DE10234594B4 - Generator/Motor-System und Verfahren zum Betreiben dieses Generator/Motor-Systems - Google Patents

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Abstract

Elektrisches Generator/Motor-System, insbesondere zur Anwendung bei beweglichen Einheiten, Kraftfahrzeugen, Schiffen und dergleichen als Bordnetzgenerator und Starter, mit:
einer Drehfeldmaschine (DM) mit drei Generator-Phasenwicklungen und
einem Pulswechselrichter mit einer vorbestimmten Maximal-Leistung, der mit den drei Generator-Phasenwicklungen der Drehfeldmaschine (DM) verbunden ist,
wobei
der Pulswechselrichter in einen ersten und einen zweiten zueinander identischen Pulswechselrichter (PWR1, PWR2) der halben Maximal-Leistung aufgeteilt ist,
der erste und der zweite Pulswechselrichter (PWR1, PWR2) jeweils drei Zweigpaare (S1, S4; S2, S5; S3, S6) aufweisen, jedes der drei Zweigpaare (S1, S4; S2, S5; S3, S6) mit einer zugehörigen der drei Generator-Phasenwicklungen verbunden ist und aus wenigstens zwei gleichsinnig in Reihe liegenden, symmetrisch angeordneten Zweigschaltern (S1 bis S6) besteht,
das Zweigpaar (S1, S4; S2, S5; 53, S6) über die Zweigschalter (S1 bis S6) an einer Gleichspannungsquelle anliegt, wobei der Anschluss der Generator-Phasenwicklungen zwischen den jeweiligen Mittelpunkten der Zweigpaare (S1, S4; S2, S5; S3,...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Generator/Motor-System nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben dieses Generator/Motor-Systems.
  • Derzeit wird in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor eine Vereinigung von Starter und Generator zu einer einzigen elektrischen Maschine angestrebt.
  • Jedoch besteht bei diesen Bemühungen bereits im Grobentwurf dahingehend ein Problem, dass zwei völlig gegenläufigen Forderungen entsprochen werden muss.
  • Zum einen muss zum Starten und Hochbeschleunigen eines Verbrennungsmotors ein extrem hohes Durchdreh-Drehmoment aufgebracht werden. Dieses Drehmoment kann, je nach Hubraum bzw. Zylinderzahl des Verbrennungsmotors, größer als 240 Nm sein. Darüber hinaus muss die elektrische Maschine noch Drehmoment-Reserven für die Beschleunigung des Verbrennungsmotors auf Startdrehzahl aufbieten können.
  • Zum anderen soll, nach erfolgreichem Start des Verbrennungsmotors, die als Starter/Generator konzipierte elektrische Maschine vornehmlich als Generator arbeiten, um in das Bordnetz des Kraftfahrzeugs einzuspeisen. Dabei hat man die Forderung nach konstanter Leistungsabgabe über dem, vom Verbrennungsmo tor vorgegebenen, extrem gespreizten Drehzahlbereich von 600 bis 6000 l/min (Motor) bei möglichst hohem Wirkungsgrad.
  • Beide Forderungen lassen sich mit einem Standardantrieb bestehend aus dreisträngiger Drehfeldmaschine DM und spannungseinprägendem Pulswechselrichter PRW in Drehstrombrückenschaltung mit Filterkondensator C, wie in 3A gezeigt, kaum wirtschaftlich darstellen.
  • Ein Problem, das es hierbei zu überwinden gilt, ist die notwendige Miniaturisierung und komplette Integration der Leistungselektronik. Einer Integration stehen die notwendigen Filterkondensatoren im Wege. Insbesondere bei der relativ niedrigen Bordnetzspannung von 42V sind derzeit bei Asynchronmaschinen Phasenströme von ca. 1200 A im Gespräch, um die geforderten Startmomente zu erzeugen. Die Zwischenkreiskondensatoren C, wie beispielsweise in 3A gezeigt, die den Aufbau einer herkömmlichen Antriebsanlage mit Drehfeldmaschine DM, Pulswechselrichter PWR und Zwischenkreiskondensator C zeigt, nehmen hier beträchtliche Ausmaße an, die einer Integration im Wege stehen.
