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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungswandleranordnung, ein elektrisches Antriebssystem und Verfahren zum Betreiben einer Spannungswandleranordnung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Spannungswandlung unter Verwendung von Komponenten eines elektrischen Antriebssystems.
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Stand der Technik
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Ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge verfügen in der Regel über ein elektrisches Antriebssystem, bei welchem elektrische Energie von einem Energiespeicher, wie beispielsweise einer Traktionsbatterie, mittels eines Stromrichters an einer elektrischen Maschine bereitgestellt wird. Der hierfür genutzte elektrische Energiespeicher kann mittels einer externen Energiequelle aufgeladen werden. Hierzu ist in der Regel eine separate Ladeschaltung erforderlich.
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Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, Komponenten des elektrischen Antriebssystems für das Aufladen des elektrischen Energiespeichers zu nutzen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der Druckschrift
DE 10 2018 207 188 A1 beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Spannungswandleranordnung, ein elektrisches Antriebssystem und ein Verfahren zum Betreiben einer Spannungswandleranordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- Eine Spannungswandleranordnung mit einer Spannungswandlerschaltung und einer Steuereinrichtung. Die Spannungswandlerschaltung ist dazu ausgelegt, mit einer mehrphasigen elektrischen Maschine verbunden zu werden. Weiterhin ist die Spannungswandlerschaltung dazu ausgelegt, bei Stillstand der elektrischen Maschine in einem ersten Betriebsmodus eine an der Spannungswandlerschaltung bereitgestellte Eingangsgleichspannung in eine vorbestimmte Ausgangsgleichspannung zu konvertieren. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, während der Konvertierung der elektrischen Eingangsgleichspannung in die vorbestimmte Ausgangsgleichspannung elektrische Ströme durch mindestens eine Phasenwicklung einer an die Spannungswandlerschaltung angeschlossenen mehrphasigen elektrischen Maschine einzustellen. Das Einstellen der elektrischen Ströme durch die jeweiligen Phasenwicklung erfolgt hierbei insbesondere unter Verwendung einer Rotorposition der elektrischen Maschine.
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Weiterhin ist vorgesehen:
- Ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Spannungswandleranordnung und einer mehrphasigen elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine ist hierbei mit der Spannungswandleranordnung elektrisch gekoppelt.
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Schließlich ist vorgesehen:
- Ein Verfahren zum Betreiben einer Spannungswandleranordnung. Die Spannungswandleranordnung umfasst hierbei eine Spannungswandlerschaltung. Die Spannungswandlerschaltung ist dazu ausgelegt, mit einer mehrphasigen elektrischen Maschine verbunden zu werden. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Ermitteln einer Rotorposition einer an die Spannungswandlerschaltung angeschlossenen elektrischen Maschine. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Ansteuern der Spannungswandlerschaltung zur Konvertierung einer an der Spannungswandlerschaltung bereitgestellte Eingangsgleichspannung in eine vorbestimmte Ausgangsgleichspannung. Das Konvertieren der Eingangsgleichspannung in die Ausgangsgleichspannung erfolgt insbesondere bei Stillstand der angeschlossenen elektrischen Maschine. Hierbei werden durch das erfindungsgemäße Verfahren während der Konvertierung der elektrischen Eingangsgleichspannung in die vorbestimmte Ausgangsgleichspannung elektrische Ströme durch mindestens eine Phasenwicklung der an die Spannungswandlerschaltung angeschlossenen mehrphasigen elektrischen Maschine individuell eingestellt. Das Einstellen der elektrischen Ströme erfolgt insbesondere unter Verwendung der ermittelten Rotorposition der elektrischen Maschine.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die resultierenden Induktivitäten der einzelnen Phasenwicklungen einer mehrphasigen elektrischen Maschine in Abhängigkeit der Rotorlage der elektrischen Maschine, insbesondere bei permanent erregten Synchronmaschinen, variieren können. Werden daher Komponenten des elektrischen Antriebssystems für eine Spannungswandlung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung genutzt, so können auch die aus den oder positionsabhängigen Induktivitäten resultierenden elektrischen Eigenschaften schwanken.
