EP3172828A1 - Elektrische maschine zur energieversorgung eines kraftfahrzeugbordnetzes - Google Patents

Elektrische maschine zur energieversorgung eines kraftfahrzeugbordnetzes

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EP3172828A1
EP3172828A1 EP15739547.6A EP15739547A EP3172828A1 EP 3172828 A1 EP3172828 A1 EP 3172828A1 EP 15739547 A EP15739547 A EP 15739547A EP 3172828 A1 EP3172828 A1 EP 3172828A1
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EP
European Patent Office
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stator windings
electric machine
group
circuit configuration
subnetwork
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15739547.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhard Meyer
Roberto Carlos RETANA HERNANDEZ
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SEG Automotive Germany GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02P9/48—Arrangements for obtaining a constant output value at varying speed of the generator, e.g. on vehicle
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • Electric machine for supplying energy to a motor vehicle electrical system
  • the present invention relates to an electrical machine for powering a motor vehicle electrical system with two subnetworks, a corresponding motor vehicle electrical system and a method for operating an electrical machine.
  • Motor vehicle electrical systems can be designed in the form of so-called two- or multi-voltage vehicle systems with at least two subnetworks.
  • Such subnetworks are used, for example, when consumers with different power requirements are present in a particular motor vehicle.
  • at least two of the subnetworks have different voltage levels, e.g. 12 V (so-called low-voltage sub-network) and 48 V (so-called high-voltage sub-network).
  • Electrical machines such as generators can be used to power the subnetworks.
  • Such an electric machine generates a multi-phase three-phase current, which can be rectified by means of a rectifier circuit for the subnets.
  • DE 28 10 201 C2 discloses a way to power a vehicle electrical system of a motor vehicle.
  • electrical loads with a large power consumption such as electric heaters, to be supplied with energy.
  • such consumers are not connected directly to the electrical system because of the high energy consumption.
  • One Three-phase generator has two stator windings.
  • a main stator winding and an auxiliary stator winding each have their own rectifier sets.
  • the voltages of the two stator windings after rectification, ie on the direct voltage side are added.
  • both stator windings are connected in series by means of a switching device in a series circuit position and connected to the corresponding consumer. After switching off this heating operation, the voltages of the two stator windings are connected in parallel after rectification.
  • Such a power supply is not suitable for modern two- or multi-voltage systems. By such a power supply can not be guaranteed that both a low-voltage subnet and a
  • High-voltage subnet permanently be supplied with the respective voltage.
  • an electrical machine for supplying energy to a motor vehicle electrical system with two subnetworks, a corresponding vehicle electrical system and a method for operating an electrical
  • An electric machine according to the invention has a first group of
  • Stator windings and a second group of stator windings The electric machine can be operated regularly with each of these groups of stator windings on its own. At the stator or stator of the electric machine are thus two separate, independent Stator winding groups arranged. A stator winding of the first group and a stator winding of the second group, which correspond to the magnetic field penetration or the electrical phase (in particular because they are wound, for example. In the same stator) are referred to hereinafter as in-phase stator windings.
  • the electrical machine can be designed as an m-phase or m-stranded electrical machine with 2 x m stator windings (phases). Suitable values for this number of phases m are, for example, 3, 5, 6, 7 or 9. Voltages of two adjacent stator windings of a group are each shifted by a phase shift of 3607 m.
  • the electric machine can be designed in particular as a generator.
  • the electric machine can further be designed, in particular, such that it can be operated as a generator in a generator operating mode and as a motor in a motor operating mode. If the electric machine is operated as a generator, the electric machine generates electrical energy for supplying energy to the motor vehicle electrical system.
  • the electrical machine can be connected to a first subnetwork of the motor vehicle electrical system via a first pair of subnetwork connection poles.
  • the electric machine can be connected to a second subnetwork of the motor vehicle electrical system via a second pair of subnetwork connection poles. In particular, these two subnetworks have different voltage levels.
  • the first subnetwork is assumed by way of example as a high voltage subnetwork which is operated with a first subnetwork DC voltage (for example 48 V) and the second subnetwork as a lowvoltage subnetwork which is operated with a second subnetwork DC voltage (for example 12 V), wherein the first subnetwork DC voltage has a larger voltage value than the second subnetwork DC voltage.
  • a first subnetwork DC voltage for example 48 V
  • a second subnetwork DC voltage for example 12 V
  • the first group of stator windings is associated with a first rectifier circuit and the second group of stator windings with a second Rectifier circuit.
  • a multiphase AC voltage generated in the respective group of stator windings can be rectified into a DC voltage.
  • the rectifier circuits each have, in particular, half-bridges with switches, in particular MOSFETs.
  • connection circuit with individual switching elements is arranged between in-phase stator windings of the first and the second group of stator windings.
  • in-phase stator windings of the first and the second group of stator windings are arranged between in-phase stator windings of the first and the second group of stator windings.
  • Stator windings each arranged a switching element of the connection circuit.
  • m of these switching elements are thus provided.
  • the switching elements of the connection circuit are designed such that they can conduct the current when switching through in both directions.
  • TRIAC Two-directional thyristors
  • TRIAC Two-directional thyristors
  • MOSFET Two-directional thyristors
  • connection circuit the switching elements of the connection circuit are each arranged such that in each case the in-phase stator windings of the two
  • Groups of stator windings are connected in series through the switching elements of the connection circuit. Thus, a high voltage is generated especially at low speeds in the regenerative operating mode.
  • connection circuit and the rectifier circuits can be operated in different circuit configurations. This results in different operating modes in which the electric machine can be operated.
  • the connection circuit and the rectifier circuits are controlled by a suitable computing unit, for example a control unit, for providing the different circuit configurations.
  • a suitable computing unit for example a control unit
  • the in-phase stator windings of the first and second sets of stator windings are connected in series between the first pair of subnetwork poles. All in-phase stator windings are thus connected in pairs in series.
  • the first subnetwork of the motor vehicle electrical system is supplied with energy.
  • the in-phase stator windings of the first and second sets of stator windings are connected in parallel between the second pair of subnetwork poles.
  • the second subnetwork of the motor vehicle electrical system is supplied with energy.
  • stator windings of the first group of stator windings are connected between the first pair of subnetwork terminals, thereby energizing the first subnetwork.
  • stator windings of the second group of stator windings are connected between the second pair of subnetwork terminals, thereby energizing the second subnetwork.
  • the in-phase stator windings of the first and second sets of stator windings are not directly electrically connected in this third circuit configuration.
  • the series connection of the in-phase stator windings in the first circuit configuration combines the stator windings of the first and second groups.
  • a combined stator winding results from the respective in-phase stator windings.
  • a number of turns of the windings of the individual electrical phases is increased. This increased number of turns results as the sum of the number of turns of the respective in-phase stator windings.
  • a voltage is increased, which is generated in the electric machine operated as a generator.
  • the to Energy supply of the motor vehicle electrical system provided energy can be increased especially at low generator speed.
  • the series-connected in-phase stator windings are connected to the first subnet in the first circuit configuration.
  • the first and the second rectifier circuit are driven in such a way that a rectification of the m-phase AC voltage generated in the combined in-phase stator windings is performed.
  • the energy generated by the electric machine is accordingly fed into the first subnetwork.
  • This first circuit configuration is particularly suitable for the high-voltage subnetwork. Due to the increased voltage or the increased energy that can be provided by the electric machine in this circuit configuration, it will be ensured that the high-voltage subnetwork is supplied with the comparatively high first sub-network dc voltage.
  • the electric machine with two stator windings can be regarded as two DC voltage sources, that is, as two independent electrical machines which independently provide two DC voltages. These provided DC voltages can ultimately be added.
  • the invention gives a much higher flexibility.
  • the voltage generation in the first circuit configuration is by serial, combined in-phase
  • the two groups of stator windings also individually and independently with the individual
  • stator windings of the first group can be connected to the first subnet and provide it with energy.
  • stator windings of the second group can be connected to the second subnet and supply it with energy. This ensures that both
  • Subnets are permanently supplied with the respective voltage.