  • Darüber hinaus haben erste Messungen im Absorberraum gezeigt, dass hier keine Kompromisse gemacht werden können. Die Filterung ist notwendig, um die harten EMV-Bestimmungen bei Kraftfahrzeugen zu erfüllen. Gebot ist, die Ströme der Maschine zu verringern und damit die Filterströme, bei gleichbleibenden sonstigen Eigenschaften des Antriebs.
  • Herkömmlich geschieht die Auslegung des Antriebssystems mit Drehfeldmaschine und Pulswechselrichter wie folgt und unter Bezugnahme auf 3B beschrieben.
  • 3B zeigt eine herkömmliche Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik. Die durchgezogene Linie in 3B zeigt, was mit einer bestimmten Auslegung der Drehfeld-Maschine und einer zugehörigen Pulswechselrichter-Leistung erreichbar ist.
  • Soll z.B. das Startmoment unter Beibehaltung der Standard-Pulswechselrichter-Topologie, d.h. einem Pulswechselrichter in Sechspulsbrückenschaltung, und Beibehaltung der Pulswechselrichter-(Schein)-Leistung vergrößert werden, so muss die Wicklung der Drehfeld-Maschine entsprechend abgeändert werden. Im einfachsten Fall werden mehr Windungen mit dünneren Drähten ausgeführt. Dies führt zur gestrichelt eingezeichneten Kennlinie in 3B. Es ist zu erkennen, dass diese Maßnahme zwar bei unveränderter Pulswechselrichter-Leistung das Startmoment anheben kann, jedoch nur auf Kosten der Generator-Leistung bei höheren Drehzahlen. Der Auslegungspunkt senkt sich dementsprechend ab. Aufgrund der höheren Windungszahl erreicht die Drehfeld-Maschine ihren Feldschwächbetrieb, d.h. die Pulswechselrichter-Aussteuergrenze, früher und kann später bei Generatorbetrieb weniger Leistung abgeben.
  • Insbesondere bei Kraftfahrzeug-Anwendungen und speziell Starter-Generator-Anordnungen spielen zudem die Kosten für den Pulswechselrichter eine entscheidende Rolle. Die Kosten eines Pulswechselrichters werden heute nicht mehr so sehr nach der Stromstärke bewertet, die der Pulswechselrichter tragen muss, sondern nach derjenigen Stromstärke, die in der Topologie zu kommutieren ist. Diese Kenngröße bestimmt den Filteraufwand, welcher im besonders EMV-sensiblen Bereich der Automobilindustrie in besonderem Maße zu Buche schlägt. Die Filter stehen außerdem einer Miniaturisierung im Wege, weiterhin sind es vor allem auch die Zuverlässigkeitsprobleme bei hohen Temperaturen. Daher muss versucht werden, die Leistungselektronik in der Antriebsschaltung so effizient wie möglich zu gestalten, insbesondere die zu kommutierenden Ströme abzusenken.
  • In M. Osama, T.A. Lipo „Modeling and Analysis of a Wide-Speed-Range Induction Motor Drive Based on Electronic Pole Changing", IEEE Transactions on Industry Application, Vol. 33, Nr. 5, September/Oktober 1997 ist eine polumschaltbare Drehfeld-Maschine mit zwei Wicklungssystemen und zwei ge trennten Pulswechselrichtern beschrieben. In der speziellen Kombination der Wicklungssysteme ergeben sich aber suboptimale Wicklungsfaktoren, so dass die Drehfeldmaschine für eine gegebene Baugröße des Pulswechselrichters den maximal möglichen Pulswechselrichterstrom nicht optimal in Drehmoment umsetzen kann. Das dynamische Verhalten bei Umschaltung der Drehfeld-Maschine ist nicht ohne entsprechende Drehmoment-Transiente möglich, was im Triebstrang besonders Probleme aufwerfen kann, was zu Komforteinbussen für den Benutzer führen kann. Ein ähnliches Problem hat auch die seit langem bekannte Dahlanderschaltung.
