DE10230278A1

DE10230278A1 - Vorrichtung zum Betrieb einer elektronisch kommutierten Elektromaschine

Info

Publication number: DE10230278A1
Application number: DE2002130278
Authority: DE
Inventors: Georg GÖTZ
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-06-29
Filing date: 2002-06-29
Publication date: 2004-01-22

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Betrieb einer elektronisch kommutierten Elektromaschine, mit einem Energiespeicher mit einer vorgegebenen Gleichspannung und einem zwischen Energiespeicher und Elektromaschine geschalteten Wechselrichter, der eine Pulsfolge erzeugt und an die Elektromaschine liefert, besteht der Energiespeicher aus einzelnen Gleichspannungs-Modulen, die jeweils einen unter einem Maximalwert liegenden Ausgangsspannungswert besitzen. Die Module sind galvanisch voneinander getrennt und so mit dem Wechselrichter verschaltet. Die sich für die Elektromaschine ergebende Wirkspannung ist gleich der Summe der Ausgangsspannungswerte der Module.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Betrieb einer elektronisch kommutierten Elektromaschine mit den Merkmalen, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben sind.
Bei einer derartigen Vorrichtung besteht das Problem, dass ab einem Ausgangsspannungswert des Energiespeicher, der über einem vorgegebenen Wert von etwa 60V (V=Volt) liegt, erhöhte Sicherheitsanforderungen bestehen. Wird die Elektromaschine beispielsweise in einem Elektro- oder einem „Hybridfahrzeug" (mit elektrischem und konventionellem Antrieb) eingesetzt, liegt die erforderliche Arbeitsspannung bei 100 bis 400V. Elektrische Anlagen mit einer Betriebsspannung über 60V sind wie Hochspannungsanlagen zu behandeln (VDE-Vorschrift).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der erforderliche Sicherheitsaufwand gering ist und trotzdem hohe E-Motorleistungen möglich sind.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1.

Durch den modularen Aufbau des Energiespeichers ist der Sicherheitsaufwand nur auf das jeweilige Modul bezogen. Ist der Ausgangsspannungswert jedes Moduls unter dem Grenzwert von hier angegeben 60V, ist der Sicherheitsaufwand für das einzelne Modul und in der Summe für alle Module gering. Die Vorrichtung ist nicht als Hochspannungsanlage zu behandeln mit den entsprechenden Vorteilen hinsichtlich der Isolationssicherheit.