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Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und die Rotorposition sowie die daraus resultierenden variablen Induktivitäten der Phasenwicklungen in einer elektrischen Maschine bei der Nutzung von Komponenten eines elektrischen Antriebssystems für eine Spannungswandlung zu berücksichtigen.
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Hierzu ist es vorgesehen, bei der Nutzung von Komponenten eines elektrischen Antriebssystems für eine Spannungswandlung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung, die elektrischen Ströme durch die Phasenwicklungen, d.h. die Statorwicklungen einer angeschlossenen elektrischen Maschine individuell anzupassen. Mit anderen Worten werden für die Spannungswandlung mehrere Phasenwicklungen in einer angeschlossenen elektrischen Maschine genutzt, so können die elektrischen Ströme durch die genutzten Phasenwicklungen separat angepasst werden. Das Einstellen der jeweiligen Ströme durch die einzelnen Phasenwicklungen kann dabei insbesondere unter Berücksichtigung der aktuellen Rotorposition bzw. der hieraus resultierenden individuellen Induktivitäten der Phasenwicklungen sowie der geforderten Gesamtstromstärke erfolgen.
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Auf diese Weise ist es möglich, das Gesamtsystem für die Spannungswandlung der Eingangsgleichspannung in die Ausgangsgleichspannung auf die jeweils resultierenden Induktivitäten der angeschlossenen elektrischen Maschine anzupassen. Auf diese Weise kann das Betriebsverhalten für die Spannungswandlung optimiert werden.
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Insbesondere kann durch die Berücksichtigung der Rotorlage und der daraus resultierenden oder Induktivitäten für das Bestromen der Phasenwicklungen der resultierende Strom- und/oder Spannungsrippel minimiert werden. Hierdurch sinken auch die Anforderungen für Filter- oder Entstörmaßnahmen. Insbesondere kann beispielsweise die erforderliche Kapazität zur Kompensation der genannten Strom- und/oder Spannungsregler minimiert werden. Darüber hinaus kann durch das erfindungsgemäße individuelle Bestromen der Phasenwicklungen in Abhängigkeit von der Rotorlage auch ein während der Spannungswandlung auftretendes Moment in der elektrischen Maschine minimiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Spannungswandlerschaltung einen Gleichspannungsanschluss und einen Wechselspanungsanschluss. Der Gleichspannungsanschluss ist hierbei dazu ausgelegt, mit einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer Batterie, verbunden zu werden. Der Wechselspannungsanschluss ist dazu ausgelegt, mit der elektrischen Maschine verbunden zu werden. Ferner kann die Spannungswandlerschaltung dazu ausgelegt sein, in dem ersten Betriebsmodus die Eingangsgleichspannung zwischen einem Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses und einem Motoranschluss zu empfangen und die Ausgangsgleichspannung zwischen dem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses bereitzustellen. Somit kann es sich bei der Spannungswandlerschaltung beispielsweise um einen elektrischen Stromrichter handeln, der dazu ausgelegt ist, eine elektrische Maschine unter Verwendung der von dem elektrischen Energiespeicher am Gleichspannungsanschluss bereitgestellten elektrischen Energie anzusteuern zusätzlich oder alternativ kann ein solcher elektrischer Stromrichter den elektrischen Energiespeicher unter Verwendung von elektrische Energie aufladen, die in Form einer Wechselspannung von der elektrischen Maschine bereitgestellt wird. Eine solche Schaltungsverordnung kann in einem