  • Die GB 1 342 930 A offenbart ein elektrisches Antriebssystem bestehend aus einem Motor mit dreiphasiger Wicklung und einem Pulswechselrichter. Der Pulswechselrichter besteht aus zwei gleichen Wechselrichterbrücken mit jeweils sechs Schaltern, welche in jeweils drei Zweigen angeordnet sind. Beide Wechselrichterbrücken sind parallelgeschaltet mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Die beiden Anschlüsse der einzelnen Phasen der dreiphasigen Wicklung sind mit den jeweiligen Mittelpunkten der Zweige der beiden Wechselrichterbrücken verbunden.
  • In der DE 199 31 010 A1 ist ein an sich bekannter, sogenannter „Diode-Clamp Double-Three-Level Converter" durch ein neuartiges Pulsverfahren derart angesteuert, dass man eine Seriell/Parallel-Umschaltung der beiden Wicklungssysteme herbeiführen kann. Hierbei bleibt die Polzahl der Drehfeld-Maschine bei Umschalten erhalten. Da die Umschaltung durch andere Vorgabe der Spannungszeiger bewirkt wird, geht die Umschaltung auch geräuschlos und ohne Drehmoment-Transiente von statten. Die Wicklungssysteme können zudem noch in der Phase „geschwenkt" werden, so dass eine weitere, signifikante Reduktion des zu filternden Zwischenkreisstromes erreicht werden kann. Obwohl technisch am weitesten entwickelt, ist dieses System jedoch sehr aufwendig und kostenintensiv.
  • Daher wäre ein System mit einem Einspeise-Stromrichter und einem Maschinen-Stromrichter, also einem echten Umrichter besser geeignet, da dann eine größere Flexibilität erreicht werden kann. Ein derartiger echter Umrichter ist beispielsweise in L.Sack „Reduction of Losses in the DC-Link Capacitor of Two-Stage Self-Commutated Converters", Proceedings of the EPE '99, Lausanne, Schweiz beschrieben. Hier kann durch Synchronisierung der Pulsmuster ebenfalls eine signifikante Reduktion des zu filternden Ripplestroms erreicht werden. Gelingt es, die Rippleströme zu verringern, so wird gleichzeitig auch der Wirkungsgrad des Systems gesteigert, da herkömm lich auch relativ viel Energie am Einspeise-Stromrichter des Kondensators in Verluste umgesetzt wird.
    •
  • Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Generator/Motor-System und ein Verfahren zur Betrieb dieses Motor/Generator-Systems auszubilden, bei/mit dem die zu kommutierenden Ströme im Pulswechselrichter auf einfache und kostengünstige Weise signifikant verringert werden können: Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Generator/Motor-System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben dieses Generator/Motor-Systems mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst.
  • Vorteilhaft ist es insbesondere, dass es durch die Aufteilung des Pulswechselrichters in zwei identische Pulswechselrichter jeweils halber Bauleistung möglich wird, das Generator/Motor-System sowohl in Sternschaltung als auch in Einzelstrangschaltung zu betreiben und dadurch eine gleichmäßige Strombelastung des Filters über einen weiten Bereich hinweg zu erhalten. Dadurch wird sowohl ein Spitzenstrom beim Starten als auch eine Auslegung der Filter auf diese Spitzenbelastung vermieden, da in Sternschaltung nur in etwa die Hälfte der herkömmlichen Phasenströme kommutiert werden muss.
    •
  • Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.
  • Dabei zeigen:
  • 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Generator/Motor-Systems,
  • 2 eine Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik eines herkömmlichen Generator/Motor-Systems und eine äquiva lente Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik des erfindungsgemäßen Generator/Motor-Systems und
  • 3 mit den 3A und 3B eine herkömmlichen Antriebsanlage sowie eine zugehörige Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik.