  • the first and the second rectifier circuit is operated in the course of this in particular such that a rectification of the generated in the first and second group of stator windings m-phase AC voltage is performed.
  • the in-phase stator windings in the second circuit configuration can also be connected in parallel with the second subnetwork.
  • the first and the second rectifier circuit is operated in particular such that a rectification of the m-phase AC voltage generated in the first and second group of stator windings is performed.
  • the second subnetwork can be supplied with a comparatively high current.
  • a battery in the second subnet can be charged quickly.
  • the electric machine is operated in the second circuit configuration when the electric machine or the electrical system is operated in a recuperation mode.
  • the electric machine is operated in the second circuit configuration when the electric machine or the electrical system is operated in a recuperation mode.
  • recuperation mode energy is recovered during braking phases and an energy storage, such as a battery is charged.
  • a recuperation mode for example, in the context a boost recuperation system (BRS) in the electric machine (boost recuperation machine) are used.
  • BVS boost recuperation system
  • the electric machine is operated in the first circuit configuration when a drive of the electric machine is operated at idle.
  • the drive of the electric machine is to be understood below as a drive which generates mechanical energy or kinetic energy.
  • the electrical machine operated as a generator converts this mechanical or kinetic energy into electrical energy.
  • Such a drive is designed in particular as a drive of the motor vehicle, for example as an internal combustion engine.
  • Under idle is to be understood in particular that the drive is operated at a relatively low speed, for example, at speeds less than 1 .000 U / min, in particular at speeds between 600 U / min and 1, 000 U / min.
  • Circuit configuration is operated, if necessary, no sufficient energy supply of the high-voltage sub-network can be ensured, for example, because the number of turns of the individual in-phase stator windings are too low.
  • the electric machine is operated in the third circuit configuration when the drive of the electric machine is operated in a working operation mode. If the drive is in
  • Operated operating mode ie not idle, a sufficient power supply of the subnets can be ensured by the individual groups of stator windings.
  • the electric machine is operated in particular at comparatively normal or high rotational speeds, in particular at speeds greater than 1,000 rpm.
  • connection circuit and the Rectifier circuits are operated in a further fourth circuit configuration such that the in-phase stator windings of the first and the second group of stator windings are connected as a DC-DC converter for DC-DC conversion between the first and the second pair of subnetwork connection poles.
  • Circuit configuration a DC voltage conversion between the two subnetworks of the motor vehicle electrical system is performed.
  • the first sub-network dc voltage of the high-voltage sub-network is converted downward and transmitted to the low-voltage subnet or the second sub-network dc voltage of the low-voltage subnet is up-converted and transmitted to the high-voltage subnet.
  • the first and second groups of stator windings act as a transformer between the two subnetworks.
  • one of the two rectifier circuits is operated as an inverter to the
  • Subnetwork DC voltage of the corresponding subnet to convert into an AC voltage.
  • This alternating voltage generates in the associated one of the two groups of stator windings a current flow which in turn induces an alternating voltage in the other of the two groups of stator windings.
  • the other of the two rectifier circuits is operated as a rectifier to rectify this induced AC voltage and feed it into the other subnet.
  • the in-phase stator windings of the first and second groups of stator windings are not electrically connected in this case.
  • the two Statorwicklungs note and the two rectifier circuits can also be operated as a boost converter or down converter for DC voltage conversion.
  • the in-phase stator windings of the first and second groups of stator windings are electrically connected together in this case via the connection circuit.
  • the electric machine is operated in the fourth circuit configuration when the drive of the electric machine is operated in a start-stop operation mode.
  • the drive of the motor vehicle is automatically switched off, for example during standstill phases (for example at red traffic lights).
  • the subnets are powered by corresponding energy stores (e.g., batteries).
  • energy stores e.g., batteries.
  • a state of charge of the energy storage decreases so much that a recharge of the energy storage is required. This may be the case in particular in the low-voltage subnetwork.
  • the drive is restarted to load the corresponding energy storage with the electric machine and to provide the corresponding subnet with energy.
  • the fourth circuit configuration in such a case, power can be transferred between the subnets and it is not necessary to start the drive.
  • energy can be transferred from the high-voltage subnet to the low-voltage subnet.
  • the low-voltage subnetwork can be supplied from the energy storage of the high-voltage subnetwork.
  • An arithmetic unit according to the invention e.g. a control unit of a
  • Motor vehicle is, in particular programmatically, adapted to perform a method according to the invention.
  • the implementation of the method in the form of software is advantageous because it causes very low costs, especially if an executing
  • Control unit is still used for other tasks and therefore already exists.
  • Suitable data carriers for providing the computer program are in particular floppy disks, hard disks, flash memories, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, Intranet, etc.).
  • Figure 1 shows schematically a preferred embodiment of an electrical machine according to the invention.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of an electrical machine according to the invention is shown schematically and designated 100.
  • the electric machine 100 is designed in this example as a 2 x three-phase electric machine.
  • the electric machine 100 has a first group of stator winding 110 and a second group of stator winding 210.
  • Each of the groups of stator windings 1 10 and 210 has three stator windings or phases 1 1 1, 1 12, 1 13 and 21 1, 212, 213, respectively.
  • Stator windings of the groups of stator windings 1 10 and 210 are each connected in this example to a triangular circuit.
  • the electric machine 100 further includes an excitation winding 105.
  • a stator winding of the first group 1 10 and a stator winding of the second group 210 are provided in each case.
  • These stator windings of the first group 110 and the second group 210 which are assigned to the same electrical phase, are referred to as in-phase stator windings.
  • three pairs of in-phase stator windings result for the three-phase electric machine 100.
  • the stator windings 1 1 1 and 21 1, 1 12 and 212 and 1 13 and 213 are each formed as pairs of in-phase stator windings.
  • the first group of stator windings 110 and the second group of stator windings 210 are respectively assigned a first rectifier circuit 120 and a second rectifier circuit 220.
  • the electric machine 100 has a first pair 410 of subnetwork poles 41 1 and 412. About this sectionnetzan gleichpole 41 1 and 412, the electrical machine 100 can be connected to a first subnetwork of a motor vehicle electrical system. Furthermore, the electric machine 100 has a second pair 420 of subnetwork poles 421 and 422. About this sectionnetzan gleichpole 421 and 422, the electric machine 100 can be connected to a second subnetwork of the motor vehicle electrical system.
  • the first subnetwork is formed in this example as a high voltage subnet and the second subnet as a low voltage subnet. Between the first pair 410 of
  • Subnet connection poles 41 1 and 412 is applied to a first subnetwork DC voltage of, for example, 48V. Between the second pair 420 of subnetwork connection poles 421 and 422, a second subnetwork DC voltage of, for example, 12 V is applied.
  • Each of the rectifier circuits 120 and 220 respectively has three half-bridges 121, 122, 123 and 221, 222, 223. Each of the half bridges has two switches 1 1 to 16 and 21 to 26, respectively.
  • the first rectifier circuit 120 has, in addition to the second rectifier circuit 220, three further switches 31, 33 and 35 on.
  • the switches 1 1 to 16, 21 to 26 and 31 to 35 are shown in this example as diodes, but are designed as controllable or switchable switching elements, for example as MOSFETs.
  • Each of the half bridges 121, 122, 123 of the first rectifier circuit 120 is connected via a respective center tap to a respective phase connection of the first group of stator windings 110. The same applies to center taps of the second rectifier circuit 220 and phase terminals of the second group of stator windings 210.
  • connection circuit 300 Between the stator windings of the first group 1 10 and the second group 210, a connection circuit 300 is arranged.
  • This connection circuit 300 comprises three switching elements 301, 302 and 303. Specifically, between the in-phase stator windings 1 1 1 and 21 1, the switching element 301 is disposed between the in-phase stator windings 1 12 and 212
  • the switching elements 301, 302 and 303 are shown in this example as diodes, but are designed as switchable switching elements that can conduct the current in both directions, for example as bidirectional thyristors (TRIAC) or as oppositely parallel MOSFETs.