weiteren Betriebsmodus, der hier als erster Betriebsmodus bezeichnet wird, dazu genutzt werden, um die von einer externen Gleichspannungsquelle bereitgestellte Gleichspannung in eine Gleichspannung zu konvertieren, die dazu geeignet ist, den elektrischen Energiespeicher aufzuladen. Hierzu ist der elektrische Energiespeicher unverändert am Gleichspannungsanschluss angeschlossen. Die Eingangsgleichspannung kann hierbei zwischen einem Anschlusspunkt (vorzugsweise dem Minuspol) des elektrischen Energiespeichers und einem Motoranschluss bereitgestellt werden. Je nach Konfiguration kann als Motoranschluss hierbei entweder ein Phasenanschluss der elektrischen Maschine oder ein Sternpunkt der elektrischen Maschine genutzt werden. Mit anderen Worten, die Eingangsgleichspannung von der externen Energiequelle wird zwischen einem Phasenanschluss oder dem Sternpunkt der elektrischen Maschine und einem Anschlusspunkt des elektrischen Energiespeichers bzw. Gleichspannungsanschlusses der Spannungswandlerschaltung bereitgestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung der Spannungswandleranordnung dazu ausgelegt, den elektrischen Strom bzw. die elektrische Ströme durch die mindestens eine der Phasenwicklung unter Verwendung eines Sollwerts für einen einzustellenden Gesamtstrom einzustellen. Der Gesamtstrom kann sich hierbei beispielsweise auf den elektrischen Strom am Eingang oder Ausgang der Spannungswandleranordnung beziehen. Entsprechend kann der einzustellenden Gesamtstrom gemäß der Rotorposition auf eine oder mehrere der Phasenwicklungen aufgeteilt werden. Beispielsweise kann es bei relativ geringen Gesamtströmen ausrichten sein, den Strom vollständig einer Phasenwicklungen zuzuordnen. Für höhere Ströme kann es dagegen erforderlich sein, den Gesamtstrom auf zwei oder mehr Phasenwicklungen aufzuteilen. Bei dieser Aufteilung kann dabei insbesondere auch die Rotorposition bzw. die sich aus der Rotorposition für die einzelnen Phasenwicklungen ergebenden Induktivitäten mitberücksichtigt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung der Spannungswandleranordnung dazu ausgelegt, jeweils Induktivitätswerte für die Phasenwicklungen der an die Spannungswandlerschaltung angeschlossenen mehrphasigen elektrischen Maschine zu bestimmen. Das Bestimmen der einzelnen Induktivitäten für die jeweiligen Phasenwicklungen kann insbesondere unter Verwendung der Rotorposition der elektrischen Maschine erfolgen. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die elektrischen Ströme durch die Phasenwicklungen der elektrischen Maschine unter Verwendung der ermittelten Induktivitätswerte einzustellen. Durch das Ermitteln der resultierenden Induktivitätswerte für die Phasenwicklungen der angeschlossenen elektrischen Maschine steht somit eine Größe zur Verfügung, die sehr gut dazu geeignet ist, die elektrischen Ströme durch die jeweiligen Phasenwicklungen festzulegen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Spannungswandleranordnung eine Speichereinrichtung. Die Speichereinrichtung ist dazu ausgelegt, Daten für einen Zusammenhang zwischen der Rotorposition der elektrischen Maschine und den einzustellenden elektrischen Strömen in den Phasenwicklungen der elektrischen Maschine bereitzustellen., In diesem Fall kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, die in der Speichereinrichtung gespeicherten Daten auszulesen und die elektrischen Ströme durch die einzelnen Phasenwicklungen eine angeschlossene elektrischen Maschine unter Verwendung der aus der Speichereinrichtung ausgelesenen Daten einzustellen. Beispielsweise können die Zusammenhänge zwischen der Rotorposition und