  • 1 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Generator/Motor-Systems. Das erfindungsgemäße Generator/Motor-System weist eine dreisträngige Drehfeldmaschine DM auf, deren einzelne Generator-Phasenwicklungen bzw. Maschinenstränge mit einem ersten und einem zweiten Pulswechselrichter PWR1 und PWR2 verbunden sind. Der erste und der zweite Pulswechselrichter PWR1 und PWR2 sind identisch ausgebildet und besitzen die identische Bauleistung. Jeder Pulswechselrichter PWR1 bzw. PWR2 besteht aus sechs elektronischen Zweigschaltern S1 bis S6, die beispielsweise durch MOS-Transistoren oder IGBT (Integrated-Gate-Bipolar-Transistoren) gebildet und in drei Zweigpaaren in Reihe liegend und symmetrisch angeordnet sind, und einem parallel zum Pulswechselrichter geschalteten Filterkondensator C1 bzw. C2. Durch die Aufteilung in den ersten und zweiten Pulswechselrichter PWR1 und PWR2 können diese Filterkondensatoren C1 bzw. C2 bedeutend kleiner gewählt werden, was sich vorteilhaft auf Baugröße und Verlustleistung auswirkt.
  • Zwischen den beiden Pulswechselrichtern PWR1 und PWR2 ist parallel zu den Maschinensträngen ein elektronischer Schalter S7 ausgebildet, über den eine positive Sammelschiene des ersten Pulswechselrichters PWR1 mit der positiven Sammelschiene des zweiten Pulswechselrichters PWR2 verbindbar bzw. davon trennbar ist: Dieser elektronische Schalter S7 kann, aber muss nicht bidirektional sein. Als nicht bidirektionaler Schalter kann für den Schalter S7 ein PowerMOS-Transistor mit parasitärer Inversdiode verwendet werden.
  • Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf 1 das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Generator/Motor-Systems erläutert.
  • Das erfindungsgemäße Generator/Motor-System gestattet zwei verschiedene Betriebsmodi.
  • 1. Betrieb in Sternschaltung
  • In Sternschaltung sind die Zweigschalter S1, S2 und S3 geschlossen und die Zweigschalter S4, S5 und S6 sowie der elektronische Schalter S7 offen. Der Pulswechselrichter PWR1 bildet so einen Sternpunkt für die 3 abgebildeten Maschinenstränge. Bei spannungseinprägenden Pulswechselrichtern PWR1 und PWR2 in Sechspulsbrückenschaltung springt das Potential des Sternpunkts in Abhängigkeit der eingeschalteten Spannungszeiger zwischen 1/3 und 2/3 der Spannung des Zwischenkreises. Bestehen die Schalter aus MOS, so kann die Inversdiode nicht aufgesteuert werden.
  • Da jetzt verglichen mit dem Stand der Technik nur der halbe Pulswechselrichter, nämlich der Pulswechselrichter PWR1 für die Stromführung zur Verfügung steht, bekommt die Drehfeldmaschine DM zum Ausgleich mehr Statorwindungen. Die Durchflutung,, die das Drehmoment bestimmt, bleibt somit erhalten. Damit ergibt sich der Kennlinien-Ast 1 in 2. Es wird ein gleich großes Drehmoment realisiert, aber da nur die eine Hälfte der Schaltung an der Energieumsetzung teilnimmt, nämlich der Pulswechselrichter PWR1, muss auch nur etwa die Hälfte der ursprünglichen Phasenströme kommutiert werden. Lässt man die gleiche Welligkeit der Zwischenkreisspannung zu, halbiert sich auch in etwa der Filteraufwand.