  • TRIAC bidirectional thyristors
  • a computing unit is shown, which is designed in particular as a control unit 500 of a motor vehicle.
  • the control unit 500 is set up to control the electric machine 100 and furthermore to operate the vehicle electrical system with the two subnetworks.
  • the controller 500 appropriately drives the connection circuit 300 and the rectifier circuits 120 and 220.
  • the control device 500 is in particular set up by the program to carry out a preferred embodiment of a method according to the invention.
  • the controller 500 controls the
  • Connection circuit 300 and the rectifier circuits 120 and 220 such that the in-phase stator windings of the first group 1 10 and second group 210 via the respective switching element (here 301) connected in series between the first pair 410 of Operanetzan gleichpolen 41 1 and 412.
  • control unit 500 controls the switches 24, 23, 301, 11 and 12.
  • the in-phase stator windings 1 1 1 and 21 1 are connected in series.
  • the two stator windings 1 1 1 and 21 1 are thus combined to form a common stator winding.
  • the combined stator windings 1 1 1 and 21 1 are thus serially in the first
  • the switches 24, 23, 11 and 12 are timed such that rectification of the three-phase AC voltage generated in the combined stator winding is performed. In the course of this first
  • the controller 500 drives the connection circuit 300 and the rectifier circuits 120 and 220 such that the in-phase stator windings of the first group 110 and the second group 210 are connected in parallel between the second pair 420 of subnetwork terminals 421 and 422.
  • the controller 500 controls the switches 23, 24, 25, 26, 12, 31, 16 and 35 at.
  • the two stator windings 1 1 1 and 21 1 are thus connected in parallel in the second subnet.
  • the switches 23 to 26 are timed such that rectification of the three-phase AC voltage generated in the stator winding 21 1 is performed.
  • the switches 12, 31, 16 and 35 are timed such that a Rectification of the three-phase AC voltage generated in the stator winding 1 1 1 is performed.
  • the second subnetwork is supplied with energy.
  • the controller 500 controls the
  • Connection circuit 300 and the rectifier circuits 120 and 220 such that the stator windings of the first group 1 10 are connected between the first pair 410 of Operanetzan gleichpolen 41 1 and 412 and that simultaneously the stator windings of the second group 210 between the second pair 420 of Operanetzan gleichpolen 421 and 422 are connected.
  • Switching elements 301, 302, 303 are non-conductive, i. the stator windings of the first group 1 10 and the stator windings of the second group 210 are not directly electrically connected.
  • the control unit 500 controls the switches 23, 24, 25, 26, 11,
  • the stator winding 1 1 1 is connected in the first subnet and the stator winding 21 1 is connected in the second subnet.
  • the switches 23 to 26 are timed such that rectification of the three-phase AC voltage generated in the stator winding 21 1 is performed.
  • the switches 1 1, 12, 15 and 16 are controlled in time such that a rectification of the three-phase AC voltage, which is generated in the stator winding 1 1 1, is performed.
  • the first and the second sub-network are simultaneously supplied with energy.
  • control unit 500 can control the connection circuit 300 and the rectifier circuits 120 and 220 in a fourth circuit configuration in such a way that the in-phase stator windings of the first group 110 and the second group 210 are switched as a DC-DC converter, here for example as a transformer for DC voltage conversion.
  • a DC voltage conversion is performed between the two subnetworks.
  • the transmission of electrical power from the first subnet to the second subnet is described by way of example below. The same applies to the transfer of electrical power in the other direction.
  • the first sub-network DC voltage of 48 V is converted into a three-phase AC voltage by means of the first rectifier circuit 120, which is operated as an inverter.
  • the controller 500 controls for this purpose, the switches 1 1 to 16 of the first rectifier circuit 120 expedient.
  • This three-phase alternating voltage generates in the first group 1 10 of stator windings a current flow, which in turn induces a three-phase alternating voltage in the second group 210 of stator windings.
  • This induced three-phase AC voltage is rectified by means of the second rectifier circuit 220, which is operated as a rectifier, and fed into the second sub-network.
  • the control unit 500 controls the switches 21 to 26 of the second rectifier circuit 220 expediently for this purpose. By clocked, appropriate driving the individual switches of the first and the second rectifier circuit 120 and 220, the second subnetwork DC voltage can be adjusted.
  • An excitation current of the excitation winding 105 of the electric machine 100 is expediently equal to zero, so that no Polradschreib in the first group 1 10 of stator windings and in the second group 210 of stator windings is induced.
  • the transmission of electrical energy from one subnetwork to the other is preferably performed when the electric machine 100 is stopped.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (100) mit einer ersten Gruppe (110) von Statorwicklungen (111, 112, 113) und einer zweiten Gruppe (210) von Statorwicklungen (211, 212, 213), wobei in einer ersten Schaltungskonfiguration gleichphasige Statorwicklungen (111, 211; 112, 212; 113, 213) der ersten und der zweite Gruppe (110, 210) von Statorwicklungen (111, 112, 113, 211, 212, 213) seriell zwischen ein erstes Paar (410) von Teilnetzanschlusspolen (411, 412) geschaltet werden, wobei in einer zweiten Schaltungskonfiguration die gleichphasigen Statorwicklungen (111, 211; 112, 212; 113, 213) der ersten und der zweite Gruppe (110, 210) von Statorwicklungen (111, 112, 113, 211, 212, 213) parallel zwischen ein zweites Paar (420) von Teilnetzanschlusspolen (421, 422) geschaltet werden und wobei in einer dritten Schaltungskonfiguration die Statorwicklungen (111, 112, 113) der ersten Gruppe (110) von Statorwicklungen zwischen das erste Paar (410) von Teilnetzanschlusspolen (411, 412) und die Statorwicklungen (211, 212, 213) der zweiten Gruppe (220) von Statorwicklungen zwischen das zweite Paar (420) von Teilnetzanschlusspolen (421, 422) geschaltet werden, und eine entsprechen eingerichtete elektrischen Maschine (100).

Description

Beschreibung Titel
Elektrische Maschine zur Energieversorgung eines Kraftfahrzeugbordnetzes
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine zur Energieversorgung eines Kraftfahrzeugbordnetzes mit zwei Teilnetzen, ein entsprechendes Kraftfahrzeugbordnetz und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine.
Stand der Technik
Kraftfahrzeugbordnetze können in Form sogenannter Zwei- oder Mehrspannungsbordnetze mit wenigstens zwei Teilnetzen ausgebildet sein. Derartige Teilnetze kommen beispielsweise dann zum Einsatz, wenn in einem betreffenden Kraftfahrzeug Verbraucher mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen vorhanden sind. In diesem Fall weisen wenigstens zwei der Teilnetze unterschiedliche Spannungsniveaus auf, z.B. 12 V (sogenanntes Niedervoltteilnetz) und 48 V (sogenanntes Hochvoltteilnetz). Elektrische Maschinen wie Generatoren können für eine Energieversorgung der Teilnetze verwendet werden. Eine derartige elektrische Maschine erzeugt einen mehrphasigen Drehstrom, der mittels einer Gleichrichterschaltung für die Teilnetze gleichgerichtet werden kann.
In der DE 28 10 201 C2 wird eine Möglichkeit zur Energieversorgung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs offenbart. Im Zuge eines Heizbetriebs sollen elektrische Verbraucher mit einer großen Stromaufnahme, beispielsweise elektrische Heizungen, mit Energie versorgt werden. Im Fall der DE 28 10 201 C2 sind derartige Verbraucher wegen des hohen Energieverbrauchs nicht unmittelbar an das Bordnetz angeschlossen. Ein Drehstromgenerator weist zwei Ständerwicklungen auf. Eine Hauptständerwicklung und eine Zusatzständerwicklung verfügen über jeweils eigene Gleichrichtersätze. Um die entsprechenden Verbraucher im Zuge des Heizbetriebs mit Energie zu versorgen, werden die Spannungen der beiden Ständerwicklungen nach Gleichrichtung, also auf der Gleichspannungsseite, addiert. Zu diesem Zweck werden mittels einer Schalteinrichtung in einer Reihenschaltungsposition die Plus- und Minusdiodenanschlüsse beider Ständerwicklungen in Reihe geschaltet und mit dem entsprechenden Verbraucher verbunden. Nach Abschalten dieses Heizbetriebs werden die Spannungen der beiden Ständerwicklungen nach Gleichrichtung parallel geschaltet.