den jeweils einzustellenden elektrischen Strömen in Form einer sogenannten Lookup-Tabelle oder in beliebiger anderer Form abgespeichert sein. Neben einer tabellarischen Form ist insbesondere auch das Bereitstellen eines formelhaften Zusammenhangs zwischen Rotorposition und einzustellenden elektrischen Strömen möglich. Ferner sind auch komplexere Zusammenhänge möglich, bei welchen neben der Rotorposition und den einzustellenden elektrischen Strömen auch weitere Parameter berücksichtigt werden. Solche weiteren Parameter können beispielsweise Eingangsstrom, Ausgangsstrom, Eingangsspannung, Ausgangsspannung oder beliebige andere Betriebsparameter, wie beispielsweise Temperaturen, insbesondere Rotor- und/oder Statortemperaturen o. ä., umfassen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, eine Phasenverschiebung zwischen den elektrischen Strömen durch mindestens zwei Phasenwicklungen der an die Spannungswandlerschaltung angeschlossenen mehrphasigen elektrischen Maschine einzustellen. Das Einstellen kann hierbei unter Verwendung einer Rotorposition der elektrischen Maschine und ggf. der geforderten Ladestromstärke erfolgen. Insbesondere kann eine Phasenverschiebung zwischen elektrischen Wechselspannungen, mit denen die einzelnen Rotorphasen beaufschlagt werden, in Abhängigkeit der Rotorposition und/oder der resultierenden individuellen Induktivitäten der einzelnen Phasenwicklungen angepasst werden. Beispielsweise können auch bei einer pulsbreitenmodulierten Ansteuerung zur Beaufschlagung der einzelnen Phasenwicklungen mit elektrischen Strömen die steigenden oder fallenden Flanken der einzelnen Pulse oder die Pulsmitten in Abhängigkeit der Rotorlage angepasst werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung der Spannungswandleranordnung dazu ausgelegt, ein Signal von einem Rotorwinkelsensor der elektrischen Maschine zu empfangen. In diesem Fall können die elektrischen Ströme durch die Phasenwicklungen der elektrischen Maschine unter Verwendung des empfangen Signals von dem Rotorwinkelsensor eingestellt werden. Mit anderen Worten, die Ermittlung der jeweiligen Rotorlage erfolgt durch das Empfangen eines entsprechenden Sensorsignale von einem mit der elektrischen Maschine gekoppelten Rotorwinkelsensor.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung der Spannungswandleranordnung dazu ausgelegt, die Rotorposition der an die Spannungswandlerschaltung angeschlossenen mehrphasigen elektrischen Maschine zu berechnen oder abzuschätzen. Entsprechend können die elektrischen Ströme durch die Phasenwicklungen der elektrischen Maschine unter Verwendung der so ermittelten Rotorposition eingestellt werden. In diesem Fall kann die Rotorlage der angeschlossenen elektrischen Maschine auf Grundlage eines mathematischen Modells oder ähnlichem berechnet oder abgeschätzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung der Spannungswandleranordnung dazu ausgelegt, die elektrischen Ströme durch die Phasenwicklungen der elektrischen Maschine ferner unter Verwendung weiterer Betriebsparameter der Spannungswandleranordnung und/oder der an die Spannungswandlerschaltung angeschlossenen mehrphasigen elektrischen Maschine einzustellen. Hierdurch kann jeweils ein optimaler Betriebspunkt ermittelt werden, welcher neben der Rotorlage eine angeschlossene elektrischen Maschine und den daraus resultierenden individuellen Induktivitäten in den Phasenwicklungen auch weitere Betriebsparameter für einen optimalen Betrieb mitberücksichtigt. Solche weiteren Betriebsparameter können beispielsweise Spannungs-/Stromhöhe von Eingangs- und/oder Ausgangsspannung, Betriebstemperaturen, insbesondere