  • 2. Betrieb in Einzelstrangschaltung („open delta")
  • Natürlich wird aufgrund der annähernd doppelt so vielen Statorwindungen der Drehfeldmaschine DM die Aussteuergrenze des Pulswechselrichters PWR1 bereits bei der halben Drehzahl gegenüber der Standard-Lösung erreicht. Dann wird der durch den Pulswechselrichter PWR1 gebildete Sternpunkt aufgelöst und das Generator/Motor-System in Einzelstrangschaltung betrieben. Dazu wird der elektronische Schalters 7 geschlossen und der Pulswechselrichter PWR1 derart angesteuert, dass jeder Strang eine eigene Halbbrücke erhält, d.h. es werden alle Zweigschalter des ersten und des zweiten Pulswechselrichters PWR1 und PWR2 geschlossen. Durch diese Herabsetzung der Klemmenspannung auf ungefähr die Hälfte wird die Aussteuergrenze des erfindungsgemäßen Generator/Motor-Systems weiter zu höheren Drehzahlen hin verlagert. Es wird der selbe Bemessungspunkt realisiert. Ein Kennlinienast 2 der Kennlinie des erfindungsgemäßen Generator/Motor-Systems deckt sich dann ungefähr mit der einer Standard-Schaltung.
  • Somit ist das Ziel mit Hilfe des erfindungsgemäßen, umschaltbaren Generator/Motor-Systems erreicht. Durch die Umschaltung des Motor/Generator-Systems erfolgt eine Vergleichmäßigung der Strombelastung des Filters über einen weiten Bereich hinweg. Der Spitzenstrom beim Starten so wie die Auslegung der Filter auf diese Spitzenbelastung wird somit vermieden.
  • Das Umschalten von einem Betriebsmodus auf den anderen erfolgt erfindungsgemäß wirkungsgradoptimiert. Gezeigt sind in 2 nur die Maximal-Charakteristiken. Bei Teillast übernimmt eine Steuereinheit, die als Softwaremodul realisiert sein kann, wirkungsgradoptimiert den genauen, kennfeldabhängigen Umschaltpunkt. Da die Umschaltung stoßfrei geschieht, kann prinzipiell beliebig oft umgeschaltet werden.
  • Weiterhin ist es an der erfindungsgemäßen Schaltung vorteilhaft, dass mit dem Schalter S7 ein Teil der Kondensator-Ruheströme abgeschaltet werden kann.
  • Zudem ist die Zuverlässigkeit erhöht, da die Einzelstrangschaltung auch bei Asynchronmaschinen einen, allerdings etwas eingeschränkten Betrieb gestattet, wenn ein elektronischer Schalter in dem Generator/Motor-System einen Fehler hat, wie beispielsweise Kurzschluss oder Trennung. Es kann dann immer noch ein Drehfeld aufgebaut werden, was bei einer Standardbrückenschaltung mit 3 Phasen nicht möglich ist.
  • Außerdem ist der Wirkungsgrad erhöht, da die Verringerung der Rippleströme nicht nur in eine Verringerung der Filter insgesamt mündet, sondern auch zur Verringerung der Filterverluste führt.

Claims (9)

  1. Elektrisches Generator/Motor-System, insbesondere zur Anwendung bei beweglichen Einheiten, Kraftfahrzeugen, Schiffen und dergleichen als Bordnetzgenerator und Starter, mit: einer Drehfeldmaschine (DM) mit drei Generator-Phasenwicklungen und einem Pulswechselrichter mit einer vorbestimmten Maximal-Leistung, der mit den drei Generator-Phasenwicklungen der Drehfeldmaschine (DM) verbunden ist, wobei der Pulswechselrichter in einen ersten und einen zweiten zueinander identischen Pulswechselrichter (PWR1, PWR2) der halben Maximal-Leistung aufgeteilt ist, der erste und der zweite Pulswechselrichter (PWR1, PWR2) jeweils drei Zweigpaare (S1, S4; S2, S5; S3, S6) aufweisen, jedes der drei Zweigpaare (S1, S4; S2, S5; S3, S6) mit einer zugehörigen der drei Generator-Phasenwicklungen verbunden ist und aus wenigstens zwei gleichsinnig in Reihe liegenden, symmetrisch angeordneten Zweigschaltern (S1 bis S6) besteht, das Zweigpaar (S1, S4; S2, S5; 53, S6) über die Zweigschalter (S1 bis S6) an einer Gleichspannungsquelle anliegt, wobei der Anschluss der Generator-Phasenwicklungen zwischen den jeweiligen Mittelpunkten der Zweigpaare (S1, S4; S2, S5; S3, S6) der beiden Pulswechselrichter (PWR1, PWR2) erfolgt, dadurch gekennzeichnet , dass zu den Zweigpaaren (S1, S4; S2, S5; S3, S6) des ersten und des zweiten Pulswechselrichters (PWR1, PWR2) jeweils ein Filterkondensator (C1, C2) parallel geschaltet ist und. ein elektrischer Schalter (S7) parallel zu den Generator-Phasenwicklungen zwischen dem ersten Pulswech selrichter (PWR1) und dem zweiten Pulswechselrichter (PWR2) ausgebildet ist, über den eine positive Sammelschiene des ersten Pulswechselrichters (PWR1) mit einer positiven Sammelschiene des zweiten Pulswechselrichters (PWR2) sowie einem positiven Pol der Gleichspannungsquelle verbindbar bzw. davon trennbar ist.