Eine derartige Energieversorgung ist nicht für moderne Zwei- oder Mehrspannungsbordnetze geeignet. Durch eine derartige Energieversorgung kann nicht gewährleistet werden, dass sowohl ein Niedervoltteilnetz als auch ein
Hochvoltteilnetz permanent mit der jeweiligen Spannung versorgt werden.
Es ist daher wünschenswert, eine Möglichkeit bereitzustellen, um Teilnetze eines Kraftfahrzeugbordnetzes effektiv mit Energie zu versorgen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden eine elektrische Maschine zur Energieversorgung eines Kraftfahrzeugbordnetzes mit zwei Teilnetzen, ein entsprechendes Kraftfahrzeugbordnetz und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen
Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine weist eine erste Gruppe von
Statorwicklungen und eine zweite Gruppe von Statorwicklungen auf. Die elektrische Maschine kann mit jeder dieser Gruppen von Statorwicklungen für sich alleine genommen regulär betrieben werden. An dem Stator bzw. Ständer der elektrischen Maschine sind somit zwei separate, unabhängige Statorwicklungsgruppen angeordnet. Eine Statorwicklung der ersten Gruppe und eine Statorwicklung der zweiten Gruppe, die sich hinsichtlich der Magnetfelddurchdringung bzw. der elektrischen Phase entsprechen (insbesondere weil sie bspw. in derselben Statornut gewickelt sind), werden im Folgenden als gleichphasige Statorwicklungen bezeichnet.
Die elektrische Maschine kann als eine m-phasige bzw. m-strängige elektrische Maschine mit 2 x m Statorwicklungen (Phasen) ausgebildet sein. Zweckmäßige Werte für diese Phasenanzahl m sind beispielsweise 3, 5, 6, 7 oder 9. Spannungen zweier benachbarter Statorwicklungen einer Gruppe sind jeweils um eine Phasenverschiebung von 3607m verschoben.
Die elektrische Maschine kann insbesondere als ein Generator ausgebildet sein. Die elektrische Maschine kann weiter insbesondere derart ausgebildet sein, dass sie in einem generatorischen Betriebsmodus als Generator und in einem motorischen Betriebsmodus als Motor betrieben werden kann. Wird die elektrische Maschine als Generator betrieben, erzeugt die elektrische Maschine elektrische Energie zur Energieversorgung des Kraftfahrzeugbordnetzes. Über ein erstes Paar von Teilnetzanschlusspolen kann die elektrische Maschine mit einem ersten Teilnetz des Kraftfahrzeugbordnetzes verbunden werden. Über ein zweites Paar von Teilnetzanschlusspolen kann die elektrische Maschine mit einem zweiten Teilnetz des Kraftfahrzeugbordnetzes verbunden werden. Diese beiden Teilnetze weisen insbesondere unterschiedliche Spannungsniveaus auf.
Im Folgenden wird das erste Teilnetz beispielhaft als ein Hochvoltteilnetz angenommen, das mit einer ersten Teilnetzgleichspannung (beispielsweise 48 V) betrieben wird, und das zweite Teilnetz als ein Niedervoltteilnetz, das mit einer zweiten Teilnetzgleichspannung (beispielsweise 12 V) betrieben wird, wobei die erste Teilnetzgleichspannung einen größeren Spannungswert besitzt als die zweite Teilnetzgleichspannung.
Der ersten Gruppe von Statorwicklungen ist eine erste Gleichrichterschaltung zugeordnet und der zweiten Gruppe von Statorwicklungen eine zweite Gleichrichterschaltung. Mittels der jeweiligen Gleichrichterschaltungen kann eine in der jeweiligen Gruppe von Statorwicklungen erzeugte mehrphasige Wechselspannung in eine Gleichspannung gleichgerichtet werden. Die Gleichrichterschaltungen weisen jeweils insbesondere Halbbrücken mit Schaltern, insbesondere MOSFETs, auf.
Erfindungsgemäß ist zwischen gleichphasigen Statorwicklungen der ersten und der zweite Gruppe von Statorwicklungen eine Verbindungsschaltung mit einzelnen Schaltelementen angeordnet. Insbesondere ist zwischen gleichphasigen Statorwicklungen der ersten und der zweite Gruppe von
Statorwicklungen jeweils ein Schaltelement der Verbindungsschaltung angeordnet. Insbesondere sind somit m dieser Schaltelemente vorgesehen. Insbesondere sind die Schaltelemente der Verbindungsschaltung derart ausgebildet, dass sie den Strom beim Durchschalten in beiden Richtungen leiten können. Diese Schaltelemente können beispielsweise als
Zweirichtungsthyristoren (TRIAC) oder als gegensinnig parallele MOSFETs ausgebildet sein.
Insbesondere sind die Schaltelemente der Verbindungsschaltung jeweils derart angeordnet, dass jeweils die gleichphasigen Statorwicklungen der beiden
Gruppen von Statorwicklungen beim Durchschalten der Schaltelemente der Verbindungsschaltung in Reihe geschaltet sind. Somit wird insbesondere schon bei niedrigen Drehzahlen im generatorischen Betriebsmodus eine hohe Spannung erzeugt.
Erfindungsgemäß können die Verbindungsschaltung und die Gleichrichterschaltungen in unterschiedlichen Schaltungskonfigurationen betrieben werden. Somit ergeben sich unterschiedliche Betriebsmodi, in welchen die elektrische Maschine betrieben werden kann. Insbesondere werden die Verbindungsschaltung und die Gleichrichterschaltungen durch eine zweckmäßige Recheneinheit, beispielsweise ein Steuergerät, zur Bereitstellung der unterschiedlichen Schaltungskonfigurationen angesteuert. In einer ersten Schaltungskonfiguration sind die gleichphasigen Statorwicklungen der ersten und der zweiten Gruppe von Statorwicklungen seriell zwischen das erste Paar von Teilnetzanschlusspolen geschaltet. Sämtliche gleichphasigen Statorwicklungen sind somit paarweise in Reihe geschaltet. In dieser ersten Schaltungskonfiguration wird das erste Teilnetz des Kraftfahrzeugbordnetzes mit Energie versorgt.
In einer zweiten Schaltungskonfiguration sind die gleichphasigen Statorwicklungen der ersten und der zweiten Gruppe von Statorwicklungen parallel zwischen das zweite Paar von Teilnetzanschlusspolen geschaltet. In dieser zweiten Schaltungskonfiguration wird das zweite Teilnetz des Kraftfahrzeugbordnetzes mit Energie versorgt.
In einer dritten Schaltungskonfiguration sind die Statorwicklungen der ersten Gruppe von Statorwicklungen zwischen das erste Paar von Teilnetzanschlusspolen geschaltet, wodurch das erste Teilnetz mit Energie versorgt wird. Gleichzeitig sind die Statorwicklungen der zweiten Gruppe von Statorwicklungen zwischen das zweite Paar von Teilnetzanschlusspolen geschaltet, wodurch das zweite Teilnetz mit Energie versorgt wird. Die gleichphasigen Statorwicklungen der ersten und der zweiten Gruppe von Statorwicklungen sind in dieser dritten Schaltungskonfiguration nicht direkt elektrisch miteinander verbunden.