berechnete, abgeschätzte oder gemessene Temperaturen in oder an der angeschlossenen elektrischen Maschine, insbesondere am Stator und/oder Rotor der elektrischen Maschine sowie beliebige weitere geeignete Betriebsparameter umfassen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Spannungswandleranordnung ferner dazu ausgelegt, in einem zweiten Betriebsmodus eine elektrische Spannung zum Ansteuern der mehrphasigen elektrischen Maschine bereitzustellen. Mit anderen Worten, die erfindungsgemäße Spannungswandleranordnung ist einerseits dazu geeignet, eine angeschlossene elektrische Maschine anzusteuern. Darüber hinaus ist die Spannungswandleranordnung dazu geeignet, die Induktivitäten der Phasenwicklungen diese angeschlossene elektrischen Maschine auch für eine Spannungswandlung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung zu nutzen. Somit kann beispielsweise ein elektrisches Antriebssystem realisiert werden, welches für den Betrieb elektrischen Maschine elektrische Energie von einem angeschlossenen Energiespeicher bezieht. Dabei kann dieser elektrische Energiespeicher unter Verwendung von Komponenten der Ansteuerschaltung der elektrischen Maschine sowie der Induktivitäten der Phasenwicklungen der angeschlossenen elektrischen Maschine aufgeladen werden. Hierdurch wird eine Mehrfachnutzung der vorhandenen Komponenten ermöglicht.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: ein Prinzipschaubild einer Schaltungsanordnung für ein elektrisches Antriebssystem, wie sie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen kann;
- 2: ein Prinzipschaubild einer alternativen Schaltungsanordnung für ein elektrisches Antriebssystem, wie sie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen;
- 3: eine schematische Darstellung eines Blockschaubildes eines elektrischen Antriebssystems mit einer Spannungswandleranordnung gemäß einer Ausführungsform; und
- 4: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Betreiben einer Spannungswandleranordnung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für ein elektrisches Antriebssystem. Das elektrische Antriebssystem umfasst eine Spannungswandlerschaltung 10. Diese Spannungswandlerschaltung 10 kann an einem Gleichspannungsanschluss mit einem elektrischen Energiespeicher 3, beispielsweise einer Batterie, elektrisch gekoppelt werden. Hierzu kann der Gleichspannungsanschluss zum Beispiel zwei Anschlusspunkte aufweisen, an welchen die beiden Pole des elektrischen Energiespeichers 3 angeschlossen werden können. Ferner kann die Spannungswandlerschaltung 10 an einem Wechselspannungsanschluss mit einer elektrischen Maschine 2 elektrisch gekoppelt werden. Bei der elektrischen Maschine 2 kann es sich beispielsweise um eine mehrphasige elektrische Maschine mit z.B. drei Phasenwicklungen W1, W2, W3 handeln. Entsprechend kann der Wechselspannungsanschluss für jede Phasenwicklung W1, W2, W3 einen Anschlusspunkt aufweisen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dreiphasige elektrische Maschinen beschränkt. Vielmehr können grundsätzlich beliebige andere mehrphasigen elektrische Maschinen mit einer von drei abweichenden Anzahl von Phasenwicklungen eingesetzt werden.
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Für den Betrieb des elektrischen Antriebssystems kann die Spannungswandlerschaltung 10 die von dem elektrischen Energiespeicher 3 bereitgestellter Spannung gemäß einer Sollwertvorgabe in eine mehrphasige elektrische Wechselspannung konvertieren und diese an der elektrischen Maschine 2 bereitstellen. Hierzu können die Schaltelemente S1-S6 der Spannungswandlerschaltung 10 entsprechend angesteuert werden.