Durch die angegebene Verschaltung der Module ergibt sich für die Elektromaschine ein Wert der Arbeitsspannung , der gleich der Summe der Ausgangsspannungswerte der Module ist. Zwei Module mit jeweils 60V liefern eine Arbeitsspannung von 120V. Oder aber es werden E-Maschine und Wechselrichter modular aufgebaut. Werden mehr als zwei Energiespeichermodule eingesetzt ist die Modularität bereits zwingend erforderlich.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben und werden bei der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem aus zwei Modulen bestehenden Energiespeicher und
2 eine Vorrichtung, deren Energiespeicher aus drei Modulen besteht.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung für ein Fahrzeug (nicht dargestellt) besteht im Wesentlichen aus einer Elektromaschine 1, einem Wechselrichter 2 und einem Energiespeichersystem 3. Das Energiespeichersystem ist modular aus zwei Energiespeichermodulen 1/2 aufgebaut, die jeweils eine Ausgangs-Gleichspannung von 60V liefern.
Zwischen dem Energiespeichersystem 3 und der Elektromaschine 1 ist der Wechselrichter 2 eingeschaltet. Die Drehzahl-/Drehmomentveränderung wird durch PWM(=Pulsweitenmodulation)-Betrieb der Leistungshalbleiter im Wechselrichter 2 erreicht. (Ankerstellbetrieb). Nach Erreichen der Ankerenddrehzahl (EMK entspricht der Arbeitsspannung), wird die Drehzahl durch Erhöhen der Kommutationsfrequenz eingestellt, das Drehmoment sinkt dabei proportional ab.
Der Mittelabgriff der Energiespeichermodule 1/2 ist auf Massepotential gelegt. Gegen die Fahrzeugmasse tritt nur eine Spannung von 60V auf. Einbau und Wartung der Vorrichtung und ihrer Komponenten können ohne besondere Sicherheitsvorkehrungen durchgeführt werden.
Die Energiespeichermodule 1/2 werden im Wechselrichter 2 so in Reihe geschaltet, dass der Elektromaschine 1 die Summe der beiden Ausgangsspannungen als Arbeitsspannung zur Verfügung steht. Die Masse wird dabei zwischen die Spannungsquellen gelegt, so dass gegen Masse nur die halbe Arbeitsspannung wirksam ist. So ist es möglich, die für eine gewünschte Motorleistung nötige relativ hohe Mo torspannung von z.B. 120V zu erreichen und gleichzeitig das Spannungspotenzial der Energiespeichermodule gegen die Fahrzeugmasse auf eine maximale Spannung von 60V zu begrenzen.
Je nach Leistungsklasse des Antriebssystems lässt sich auch eine variable Zahl an Energiespeichermodulen m1, m2 mit Modulspannungen von jeweils maximal 60V zusammenschließen. Dies ist in 2 gezeigt.
Jeweils der Minuspol ist an Masse gelegt. Im Wechselrichter 2 und der Elektromaschine 1 werden Teilsysteme gebildet, die voneinander galvanisch getrennt sind. Jedes Teilsystem besteht aus einem Motorspulensatz s1, s2, ... mit einem Wechselrichter w1, w2, ... und einem Energiespeichermodul m1, m2, .... Die Wechselrichter w1, w2,... formen den Gleichstrom aus den Energiespeichermodulen m1, m2,...in Drehstrom um und sorgen für das Ausgangsdrehmoment der Elektromaschine 1. Grundsätzlich sind hierfür alle Wechselrichter geeignet.
Vorzugsweise sind die Wechselrichter 3 bzw. w1, w2,...in der Elektromaschine 1 integriert. Dadurch wird der Verkabelungsaufwand vereinfacht. Wesentlich ist dabei, dass die Energiespeichermodule so mit dem Wechselrichter verschaltet werden, dass der Elektromaschine eine hohe Leistung zugeführt werden kann, obwohl die Energieeinspeisung aus mehreren Energiespeichermodulen mit kleiner Spannung (</=60V) erfolgt. Hohe Elektromaschinenleistungen werden bei ungefährlichen Spannungen dargestellt.
Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau des Energiespeichersystems bestehen geringere Sicherheitsanforderungen, als dies bei Systemen mit Modulspannungen von über 60V der Fall ist, da die VDE-Richtlinien für Hochspannungsanlagen nicht maßgebend sind. Auch bestehen bei dem dargestellten Aufbau geringere Anforderungen an die Isolation des Energiespeichergehäuses (nicht dargestellt) und der Stromzuleitungen, da die vorliegenden Kleinspannungswerte keine gesonderte und teuere Schutzisolierung erfordern.
Weitere Vorteile ergeben sich aus dem dargestellten Aufbau des Energiespeichersystems durch die erleichterte Montage, da nur eine Anzahl kleiner Module montiert werden muß. Die Wartungsarbeiten gestalten sich auf Grund der separat an der Elektromaschine angeschlossenen Energiespeichermodule weniger aufwendig. Bei einem auftretenden Defekte in einem Modul kann dieses unabhängig von den anderen Modulen ersetzt werden.
Wegen der einfachen Verschaltung der Module mit dem integrierten Wechselrichter 2 bzw. w1, w2, ... ergibt sich ein einfacheres Package. Ebenso ist die Kühlung durch die kleineren Wärmegradienten bei kleineren Modulen einfacher.
Ebenfalls vorteilhaft wirkt sich die niedrige Arbeitspannung der Module von beispielsweise 60V auf die benötigten Bauelemente aus, da wegen der niedrigeren Spannung kleinere, leichtere und billigere Schaltelemente eingesetzt werden können (kleines Kfz-Relais 12V/50A vgl. mit großem Relais aus Anlagentechnik 440V /50A).

Claims

Vorrichtung zum Betrieb einer elektronisch kommutierten Elektromaschine, mit einem Energiespeicher mit einer vorgegebenen Gleichspannung und einem zwischen Energiespeicher und Elektromaschine geschalteten Wechselrichter, der eine Pulsfolge erzeugt und an die Elektromaschine liefert, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher aus einzelnen Gleichspannungs-Modulen besteht, die jeweils eine unter einem Maximalwert liegende Ausgangsspannungswert besitzen, dass die Module galvanisch voneinander getrennt und so mit dem Wechselrichter verschaltet sind, dass die sich für die Elektromaschine ergebende Wirkspannung gleich der Summe der Ausgangsspannungswerte der Module ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermodule jeweils 2-polig mit den Wechselrichtern in der Elektromaschine verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Spannungspol der Module und das Gehäuse galvanisch miteinander verbunden sind.