Vorteile der Erfindung
Durch die Reihenschaltung der gleichphasigen Statorwicklungen in der ersten Schaltungskonfiguration werden die Statorwicklungen der ersten und der zweiten Gruppe kombiniert. Somit ergibt sich für jede elektrische Phase eine kombinierte Statorwicklung aus den jeweiligen gleichphasigen Statorwicklungen. Eine Windungszahl der Wicklungen der einzelnen elektrischen Phasen wird erhöht. Diese erhöhte Windungszahl ergibt sich als Summe der Windungszahlen der jeweiligen gleichphasigen Statorwicklungen. Durch diese Reihenschaltung der gleichphasigen Statorwicklungen wird eine Spannung erhöht, welche in der als Generator betriebenen elektrischen Maschine erzeugt wird. Somit kann die zur Energieversorgung des Kraftfahrzeugbordnetzes bereitgestellte Energie insbesondere bei niedriger Generatordrehzahl erhöht werden.
Die in Reihe geschalteten gleichphasigen Statorwicklungen werden in der ersten Schaltungskonfiguration mit dem ersten Teilnetz verbunden. Insbesondere werden die erste und die zweite Gleichrichterschaltung im Zuge dessen derart angesteuert, dass eine Gleichrichtung der in den kombinierten gleichphasigen Statorwicklungen erzeugten m-phasigen Wechselspannung durchgeführt wird. Die von der elektrischen Maschine erzeugte Energie wird demgemäß in das erste Teilnetz eingespeist.
Diese erste Schaltungskonfiguration bietet sich insbesondere für das Hochvoltteilnetz an. Durch die erhöhte Spannung bzw. die erhöhte Energie, die von der elektrischen Maschine in dieser Schaltungskonfiguration bereitgestellt werden kann, wird gewährleistet werden, dass das Hochvoltteilnetz mit der vergleichsweise hohen ersten Teilnetzgleichspannung versorgt wird.
Im Gegensatz zu der eingangs erwähnten DE 28 10 201 C2 wird es durch die Erfindung ermöglicht, die gleichphasigen Statorwicklungen direkt in Reihe zu schalten. Gemäß der DE 28 10 201 C2 wird lediglich ermöglicht,
Ständerwicklungen nach der Gleichrichtung, also auf der Gleichspannungsseite, zu addieren. Gemäß der DE 28 10 201 C2 kann die elektrische Maschine mit zwei Ständerwicklungen als zwei Gleichspannungsquellen angesehen werden, also als zwei unabhängige elektrische Maschinen, die unabhängig voneinander zwei Gleichspannungen bereitstellen. Diese bereitgestellten Gleichspannungen können letztendlich addiert werden.
Im Gegensatz dazu ergibt sich durch die Erfindung eine sehr viel höhere Flexibilität. Zum einen ist die Spannungserzeugung in der ersten Schaltungskonfiguration durch seriell geschaltete, kombinierte gleichphasige
Statorwicklungen sehr viel effektiver als in der DE 28 10 201 C2. Weiterhin müssen in der ersten Schaltungskonfiguration nicht sämtliche Schalter der Gleichrichterschaltungen angesteuert werden, wohingegen in der DE 28 10 201 C2 stets sämtliche Schalter beider Gleichrichtersätze angesteuert werden müssen.
Weiterhin wird es durch die Erfindung ermöglicht, die beiden Gruppen von Statorwicklungen auch einzeln und unabhängig voneinander mit den einzelnen
Teilnetzen zu verbinden. Im Zuge der dritten Schaltungskonfiguration können die Statorwicklungen der ersten Gruppe mit dem ersten Teilnetz verbunden werden und dieses mit Energie versorgen. Gleichzeitig können unabhängig davon die Statorwicklungen der zweiten Gruppe mit dem zweiten Teilnetz verbunden werden und dieses mit Energie versorgen. Somit wird gewährleistet, dass beide
Teilnetze permanent mit der jeweiligen Spannung versorgt werden. Die erste bzw. die zweite Gleichrichterschaltung wird im Zuge dessen insbesondere derart betrieben, dass eine Gleichrichtung der in der ersten bzw. zweiten Gruppe von Statorwicklungen erzeugten m-phasigen Wechselspannung durchgeführt wird.
Darüber hinaus können die gleichphasigen Statorwicklungen in der zweiten Schaltungskonfiguration auch parallel mit dem zweiten Teilnetz verbunden werden. Auch in dieser Schaltungskonfiguration wird die erste bzw. die zweite Gleichrichterschaltung insbesondere derart betrieben, dass eine Gleichrichtung der in der ersten bzw. zweiten Gruppe von Statorwicklungen erzeugten m- phasigen Wechselspannung durchgeführt wird.
In der zweiten Schaltungskonfiguration kann das zweite Teilnetz mit einem vergleichsweise hohen Strom versorgt werden. Beispielsweise kann in dieser zweiten Schaltungskonfiguration eine Batterie in dem zweiten Teilnetz schnell aufgeladen werden.
Bevorzugt wird die elektrische Maschine in der zweiten Schaltungskonfiguration betrieben, wenn die elektrische Maschine bzw. das Bordnetz in einem Rekuperationsmodus betrieben wird. Im Zuge eines derartigen
Rekuperationsmodus wird beispielsweise während Bremsphasen Energie rückgewonnen und ein Energiespeicher, beispielsweise eine Batterie, wird aufgeladen. Ein derartiger Rekuperationsmodus kann beispielsweise im Rahmen eines Boost-Rekuperations-Systems (BRS) in der elektrischen Maschine (Boost- Rekuperations-Maschine) eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise wird die elektrische Maschine in der ersten Schaltungskonfiguration betrieben, wenn ein Antrieb der elektrischen Maschine in einem Leerlauf betrieben wird. Als Antrieb der elektrischen Maschine ist im Folgenden ein Antrieb zu verstehen, der mechanische Energie bzw. kinetische Energie erzeugt. Insbesondere wandelt die als Generator betriebene elektrische Maschine diese mechanische bzw. kinetische Energie in elektrische Energie um. Ein derartiger Antrieb ist insbesondere als Antrieb des Kraftfahrzeugs ausgebildet, beispielsweise als Verbrennungsmotor. Unter Leerlauf ist insbesondere zu verstehen, dass der Antrieb mit einer vergleichsweise geringen Drehzahl betrieben wird, beispielsweise bei Drehzahlen geringer als 1 .000 U/min, insbesondere bei Drehzahlen zwischen 600 U/min und 1 .000 U/min. Wenn die elektrische Maschine bei Leerlauf des Antriebs in der dritten
Schaltungskonfiguration betrieben wird, kann gegebenenfalls keine ausreichende Energieversorgung des Hochvoltteilnetzes gewährleistet werden, beispielsweise weil die Windungszahlen der einzelnen gleichphasigen Statorwicklungen zu gering sind. Durch die Kombination der gleichphasigen Statorwicklungen in der ersten Schaltungskonfiguration kann eine ausreichende Energieversorgung des
Hochvoltteilnetzes gewährleistet werden, auch im Leerlauf des Antriebes.
Vorzugsweise wird die elektrische Maschine in der dritten Schaltungskonfiguration betrieben, wenn der Antrieb der elektrischen Maschine in einem Arbeitsbetriebsmodus betrieben wird. Wird der Antrieb im
Arbeitsbetriebsmodus betrieben, also nicht im Leerlauf, kann auch durch die einzelnen Gruppen von Statorwicklungen eine ausreichende Energieversorgung der Teilnetze gewährleistet werden. In einem derartigen regulären Betriebsmodus wird die elektrische Maschine insbesondere bei vergleichsweise normalen oder hohen Drehzahlen betrieben, insbesondere bei Drehzahlen größer als 1.000 U/min.
Insbesondere wenn der Läufer der hier beschrieben elektrischen Maschine sich nicht dreht, können vorteilhafterweise die Verbindungsschaltung und die Gleichrichterschaltungen in einer weiteren vierten Schaltungskonfiguration derart betrieben werden, dass die gleichphasigen Statorwicklungen der ersten und der zweiten Gruppe von Statorwicklungen als ein Gleichspannungswandler zur Gleichspannungswandlung zwischen das erste und das zweite Paar von Teilnetzanschlusspolen geschaltet sind. Im Zuge dieser vierten
Schaltungskonfiguration wird eine Gleichspannungswandlung zwischen den zwei Teilnetzen des Kraftfahrzeugbordnetzes durchgeführt. Je nach Bedarf wird die erste Teilnetzgleichspannung des Hochvoltteilnetzes abwärts gewandelt und in das Niedervoltteilnetz übertragen oder die zweite Teilnetzgleichspannung des Niedervoltteilnetzes wird aufwärts gewandelt und in das Hochvoltteilnetz übertragen.
