EP3344489A1 - Schaltungsanordnung zur verknüpfung verschiedener elektrischer spannungsebenen sowie steuerungsverfahren - Google Patents

Schaltungsanordnung zur verknüpfung verschiedener elektrischer spannungsebenen sowie steuerungsverfahren

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EP3344489A1
EP3344489A1 EP16781663.6A EP16781663A EP3344489A1 EP 3344489 A1 EP3344489 A1 EP 3344489A1 EP 16781663 A EP16781663 A EP 16781663A EP 3344489 A1 EP3344489 A1 EP 3344489A1
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EP
European Patent Office
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voltage
voltage level
switching
switching unit
branch
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Withdrawn
Application number
EP16781663.6A
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Murat Senol
Rik W. De Doncker
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Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
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Publication date
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Definitions

  • Circuit arrangement for linking different voltage levels and electrical control methods
  • the invention relates to a circuit arrangement for linking different electrical voltage levels in a motor vehicle
  • a first switching unit containing switching elements for generating an alternating voltage for the electrical machine from a DC voltage of a first voltage level
  • the invention relates to a method for controlling a converter, which is connected between a DC voltage of a first voltage level and a DC voltage of a second voltage level, which comprises an electrical machine with an induction motor arranged to a star-point circuit. having a first switching unit associated with the electrical machine and having a second switching unit for a bidirectional flow of energy between the DC voltage of the first voltage level and the DC voltage of the second voltage level.
  • the object of the present invention is a circuit arrangement for linking different voltage levels and a method to indicate for controlling a converter such that the circuit complexity is further reduced.
  • the invention is characterized in connection with the preamble of claim 1, characterized in that the second switching unit has two mutually in series, arranged in a 1925schaltzweig switching elements, wherein the additional switching branch connected in parallel to the DC voltage of the first voltage level and in each case a connection of Switching elements is connected to the Stemddling.
  • an additional switching branch is arranged parallel to a DC voltage of a first voltage level, wherein two switching elements are arranged in the additional switching branch, which is connected in each case with a connection to a star point of the electric machine.
  • a necessary second switching unit for controlling the bidirectional energy flow between the DC voltage of the first voltage level and the DC voltage of the second voltage level advantageously has a simple structure.
  • a first switching unit by means of which the electrical machine is controlled and which is preferably designed as a bridge circuit, only be extended by an asymmetrical half bridge.
  • the first switching unit and the second switching unit are thus formed by four half-bridges, which can be arranged to save space, preferably on a common carrier.
  • the switching elements of the second switching unit are controlled such that a predetermined energy flow between the DC voltage of the first and second voltage level on the one hand and the electrical machine on the other hand or between the DC voltage of the first voltage level on the one hand and the DC voltage of the second voltage level on the other hand.
  • a predetermined energy flow between the DC voltage of the first and second voltage level on the one hand and the electrical machine on the other hand or between the DC voltage of the first voltage level on the one hand and the DC voltage of the second voltage level on the other hand.
  • a branch point is provided to a star point of the electric machine between two terminals of a first switching element and a second switching element of the same second switching unit.
  • the second switching unit thus has a relatively simple construction.
  • the invention in connection with the preamble of claim 1, characterized in that switching elements of the second switching unit are driven such that a neutral point current of the electric machine in a predetermined direction with a predetermined amount flows according to the predetermined energy flow of the DC voltage first voltage level to the DC voltage of the second voltage level or from the DC voltage of the second voltage level to the DC voltage of the first voltage level.
  • the control method according to the invention reduces the control effort.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement according to a first embodiment
  • Fig. 2 shows a circuit arrangement according to a second embodiment
  • Fig. 3 shows a circuit arrangement according to a third embodiment.
  • a circuit arrangement according to the invention for linking different electrical voltage levels can be used in motor vehicles, for example in hybrid vehicles, electric vehicles or other fields of use, in which an electric machine, for example a generator, is used.
  • Other fields of application are the shipping industry or portable combustion engines.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement (converter) for linking a DC voltage Ui of a first voltage level and a DC voltage U 2 of a second voltage level.
  • the DC voltages Ui, U 2 can be formed, for example, as energy storage or batteries and arranged in a motor vehicle.
  • the DC voltage Ui of the first voltage level may be, for example, 48 volts and the DC voltage U 2 of the second voltage level 12 volts.
  • the DC voltage of the first voltage level thus feeds a 48 volt power grid in the motor vehicle, to which consumers of high power consumption, such as an electric machine 1, are connected.
  • the DC voltage U 2 of the second voltage level feeds a 2 volt power grid in the motor vehicle, can be connected to the consumer low power consumption.
  • the electric machine 1 is designed as a three-phase machine 1 with induction coils 2, which are connected together to form a star point 3 to a star connection.