  2. Elektrisches Generator/Motor-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schalter (S7) unidirektional ist.
  3. Elektrisches Generator/Motor-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schalter (S7) ein PowerMOS-Transistor mit parasitärer Inversdiode ist.
  4. Elektrisches Generator/Motor-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schalter (S7) ein bidirektionaler Schalter ist.
  5. Elektrisches Generator/Motor-System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweigschalter (S1 bis S6) PowerMOS-Transistoren mit parasitärer Inversdiode sind.
  6. Elektrisches Generator/Motor-System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeldmaschine (DM) eine derart erhöhte Anzahl von Statorwindungen besitzt, dass bei Zuschaltung von nur einem Pulswechselrichter (PWR2) eine Durchflutung erreicht werden kann, die einer Durchflutung bei Zuschaltung des gesamten Pulswechselrichters, d.h. des ersten und des zweiten Pulswechselrichters (PWR1, PWR2) ohne Erhöhung der Anzahl von Statorwindungen entspricht.
  7. Elektrisches Generator/Motor-System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Steuereinheit vorgesehen ist, die bei Teillast wirkungsgradoptimiert einen kennfeldabhängigen Umschaltpunkt von einer Sternschaltungs-Betriebsart in eine Einzelstrangschaltung durchführt.
  8. Verfahren zum Betreiben eines Generator/Motor-Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Schritte: Betreiben des Generator/Motor-Systems in Sternschaltung durch Geschlossenhalten der auf der Seite des positiven Pols der Gleichspannungsquelle angeordneten Zweigschalter (S1 bis 53) des ersten Pulswechselrichters (PWR1) und Offenhalten sowohl der auf der Seite des negativen Pols der Gleichspannungsquelle angeordneten Zweigschalter (S4 bis S6) als auch des elektronischen Schalters (S7) sowie Ansteuern aller Zweigschalter des zweiten Pulswechselrichters (PRW2) in bekannter Weise zum Betrieb des Generators/Motors; Erfassen der Drehzahl der Drehfeldmaschine (DM) und Ermitteln eines kennfeldabhängigen Umschaltpunkts; am ermittelten Umschaltpunkt Umschalten des Generator/Motor-Systems auf Betrieb in Einzelstrangschaltung durch die Steuereinheit durch Schließen des elektronischen Schalters (S7) und Ansteuern des ersten Pulswechselrichters (PWR1) derart, dass jede Generator-Phasenwicklung ihre eigene H-Brücke erhält, d.h. indem alle Zweigschalter des ersten und zweiten Pulswechselrichters (PWR1, PWR2) geschlossen werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Umschaltpunkts wirkungsgradoptimiert erfolgt.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005016177A1 (de) * 2005-04-08 2006-10-12 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Schaltungsanordnung und zugehöriges Ansteuerverfahren für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit zwei Gleichstromquellen
DE102009033185A1 (de) * 2009-05-13 2010-11-18 Avl Software And Functions Gmbh Ladesystem und Ladeverfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs und Fahrzeug mit einem solchen Ladesystem
DE102010051323A1 (de) * 2010-11-16 2012-05-16 Avl Software And Functions Gmbh Ladesystem zum Laden einer Batterie eines Fahrzeuges mit einem Zwei-Weg-Laderegler

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7576443B2 (en) * 2006-12-15 2009-08-18 General Electric Company Method and apparatus for generating electric power