Bevorzugt fungieren die erste und die zweite Gruppe von Statorwicklungen als ein Transformator zwischen den beiden Teilnetzen. Je nach Bedarf wird eine der beiden Gleichrichterschaltungen als ein Wechselrichter betrieben, um die
Teilnetzgleichspannung des entsprechenden Teilnetzes in eine Wechselspannung umzuwandeln. Diese Wechselspannung erzeugt in der zugehörigen der beiden Gruppen von Statorwicklungen einen Stromfluss, welcher wiederum eine Wechselspannung in der anderen der beiden Gruppen von Statorwicklungen induziert. Die andere der beiden Gleichrichterschaltungen wird als ein Gleichrichter betrieben, um diese induzierte Wechselspannung gleichzurichten und in das andere Teilnetz einzuspeisen. Insbesondere sind die gleichphasigen Statorwicklungen der ersten und der zweiten Gruppe von Statorwicklungen in diesem Fall nicht elektrisch miteinander verbunden.
Weiter bevorzugt können die beiden Statorwicklungsgruppen und die beiden Gleichrichterschaltungen auch als Aufwärtswandler oder Abwärtswandler zur Gleichspannungswandlung betrieben werden. Die gleichphasigen Statorwicklungen der ersten und der zweiten Gruppe von Statorwicklungen sind in diesem Fall über die Verbindungsschaltung elektrisch miteinander verbunden.
Die bereits vorhandenen Bauteile und Komponenten der Gleichrichterschaltungen werden im Zuge der Gleichspannungswandlung entsprechend für die Gleichrichtung, die Wechselrichtung, die Aufwärtswandlung, die Abwärtswandlung und/oder die Transformation genutzt, wodurch letztendlich die Gleichspannungswandlung ermöglicht wird. Somit werden keine zusätzlichen Komponenten und Bauteile benötigt und der Kostenaufwand kann reduziert werden.
Vorzugsweise wird die elektrische Maschine in der vierten Schaltungskonfiguration betrieben, wenn der Antrieb der elektrischen Maschine in einem Start-Stopp-Betriebsmodus betrieben wird. Im Zuge eines derartigen Start-Stopp-Betriebsmodus wird der Antrieb des Kraftfahrzeugs beispielsweise in Standphasen (z.B. an roten Ampeln) automatisch abgeschaltet. In derartigen
Phasen mit abgeschaltetem Antrieb werden die Teilnetze aus entsprechenden Energiespeichern (z.B. Batterien) versorgt. Während längerer Standphasen kann es vorkommen, dass ein Ladezustand der Energiespeicher so stark abnimmt, dass ein Nachladen des Energiespeichers erforderlich ist. Dies kann insbesondere in dem Niedervoltteilnetz der Fall sein. In herkömmlichen
Kraftfahrzeugen wird zu diesem Zweck der Antrieb wieder gestartet, um mit der elektrischen Maschine den entsprechenden Energiespeicher zu laden und das entsprechende Teilnetz mit Energie zu versorgen. Durch die vierte Schaltungskonfiguration kann in einem derartigen Fall Energie zwischen den Teilnetzen transferiert werden und es ist nicht notwendig, den Antrieb zu starten.
Somit kann insbesondere Energie von dem Hochvoltteilnetz in das Niedervoltteilnetz transferiert werden. Das Niedervoltteilnetz kann aus dem Energiespeicher des Hochvoltteilnetzes versorgt werden. Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines
Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes
Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet.
Die elektrische Maschine 100 ist in diesem Beispiel als eine 2 x dreiphasige elektrische Maschine ausgeführt. Die elektrische Maschine 100 weist eine erste Gruppe von Statorwicklung 1 10 und eine zweite Gruppe von Statorwicklung 210 auf. Jede der Gruppen von Statorwicklungen 1 10 bzw. 210 weist je drei Statorwicklungen bzw. Phasen 1 1 1 , 1 12, 1 13 bzw. 21 1 , 212, 213 auf. Die
Statorwicklungen der Gruppen von Statorwicklungen 1 10 und 210 sind in diesem Beispiel jeweils zu einer Dreiecksschaltung verbunden. Die elektrische Maschine 100 weist des Weiteren eine Erregerwicklung 105 auf. Für jede elektrische Phase der elektrischen Maschine 100 sind jeweils eine Statorwicklung der ersten Gruppe 1 10 und eine Statorwicklung der zweiten Gruppe 210 vorgesehen. Diese Statorwicklungen der ersten Gruppe 1 10 und der zweiten Gruppe 210, welche derselben elektrischen Phase zugeordnet sind, werden als gleichphasige Statorwicklungen bezeichnet. Für die dreiphasige elektrische Maschine 100 ergeben sich somit drei Paare von gleichphasigen Statorwicklungen. In diesem Beispiel sind die Statorwicklungen 1 1 1 und 21 1 , 1 12 und 212 sowie 1 13 und 213 jeweils als Paare von gleichphasigen Statorwicklungen ausgebildet.
Der ersten Gruppe von Statorwicklungen 1 10 und der zweiten Gruppe von Statorwicklungen 210 ist jeweils eine erste Gleichrichterschaltung 120 bzw. eine zweiten Gleichrichterschaltung 220 zugeordnet.
Die elektrische Maschine 100 weist ein erstes Paar 410 von Teilnetzanschlusspolen 41 1 und 412 auf. Über diese Teilnetzanschlusspole 41 1 und 412 kann die elektrische Maschine 100 mit einem ersten Teilnetz eines Kraftfahrzeugbordnetzes verbunden werden. Weiterhin weist die elektrische Maschine 100 ein zweites Paar 420 von Teilnetzanschlusspolen 421 und 422 auf. Über diese Teilnetzanschlusspole 421 und 422 kann die elektrische Maschine 100 mit einem zweiten Teilnetz des Kraftfahrzeugbordnetzes verbunden werden.
Das erste Teilnetz ist in diesem Beispiel als ein Hochvoltteilnetz ausgebildet und das zweite Teilnetz als ein Niedervoltteilnetz. Zwischen dem ersten Paar 410 von
Teilnetzanschlusspolen 41 1 und 412 liegt eine erste Teilnetzgleichspannung von beispielsweise 48 V an. Zwischen dem zweiten Paar 420 von Teilnetzanschlusspolen 421 und 422 liegt eine zweite Teilnetzgleichspannung von beispielsweise 12 V an.
Jede der Gleichrichterschaltungen 120 bzw. 220 weist jeweils drei Halbbrücken 121 , 122, 123 bzw. 221 , 222, 223 auf. Jede der Halbbrücken weist jeweils zwei Schalter 1 1 bis 16 bzw. 21 bis 26 auf. Die erste Gleichrichterschaltung 120 weist zusätzlich zur zweiten Gleichrichterschaltung 220 noch drei weitere Schalter 31 , 33 und 35 auf. Die Schalter 1 1 bis 16, 21 bis 26 und 31 bis 35 sind in diesem Beispiel als Dioden dargestellt, sind jedoch als ansteuerbare bzw. schaltbare Schaltelemente ausgebildet, beispielsweise als MOSFETs. Jede der Halbbrücken 121 , 122, 123 der ersten Gleichrichterschaltung 120 ist über jeweils einen Mittelabgriff mit jeweils einem Phasenanschluss der ersten Gruppe von Statorwicklungen 1 10 verbunden. Analoges gilt für Mittelabgriffe der zweiten Gleichrichterschaltung 220 und Phasenanschlüsse der zweiten Gruppe von Statorwicklungen 210.
