Halbbrücken der ersten Brücke G1 und die Halbbrücken der zweiten Gruppe G2 angeschlossen. Jede Halbbrücke hat einen Highside-Transistor, der mit einer ersten Potentialschiene + verbunden ist, und einen Lowside-Transistor, der mit einer zweiten Potentialschiene - verbunden ist. Die beiden Transistoren jeder Halbbrücke sind über einen Verbindungspunkt miteinander verbunden, der eine Phase U1 - W2 darstellt.
-
In der 1 ist symbolhaft dargestellt, dass eine Steuerung S diese Transistoren ansteuert. Die Steuerung ist eingerichtet, die Transistoren zur Erzeugung eines Drehfelds in der angeschlossenen elektrischen Maschine gemäß einer Solleistung (gezogen auf den gesamten Inverter I) anzusteuern. In einem Beispiel wird zunächst eine geringe Sollleistung vorgesehen, die von dem Inverter I zu erbringen ist. Die Steuerung S betreibt in diesem Fall nur die erste Gruppe G1 mit SiC-MOSFETs. Für Sollleistungen, bei denen der Betrieb der ersten Gruppe G1 nicht ausreicht, um die Sollleistung umzusetzen, werden Transistoren TS bzw. Halbbrücken der zweiten Gruppe G2 hinzugeschaltet bzw. zur Miterzeugung des Drehfelds aktiv betrieben.
-
In einem Geringleistungsbereich, der einen Leistungsbereich abdeckt, welcher vollständig von der ersten Gruppe G1 ausschließlich abgedeckt werden kann, werden nur die Transistoren TI der ersten Gruppe G1 betätigt. In diesem Fall sind die Transistoren TS der Gruppe G2 inaktiv. Bei Sollleistungen innerhalb des Geringleistungsbereichs arbeiten somit nur die Transistoren der Gruppe G1, um ein Drehfeld in dem ersten Wicklungssystem U1, V1, W1 zu erzeugen. In dem zweiten Wicklungssystem U2, V2, W2 wird bei dieser Ausführungsform kein Drehfeld erzeugt. Wird die Sollleistung über den Geringleistungsbereich hinaus erhöht, dann erreicht die Sollleistung einen Hochleistungsbereich.
-
Bei einer Sollleistung, die in einem Hochleistungsbereich liegt, werden nicht nur die Transistoren der ersten Gruppe G1 betrieben, sondern auch Transistoren der Gruppe G2. Der Hochleistungsbereich deckt Sollleistungen ab, die größer sind als die maximal von der ersten Gruppe G1 zu leistende Leistung. Um diese umzusetzen, wird die zweite Gruppe G2 (zunächst teilweise) hinzugeschaltet. Abhängig von dem Anteil, der von der zweiten Gruppe G2 zu leisten ist, wird nur eine Halbbrücke angesteuert, oder es werden zwei Halbbrücken angesteuert oder es werden alle Halbbrücken angesteuert. Der Anteil, der von der zweiten Gruppe zu leisten ist, entspricht der Sollleistung abzüglich der Nenn- oder Maximalleistung der ersten Gruppe. Dieser Anteil kann auch als G2-Anteil bezeichnet werden. Die Ansteuerung S steuert die einzelnen Halbbrücken an bzw. sieht so viel wie möglich inaktive Halbbrücken der zweiten Gruppe G2 vor.
-
Bei einer G2-Anteil, der weniger als ein Drittel der Maximalleistung der Gruppe G2 über der Maximal- oder Nennleistung der Gruppe G2 liegt, steuert die Ansteuerung S nur eine der drei Halbbrücken der Gruppe G2 an. Diese bildet dann die Untergruppe aller Transistoren, die mit dem Anteil der Sollleistung betrieben wird, der auf die zweite Gruppe entfällt. Wenn der G2-Anteil nicht größer ist als die Maximal- oder Nennleistung einer Halbbrücke der Gruppe G2, dann wird nur eine Halbbrücke der Gruppe G2 betrieben. Wenn der G2-Anteil nicht größer ist als die Maximal- oder Nennleistung von zwei Halbbrücken der Gruppe G2, dann werden nur zwei Halbbrücken der Gruppe G2 betrieben.
-
Bei einem G2-Anteil (innerhalb des Hochleistungsbereichs) größer als die Nenn- oder Maximalleistung einer Halbbrücke der Gruppe G2, ist die Ansteuerung S eingerichtet, eine zweite Halbbrücke hinzuzunehmen. Dadurch wird der Anteil, der auf die zweite Gruppe entfällt (= G2-Anteil), von zwei Halbbrücken (und nicht drei) getragen wird. Bei einer Sollleistung, die nicht von der Summe der Transistoren der Gruppe G1 und von zwei Halbbrücken der Gruppe G2 getragen werden kann, wird auch die dritte Halbbrücke der zweiten Gruppe G2 hinzugeschalten. In diesem Fall arbeiten alle dargestellten Halbbrücken, sodass die Ansteuerung S alle dargestellten Transistoren zur Umsetzung der Sollleistung ansteuert. Dementsprechend erzeugen auch Wicklungen des zweiten Wicklungssystem ein Drehmoment bzw. ein elektrisches Feld, wobei die Anzahl der Drehmoment erzeugenden Wicklungen des zweiten Wicklungssystems mit der Sollleistung ansteigt.
-
Andere Ausführungsformen sehen vor, dass in dem Hochleistungsbereich generell alle drei Halbbrücken der Gruppe G2 betrieben werden, diese jedoch mit geringerer Leistung. Mit anderen Worten wird in diesen Ausführungsformen vorgesehen, dass der Anteil der Sollleistung, der auf die zweite Gruppe entfällt, auf alle Halbbrücken aufgeteilt wird, unabhängig von dem Wert der Sollleistung innerhalb des Hochleistungsbereichs. Liegt bei diesen Ausführungsformen die Sollleistung im Geringleistungsbereich, das heißt in einem Bereich, in dem die erste Gruppe alleine die gesamte Sollleistung tragen kann, dann ist die Ansteuerung eingerichtet, die zweite Gruppe G2 vollständig inaktiv vorzusehen. Liegt bei diesen Ausführungsformen die Sollleistung im Hochleistungsbereich, dann wird die Gruppe G1 mit der Nenn- oder Maximalleistung der Transistoren TI betrieben und die verbleibende Leistung wird von den Transistoren TS getragen.