FR2943737B1 (fr) * 2009-03-24 2011-04-15 Valeo Equip Electr Moteur Dispositif de demarrage pour moteur a combustion interne, notamment de vehicule automobile
CN102420560B (zh) * 2011-12-09 2014-01-29 南京航空航天大学 变频交流起动发电系统励磁结构及交、直流励磁控制方法
CN103887908B (zh) * 2014-04-22 2016-08-31 哈尔滨工业大学 一种无刷谐波励磁同步电机
CN109874381B (zh) * 2016-09-26 2021-07-06 日本电产株式会社 电力转换装置、马达驱动单元和电动助力转向装置
CN107872176B (zh) * 2016-09-28 2020-11-24 中国电力科学研究院有限公司 一种同步机组启动用静止变频器的控制方法
JP2019170045A (ja) 2018-03-22 2019-10-03 トヨタ自動車株式会社 システム
JP7104642B2 (ja) * 2019-01-29 2022-07-21 株式会社Soken 回転電機の駆動装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1342930A (en) * 1972-05-22 1974-01-10 Electrical Research Ass Pulse width modulation systems
DE19931010A1 (de) * 1999-07-06 2000-11-23 Daimler Chrysler Ag Verfahren und Schaltungsanordnung zur Leistungsumschaltung einer Drehstrom- Lichtmaschine

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4948081B1 (de) * 1970-04-21 1974-12-19
JPS51140108A (en) * 1975-05-29 1976-12-02 Nippon Denso Co Ltd Generating set
JPS6055900A (ja) * 1983-09-01 1985-04-01 Mitsubishi Electric Corp 直流発電装置
JP2915187B2 (ja) * 1991-10-24 1999-07-05 株式会社日立製作所 ２電源発電装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1342930A (en) * 1972-05-22 1974-01-10 Electrical Research Ass Pulse width modulation systems
DE19931010A1 (de) * 1999-07-06 2000-11-23 Daimler Chrysler Ag Verfahren und Schaltungsanordnung zur Leistungsumschaltung einer Drehstrom- Lichtmaschine

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
OSAMA M., LIPO T.A.: Modeling and Analysis of a Wide-Speed-Range Induction Motor Drive Based on Electronic Pole Changing. IEEE Trans. on Industry Appl., Vol. 33, Nr. 5, Sept./Okt. 1997 *
SACK L.: Reduction of Losses in the DC-Link Capacitor of Two-Stage Self-Commutated Converters. Proceedings of the EPE '99, Lausanne, 1999
SACK L.: Reduction of Losses in the DC-Link Capacitor of Two-Stage Self-Commutated Converters.Proceedings of the EPE '99, Lausanne, 1999 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005016177A1 (de) * 2005-04-08 2006-10-12 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Schaltungsanordnung und zugehöriges Ansteuerverfahren für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit zwei Gleichstromquellen
DE102005016177B4 (de) * 2005-04-08 2008-07-03 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Schaltungsanordnung und zugehöriges Ansteuerverfahren für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit zwei Gleichstromquellen
DE102009033185A1 (de) * 2009-05-13 2010-11-18 Avl Software And Functions Gmbh Ladesystem und Ladeverfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs und Fahrzeug mit einem solchen Ladesystem
DE102009033185B4 (de) * 2009-05-13 2014-12-31 Avl Software And Functions Gmbh Ladesystem und Ladeverfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs und Fahrzeug mit einem solchen Ladesystem
DE102010051323A1 (de) * 2010-11-16 2012-05-16 Avl Software And Functions Gmbh Ladesystem zum Laden einer Batterie eines Fahrzeuges mit einem Zwei-Weg-Laderegler
DE102010051323B4 (de) * 2010-11-16 2016-07-28 Avl Software And Functions Gmbh Ladesystem zum Laden einer Batterie eines Fahrzeuges mit einem Zwei-Weg-Laderegler

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