Zwischen den Statorwicklungen der ersten Gruppe 1 10 und der zweiten Gruppe 210 ist eine Verbindungsschaltung 300 angeordnet. Diese Verbindungsschaltung 300 umfasst drei Schaltelemente 301 , 302 und 303. Im Speziellen ist zwischen den gleichphasigen Statorwicklungen 1 1 1 und 21 1 das Schaltelement 301 angeordnet, zwischen den gleichphasigen Statorwicklungen 1 12 und 212 das
Schaltelement 302 und zwischen den gleichphasigen Statorwicklungen 1 13 und 213 das Schaltelement 303. Die Schaltelemente 301 , 302 und 303 sind in diesem Beispiel als Dioden dargestellt, sind jedoch als ansteuerbare bzw. schaltbare Schaltelemente, die den Strom in beiden Richtungen leiten können, ausgebildet, beispielsweise als Zweirichtungsthyristoren (TRIAC) oder als gegensinnig parallele MOSFETs.
Neben der elektrischen Maschine 100 ist eine Recheneinheit dargestellt, die insbesondere als ein Steuergerät 500 eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Das Steuergerät 500 ist dazu eingerichtet, die elektrische Maschine 100 anzusteuern und weiterhin das Kraftfahrzeugbordnetz mit den zwei Teilnetzen zu betreiben. Im Zuge dessen steuert das Steuergerät 500 die Verbindungsschaltung 300 und die Gleichrichterschaltungen 120 und 220 zweckmäßig an. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 500 insbesondere programmtechnisch dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Im Folgenden wird beispielhaft anhand des Paares von gleichphasigen Statorwicklungen 1 1 1 und 21 1 die Ansteuerung der Verbindungsschaltung 300 und der Gleichrichterschaltungen 120 und 220 im Speziellen beschrieben. Die nachfolgenden Ausführungen gelten in analoger Weise für die übrigen gleichphasigen Statorwicklungen im Allgemeinen. In einer ersten Schaltungskonfiguration steuert das Steuergerät 500 die
Verbindungsschaltung 300 und die Gleichrichterschaltungen 120 und 220 derart an, dass die gleichphasigen Statorwicklungen der ersten Gruppe 1 10 und der zweiten Gruppe 210 über das jeweilige Schaltelement (hier 301 ) seriell zwischen das erste Paar 410 von Teilnetzanschlusspolen 41 1 und 412 geschaltet sind.
Zu diesem Zweck steuert das Steuergerät 500 die Schalter 24, 23, 301 , 1 1 und 12 an. Durch Ansteuern des Schalters 301 werden die gleichphasigen Statorwicklungen 1 1 1 und 21 1 in Reihe geschaltet. Die beiden Statorwicklungen 1 1 1 und 21 1 werden somit zu einer gemeinsamen Statorwicklung kombiniert. Die kombinierten Statorwicklungen 1 1 1 und 21 1 werden somit seriell in das erste
Teilnetz geschaltet.
Die Schalter 24, 23, 1 1 und 12 werden zeitlich derart angesteuert, dass eine Gleichrichtung der dreiphasigen Wechselspannung durchgeführt wird, die in der kombinierten Statorwicklung erzeugt wird. Im Zuge dieser ersten
Schaltungskonfiguration wird das erste Teilnetz mit Energie versorgt.
In einer zweiten Schaltungskonfiguration steuert das Steuergerät 500 die Verbindungsschaltung 300 und die Gleichrichterschaltungen 120 und 220 derart an, dass die gleichphasigen Statorwicklungen der ersten Gruppe 1 10 und der zweiten Gruppe 210 parallel zwischen das zweite Paar 420 von Teilnetzanschlusspolen 421 und 422 geschaltet sind.
Zu diesem Zweck steuert das Steuergerät 500 die Schalter 23, 24, 25, 26, 12, 31 , 16 und 35 an. Die beiden Statorwicklungen 1 1 1 und 21 1 werden somit parallel in das zweite Teilnetz geschaltet. Die Schalter 23 bis 26 werden zeitlich derart angesteuert, dass eine Gleichrichtung der dreiphasigen Wechselspannung, die in der Statorwicklung 21 1 erzeugt wird, durchgeführt wird. Die Schalter 12, 31 , 16 und 35 werden zeitlich derart angesteuert, dass eine Gleichrichtung der dreiphasigen Wechselspannung, die in der Statorwicklung 1 1 1 erzeugt wird, durchgeführt wird. Im Zuge dieser zweiten Schaltungskonfiguration wird das zweite Teilnetz mit Energie versorgt. In einer dritten Schaltungskonfiguration steuert das Steuergerät 500 die
Verbindungsschaltung 300 und die Gleichrichterschaltungen 120 und 220 derart an, dass die Statorwicklungen der ersten Gruppe 1 10 zwischen das erste Paar 410 von Teilnetzanschlusspolen 41 1 und 412 geschaltet sind und dass gleichzeitig die Statorwicklungen der zweiten Gruppe 210 zwischen das zweite Paar 420 von Teilnetzanschlusspolen 421 und 422 geschaltet sind. Die
Schaltelemente 301 , 302, 303 sind nicht leitend, d.h. die Statorwicklungen der ersten Gruppe 1 10 und die Statorwicklungen der zweiten Gruppe 210 sind nicht direkt elektrisch verbunden. Zu diesem Zweck steuert das Steuergerät 500 die Schalter 23, 24, 25, 26, 1 1 ,
12, 15 und 16 an. Die Statorwicklung 1 1 1 wird in das erste Teilnetz geschaltet und die Statorwicklung 21 1 wird in das zweite Teilnetz geschaltet. Die Schalter 23 bis 26 werden zeitlich derart angesteuert, dass eine Gleichrichtung der dreiphasigen Wechselspannung, die in der Statorwicklung 21 1 erzeugt wird, durchgeführt wird. Die Schalter 1 1 , 12, 15 und 16 werden zeitlich derart angesteuert, dass eine Gleichrichtung der dreiphasigen Wechselspannung, die in der Statorwicklung 1 1 1 erzeugt wird, durchgeführt wird. Im Zuge dieser dritten Schaltungskonfiguration werden das erste und das zweite Teilnetz gleichzeitig mit Energie versorgt.
Weiterhin kann das Steuergerät 500 die Verbindungsschaltung 300 und die Gleichrichterschaltungen 120 und 220 in einer vierten Schaltungskonfiguration derart ansteuern, dass die gleichphasigen Statorwicklungen der ersten Gruppe 1 10 und der zweiten Gruppe 210 als Gleichspannungswandler, hier z.B. als Transformator zur Gleichspannungswandlung geschaltet werden. Im Zuge dieser vierten Schaltungskonfiguration wird eine Gleichspannungswandlung zwischen den zwei Teilnetzen durchgeführt. Im Folgenden wird beispielhaft die Übertragung elektrischer Leistung von dem ersten Teilnetz in das zweite Teilnetz beschrieben. Analoges gilt für die Übertragung elektrischer Leistung in die andere Richtung. Die erste Teilnetzgleichspannung von 48 V wird mittels der ersten Gleichrichterschaltung 120, die als ein Wechselrichter betrieben wird, in eine dreiphasige Wechselspannung umgewandelt. Das Steuergerät 500 steuert zu diesem Zweck die Schalter 1 1 bis 16 der ersten Gleichrichterschaltung 120 zweckmäßig an. Diese dreiphasige Wechselspannung erzeugt in der ersten Gruppe 1 10 von Statorwicklungen einen Stromfluss, welcher wiederum eine dreiphasige Wechselspannung in der zweiten Gruppe 210 von Statorwicklungen induziert. Diese induzierte dreiphasige Wechselspannung wird mittels der zweiten Gleichrichterschaltung 220, die als ein Gleichrichter betrieben wird, gleichgerichtet und in das zweite Teilnetz eingespeist. Das Steuergerät 500 steuert zu diesem Zweck die Schalter 21 bis 26 der zweiten Gleichrichterschaltung 220 zweckmäßig an. Durch getaktetes, zweckmäßiges Ansteuern der einzelnen Schalter der ersten und der zweiten Gleichrichterschaltung 120 und 220 kann die zweite Teilnetzgleichspannung eingestellt werden.