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In einem weiteren Betriebsmodus kann die Spannungswandlerschaltung 10 mit der angeschlossenen elektrischen Maschine 2 dazu genutzt werden, um eine elektrische Spannung von einer externen Energiequelle 4 in eine elektrische Spannung zu konvertieren, welche dazu geeignet ist, den Energiespeicher 3 aufzuladen. Hierbei können die Phasenwicklungen W1, W2, W3 als induktive Bauelemente genutzt werden. Hierzu kann von der externen Energiequelle 4 elektrische Energie, insbesondere in Form einer Gleichspannung, zwischen einem Motoranschluss und einem Anschlusspunkt des Energiespeichers 3 bereitgestellt werden. Bevorzugt werden hierzu eventuell vorhandene Schalter zwischen der externen Energiequelle 4 und dem Motoranschluss und einem Anschlusspunkt des Energiespeichers 3, bevorzugt dem negativen Anschlusspunkt oder dem Minuspol des Energiespeichers 3, geschlossen. Wie im nachfolgenden noch näher erläutert wird, dann es sich beim bei dem Motoranschluss insbesondere entweder um einen Anschluss an einer der Phasenwicklungen oder um einen Anschluss an dem Sternpunkt der Phasenwicklungen handeln.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform kann hierzu beispielsweise ein Anschluss der externen Energiequelle 4 mit einem Sternpunkt S der elektrischen Maschine 2 elektrisch gekoppelt werden. Diese Schaltungsanordnung wird auch als W-Verschaltung bezeichnet. Die Phasenwicklungen W1, W2, W3 können dabei durch geeignetes Takten der Schaltelemente M1-M6 der Spannungswandlerschaltung 10 bestromt werden. Auf diese Weise kann die Spannungshöhe und/oder Stromstärke zum Aufladen des Energiespeichers 3 aus der externen Energiequelle 4 angepasst werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Schaltungsanordnung eines elektrischen Antriebssystems, bei welchem ebenfalls die Spannungswandlerschaltung 10 und die elektrische Maschine 2 dazu genutzt werden können, die von der externen Energiequelle 4 bereitgestellte elektrische Spannung in eine Spannung zu konvertieren, die zum Aufladen des Energiespeicher 3 geeignet ist. Die Schaltungsanordnung gemäß 2 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Schaltungsanordnung insbesondere dadurch, dass hierbei nicht der Sternpunkt S der elektrischen Maschine 2 mit einem Anschluss der externen Energiequelle 4 verbunden ist, sondern der Anschluss einer Phasenwicklung W3. Eine solche Schaltungsanordnung wird auch als Y-Verschaltung bezeichnet. Bevorzugt werden auch hier hierzu eventuell vorhandene Schalter zwischen der externen Energiequelle 4 und dem Motoranschluss und einem Anschlusspunkt des Energiespeichers 3, bevorzugt dem negativen Anschlusspunkt oder dem Minuspol des Energiespeichers 3, geschlossen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaltbildes für ein elektrisches Antriebssystem gemäß einer Ausführungsform. Das elektrische Antriebssystem kann hierbei eine Spannungswandleranordnung 1 umfassen, welche mit einer elektrischen Maschine 2 elektrisch verbunden ist. Die Spannungswandleranordnung 1 kann dabei eine Spannungswandlerschaltung 10 umfassen, welche eine von einem elektrischen Energiespeicher 3 bereitgestellte elektrische Spannung, insbesondere eine Gleichspannung, in eine elektrische Spannung konvertiert, die dazu geeignet ist, die elektrische Maschine 2 anzusteuern. Hierbei kann sich insbesondere um eine der zuvor in Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen Spannungswandlerschaltungen 10 handeln. Entsprechend kann die Spannungswandleranordnung 1 mit der Spannungswandlerschaltung 10 auch in einem weiteren Betriebsmodus elektrische Energie von einer externen Energiequelle 4 in eine elektrische Spannung konvertieren, die dazu geeignet ist, den Energiespeicher 3 aufzuladen. Hierzu kann die Spannungswandlerschaltung 10 und insbesondere die Schaltelemente M1-M6 der Spannungswandlerschaltung 10, durch entsprechende Ansteuersignal von der Steuereinrichtung 20 angesteuert werden. Ferner können auch die in den 1 und 2 nicht näher spezifizierten Schaltelemente zwischen der externen Energiequelle 4, der Spannungswandlerschaltung 10 und dem elektrischen Energiespeicher 3 in geeigneter Weise je nach Betriebsmodus geöffnet oder geschlossen werden.