Ein Erregerstrom der Erregerwicklung 105 der elektrischen Maschine 100 ist dabei zweckmäßigerweise gleich Null, so dass keine Polradspannung in der ersten Gruppe 1 10 von Statorwicklungen und in der zweiten Gruppe 210 von Statorwicklungen induziert wird. Die Übertragung elektrischer Energie von einem Teilbordnetz in das andere wird vorzugsweise bei stehender elektrischer Maschine 100 durchgeführt.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine (100) zur Energieversorgung eines
Kraftfahrzeugbordnetzes mit zwei Teilnetzen,
aufweisend eine erste Gruppe (110) von Statorwicklungen (111, 112, 113), eine zweite Gruppe (210) von Statorwicklungen (211, 212, 213), ein erstes Paar (410) von Teilnetzanschlusspolen (411, 412) und ein zweites Paar (420) von Teilnetzanschlusspolen (421 , 422),
- wobei der ersten Gruppe (110) von Statorwicklungen (111, 112, 113) eine erste Gleichrichterschaltung (120) zugeordnet ist und wobei der zweiten Gruppe (210) von Statorwicklungen (211 , 212, 213) eine zweite
Gleichrichterschaltung (220) zugeordnet ist,
wobei zwischen gleichphasigen Statorwicklungen (111,211; 112,212; 113, 213) der ersten und der zweite Gruppe (110, 210) von
Statorwicklungen (111, 112, 113, 211 , 212, 213) eine
Verbindungsschaltung (300) angeordnet ist,
wobei die Verbindungsschaltung (300) und die Gleichrichterschaltungen (120, 220) in eine erste Schaltungskonfiguration schaltbar sind, in der die gleichphasigen Statorwicklungen (111, 211; 112, 212; 113, 213) der ersten und der zweite Gruppe (110,210) von Statorwicklungen (111, 112, 113, 211 , 212, 213) über die Verbindungsschaltung (300) seriell zwischen das erste Paar (410) von Teilnetzanschlusspolen (411, 412) geschaltet sind,
wobei die Verbindungsschaltung (300) und die Gleichrichterschaltungen (120, 220) in eine zweite Schaltungskonfiguration schaltbar sind, in der die gleichphasigen Statorwicklungen (111 , 211 ; 112, 212; 113, 213) der ersten und der zweite Gruppe (110,210) von Statorwicklungen (111, 112, 113,211,212,213) parallel zwischen das zweite Paar (420) von
Teilnetzanschlusspolen (421, 422) geschaltet sind und wobei die Verbindungsschaltung (300) und die Gleichrichterschaltungen (120, 220) in eine dritte Schaltungskonfiguration schaltbar sind, in der die Statorwicklungen (111, 112, 113) der ersten Gruppe (110) von
Statorwicklungen zwischen das erste Paar (410) von
Teilnetzanschlusspolen (411,412) geschaltet sind und in der die
Statorwicklungen (211,212, 213) der zweiten Gruppe (220) von
Statorwicklungen zwischen das zweite Paar (420) von
Teilnetzanschlusspolen (421 , 422) geschaltet sind.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 1, wobei die
Verbindungsschaltung (300) und die Gleichrichterschaltungen (120, 220) in eine vierte Schaltungskonfiguration schaltbar sind, in der die gleichphasigen Statorwicklungen (111 , 211 ; 112, 212; 113, 213) der ersten und der zweite Gruppe (110, 210) von Statorwicklungen (111, 112, 113, 211, 212, 213) als Gleichspannungswandler zur Gleichspannungswandlung zwischen das erste und das zweite Paar (410; 420) von Teilnetzanschlusspolen (411, 412; 421, 422) geschaltet sind.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 2, wobei die
Verbindungsschaltung (300) und die Gleichrichterschaltungen (120, 220) in der vierten Schaltungskonfiguration derart schaltbar sind, dass die
gleichphasigen Statorwicklungen (111 , 211 ; 112, 212; 113, 213) der ersten und der zweite Gruppe (110,210) von Statorwicklungen (111, 112, 113,211, 212, 213) als Transformator, als Aufwärtswandler oder als Abwärtswandler zur Gleichspannungswandlung zwischen das erste und das zweite Paar (410; 420) von Teilnetzanschlusspolen (411, 412; 421, 422) geschaltet sind.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (100) mit einer ersten Gruppe (110) von Statorwicklungen (111, 112, 113) und einer zweiten Gruppe (210) von Statorwicklungen (211, 212, 213),
wobei in einer ersten Schaltungskonfiguration gleichphasige
Statorwicklungen (111 , 211 ; 112, 212; 113, 213) der ersten und der zweite Gruppe (110, 210) von Statorwicklungen (111, 112, 113,211,212, 213) seriell zwischen ein erstes Paar (410) von Teilnetzanschlusspolen (411,412) geschaltet werden,
wobei in einer zweiten Schaltungskonfiguration die gleichphasigen Statorwicklungen (111 , 211 ; 112, 212; 113, 213) der ersten und der zweite Gruppe (110, 210) von Statorwicklungen (111, 112, 113,211,212, 213) parallel zwischen ein zweites Paar (420) von Teilnetzanschlusspolen (421 , 422) geschaltet werden und
wobei in einer dritten Schaltungskonfiguration die Statorwicklungen (111, 112, 113) der ersten Gruppe (110) von Statorwicklungen zwischen das erste Paar (410) von Teilnetzanschlusspolen (411, 412) und die
Statorwicklungen (211, 212, 213) der zweiten Gruppe (220) von
Statorwicklungen zwischen das zweite Paar (420) von
Teilnetzanschlusspolen (421 , 422) geschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei in einer vierten Schaltungskonfiguration die gleichphasigen Statorwicklungen (111 , 211 ; 112, 212; 113, 213) der ersten und der zweite Gruppe (110,210) von Statorwicklungen (111, 112, 113, 211, 212, 213) als Gleichspannungswandler zur
Gleichspannungswandlung zwischen das erste und das zweite Paar (410; 420) von Teilnetzanschlusspolen (411, 412; 421, 422) geschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei in der vierten Schaltungskonfiguration die gleichphasigen Statorwicklungen (111 , 211 ; 112, 212; 113, 213) der ersten und der zweite Gruppe (110,210) von Statorwicklungen (111, 112, 113,211, 212, 213) als Transformator, als Aufwärtswandler oder als Abwärtswandler zur Gleichspannungswandlung zwischen das erste und das zweite Paar (410; 420) von Teilnetzanschlusspolen (411, 412; 421, 422) geschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die elektrische Maschine (100) in der vierten Schaltungskonfiguration betrieben wird, wenn ein Antrieb der elektrischen Maschine (100) in einem Start-Stopp-Betriebsmodus betrieben wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die elektrische Maschine (100) in der ersten Schaltungskonfiguration betrieben wird, wenn ein Antrieb der elektrischen Maschine (100) in einem Leerlauf betrieben wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die elektrische Maschine (100) in der zweiten Schaltungskonfiguration betrieben wird, wenn die elektrische Maschine (100) in einem Rekuperationsmodus betrieben wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die elektrische Maschine (100) in der dritten Schaltungskonfiguration betrieben wird, wenn ein Antrieb der elektrischen Maschine (100) in einem Arbeitsbetriebsmodus betrieben wird.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei eine elektrische
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3 betrieben wird.
12. Steuergerät (500), das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 1 1 durchzuführen.
13. Kraftfahrzeugbordnetz mit zwei Teilnetzen, mit einer elektrischen Maschine (100) zur Energieversorgung des Kraftfahrzeugbordnetzes nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und mit einem Steuergerät (500) nach Anspruch 12.
14. Computerprogramm, das ein Steuergerät dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 1 1 durchzuführen, wenn es auf dem Steuergerät ausgeführt wird.
15. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten
Computerprogramm nach Anspruch 14.
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