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Im Betriebsmodus zur Konvertierung der Eingangsgleichspannung von der externen Energiequelle 4 in eine elektrische Spannung zum Aufladen des Energiespeichers 3 die Phasenwicklung W1, W2, W3 werden in der elektrischen Maschine 2 als induktive Bauelemente genutzt. Dabei können die von den jeweiligen Phasenwicklung W1, W2, W3 der elektrischen Maschine 2 resultierenden Induktivitäten in Abhängigkeit der Lage des Rotors und des gewünschten Gesamtstroms durch die Phasenwicklungen W1, W2, W3 der elektrischen Maschine 2 variieren. Daher passt die Steuereinrichtung 20 der Spannungswandleranordnung 1 die Ansteuerung der Spannungswandlerschaltung 10 entsprechend der Rotorlage der elektrischen Maschine 2 bzw. der daraus resultierenden Induktivitäten der Phasenentwicklungen W1, W2, W3 an. Hierdurch erfolgt für jede genutzte Phasenwicklung W1, W2, W3 eine individuelle Bestromung in Abhängigkeit der Rotorlage der elektrischen Maschine 2.
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Hierzu können beispielsweise die aktuelle Rotorlage des Rotors der elektrischen Maschine 2 mittels eines Rotorlagensensors 2a oder Resolvers erfasst und an der Steuereinrichtung 20 bereitgestellt werden. Alternativ können auch beliebige andere Verfahren zur Ermittlung der Rotorlage eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Rotorlage auch mittels eines sensorlosen Verfahrens bestimmt oder abgeschätzt werden.
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Für die Ansteuerung der Spannungswandlerschaltung 10 kann in der Steuereinrichtung 20 beispielsweise ein Zusammenhang zwischen Rotorlage und Parametern zur Ansteuerung der Spannungswandlerschaltung 10 hinterlegt sein. Hierzu kann zum Beispiel in der Steuereinrichtung 20 eine Speichervorrichtung 21 vorgesehen sein, welche vorab ermittelte Zusammenhänge zwischen Rotorlage und Ansteuerungsparametern speichert und bereitstellt. Diese Zusammenhänge können beispielsweise in tabellarischer Form, z.B. in Form einer sogenannten Lookup-Tabelle oder ähnlichem bereitgestellt werden. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere Möglichkeiten zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen Rotorlage und Ansteuerung der Spannung von der Schaltung 10 möglich. Insbesondere sind zum Beispiel auch Zusammenhänge mittels einer Formelbeziehung, eines mathematischen Modells oder ähnlichem möglich.
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Darüber hinaus können für die Anpassung der Ansteuerung der Spannungswandlerschaltung 10 neben der aktuellen Rotorlage auch weitere geeignete Parameter mit in Betracht gezogen werden. Beispielsweise kann die Ansteuerung auch in Abhängigkeit von Eingangsspannung, Eingangsstrom, Ausgangsspannung, Ausgangsstrom oder weiteren Betriebsparameter wie Temperatur, beispielsweise Motortemperatur, insbesondere Temperaturen in den Phasenwicklungen oder dem Rotor der elektrischen Maschine 2 oder ähnlichem angepasst werden.
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Durch das Anpassen der Ansteuerung für ein individuelles Bestromen der Phasenentwicklungen W1, W2, W3 ist es dabei möglich, sowohl die Stromhöhe als auch die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen in den einzelnen Phasenentwicklungen W1, W2, W3 anzupassen, mit welchen die einzelnen Phasenwicklungen W1, W2, W3 beaufschlagt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, je nach Erfordernissen, beispielsweise in Abhängigkeit von der Rotorposition, dem gewünschten Ladestrom, der Spannungshöhe oder ähnlichem, die Anzahl der für die Konvertierung der Eingangsgleichspannung in die Ausgangsgleichspannung genutzten Phasenwicklungen W1, W2, W3 zu variieren. Beispielsweise kann je nach Betriebspunkt gegebenenfalls nur ein Teil der zur Verfügung stehenden Phasenwicklung W1, W2, W3 bestromt werden.
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Das Einstellen der individuellen Bestromung für die einzelnen Phasenwicklungen W1, W2, W3 unter Verwendung der Rotorposition sowie gegebenenfalls weiterer Parameter kann zunächst bei Beginn der Spannungswandlung erfolgen. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Bestromung der einzelnen Phasenwicklung W1, W2 oder W3 während des Betriebs, d. h. während der Spannungswandlung, dynamisch anzupassen. Auf diese Weise können gegebenenfalls Eigenschaften des Systems berücksichtigt werden, welche sich im Laufe der Zeit ändern. Wird beispielsweise die Ausgangsgleichspannung dazu genutzt, einen elektrischen Energiespeicher 3 aufzuladen, so kann diese Ausgangsgleichspannung während des Ladevorgangs ansteigen. Dies kann gegebenenfalls dazu führen, dass sich die erforderlichen Parameter für die individuelle Bestromung der Phasenwicklungen W1, W2, W3 im Laufe der Zeit ändern. Hierzu ist es möglich, beliebige Betriebsparameter der Spannungswandleranordnung 1 sowie auch gegebenenfalls von weiteren Komponenten des Gesamtsystems, wie z.B. Motor 2 zu überwachen, beispielsweise messtechnisch zu erfassen oder auf andere Weise, zum Beispiel mittels eines mathematischen Modells, zu bestimmen und jeweils optimierte Parameter für die Bestromung für die einzelnen Phasenwicklungen W1, W2, W3 zu ermitteln und einzustellen.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Betreiben einer Spannungswandleranordnung 1 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Bei der Spannungswandleranordnung 1 kann es sich beispielsweise um die zuvor beschriebene Spannungswandleranordnung 1 handeln. Entsprechend gelten auch für das nachfolgend beschriebene Verfahren alle bereits zuvor gemachten Ausführungen. Ferner können auch die zuvor beschriebene Spannungswandleranordnung 1 beliebige Komponenten umfassen, die dazu geeignet sind, das nachfolgend beschriebene Verfahren auszuführen.
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In einem Schritt 110 erfolgt zunächst ein Ermitteln einer Rotorposition einer an die Spannungswandlerschaltung 10 angeschlossenen elektrischen Maschine 2. Daraufhin kann in Schritt 120 die Spannungswandlerschaltung 10 zur Konvertierung einer an der Spannungswandlerschaltung 10 bereitgestellte Eingangsgleichspannung in eine vorbestimmte Ausgangsgleichspannung angesteuert werden. Die Konvertierung der Spannung erfolgt dabei insbesondere bei Stillstand der angeschlossenen elektrischen Maschine 2.
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Während der Konvertierung der elektrischen Eingangsgleichspannung in die vorbestimmte Ausgangsgleichspannung können, wie zuvor beschrieben, die elektrische Ströme durch mindestens eine Phasenwicklung W1, W2,W 3 der an die Spannungswandlerschaltung 10 angeschlossenen mehrphasigen elektrischen Maschine 2 unter Verwendung der ermittelten Rotorposition der elektrischen Maschine 2 eingestellt werden
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Spannungswandleranordnung in einem elektrischen Antriebssystem, welche in einem Betriebsmodus eine angeschlossene elektrische Maschine ansteuern kann und in einem weiteren Betriebsmodus eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung konvertieren kann. Für die Konvertierung der Eingangsgleichspannung die Ausgangsgleichspannung können die Phasenwicklung der angeschlossenen elektrischen Maschine als Induktivitäten genutzt werden. Hierbei werden die einzelnen Phasenentwicklungen in Abhängigkeit der Rotorposition sowie einer Sollwertvorgaben für den Gesamtstrom individuell bestromt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018207188 A1 [0003]