  • an inverter is provided which forms a first switching unit 4.
  • the first switching unit 4 is a three-phase bridge circuit having six switching elements 5.
  • the switching elements 5 may be formed as MOS-FET transistors with freewheeling diode. The control of the switching elements 5 by means of a control unit, not shown, which optionally also controls switching elements of a rectifier, not shown, and / or a DC intermediate circuit.
  • a second switching unit 6 For a bidirectional electrical energy flow between the DC voltage Ui of the first voltage level and the DC voltage U2 of the second voltage level, a second switching unit 6 is provided which has two switching elements 8 connected in series in an additional switching branch 7. These switching elements 8 (first switching element 8 ', second switching element 8 ") of the second switching unit 6 are designed as MOS-FET transistors The additional switching branch 7 of the second switching unit 6 is arranged parallel to the DC voltage U 1 of the first voltage plane Switching element 8 'and a terminal 10 of the second switching element 8 "are connected to the neutral point 3. The second switching unit 6 is thus connected in parallel with the first switching unit 4.
  • a branch point V is provided between the terminal 9 of the first switching element 8 'and the terminal 10 of the second switching element 8 ", from which a connecting line leads to the neutral point 3.
  • the DC voltage U 2 of the second voltage level between the branch point V and the neutral point 3 is arranged.
  • a second embodiment of the circuit arrangement according to FIG. 2 differs from the first embodiment according to FIG. 1 in that the DC voltage U 2 of the second voltage level is arranged in the additional switching branch 7.
  • the DC voltage U 2 of the second voltage level is between a further terminal 11 of the second switching element 8 'and a leaving connection.
  • the DC voltage U 2 of the second voltage level is thus in a lower second part of branch 13 of the additional switching branch 7, which is facing the ground terminal, while an upper first partial branch 12 of the additional switching branch 7 has exclusively the first switching element 8 '.
  • a further embodiment of the circuit arrangement according to FIG. 3 differs from the embodiment according to FIG. 2 in that the DC voltage U 2 of the second voltage level is arranged in the upper branch branch 12 of the additional switching branch 7, namely on the side facing away from the ground side branch 12 of the additional switching branch 7 is.
  • the DC voltage U 2 of the second voltage level between the terminal 9 of the first switching element 8 'and the branch point V is arranged.
  • the first switching unit 4 and the second switching unit 6 on a common carrier, preferably arranged on a common circuit board.
  • the switching elements 8 ', 8 "of the second switching unit 6 are controlled in such a way that a predetermined energy flow between the DC voltage Ui and the DC voltage U 2 results.
  • a predetermined energy flow between the DC voltage Ui and the DC voltage U 2 results.
  • the supplied power consumers rating current is a t thus can flow U 2 of the second voltage level with a predetermined amount in either direction of the DC voltage Ui of the first voltage level, or in the direction of the DC voltage.
  • the electric machine 1 can be operated.
  • the bidirectional energy flow is independent of the operating state of the electric machine 1. Since the second switching unit 6 is designed as an asymmetric half bridge, the additional effort for the provision of a bidirectional energy flow is relatively low.
  • the switching elements 5 of the first switching unit 4 and the switching elements 8, 8 ', 8 "of the second switching unit 6 are preferably formed the same.
  • the first switching unit 4 and the second switching unit 6 can be arranged, for example, together with the control unit, not shown, on a common carrier.
  • the invention makes it possible to charge a large number of energy stores or batteries with different voltage levels, the dc voltage Ui of the first voltage level preferably serving as the energy supplier.
  • a DC-DC converter between the battery Ui higher voltage level and the battery U 2 lower voltage level is not required.
  • the star point of the electric machine 1 can directly with the battery U2, s. FIG. 1 or via an asymmetrical half bridge, s. Figures 2 and 3 with the battery U 2 of be connected to the second voltage level.
  • the electric machine 1 can be operated in the same way as in conventional drive systems.
  • the circuit arrangement according to the invention enables a bidirectional power flow between a plurality of electrical energy stores and a mechanical system.
  • the electric machine 1 can be designed as a three-phase or multi-phase star connection with one or more star points.
  • the phase voltage and the neutral point voltage of the machine 1 can be controlled.
  • the phase currents and neutral point currents of the machine 1 can be controlled here. Consequently, the power flow between the batteries Ui, U 2 and the engine 1 can thereby be controlled.
  • a control unit is provided for controlling the switching unit 4, wherein the control unit receives information about current parameters of the switching unit 4 and other sensors.
  • the control unit 4 controls the switching elements 8, 8 ', 8 "in such a way that the desired power flow between the batteries U 1 , U 2 and the machine 1 is ensured.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verknüpfung verschiedener elektrischer Spannungsebenen in einem Kraftfahrzeug - mit einer elektrischen Maschine enthaltend Induktionsspulen in Sternschaltung mit einem Sternpunkt, - mit einer ersten Schalteinheit enthaltend Schaltelemente zum Erzeugen einer Wechselspannung für die elektrische Maschine aus einer Gleichspannung einer ersten Spannungsebene, - mit einer Gleichspannung einer zweiten Spannungsebene, - und mit einer zweiten Schalteinheit für einen bidirektionalen elektrischen Energiefluss zwischen der Gleichspannung der ersten Spannungsebene und der Gleichspannung der zweiten Spannungsebene, wobei die zweite Schalteinheit zwei zueinander in Reihe, in einem Zusatzschaltzweig angeordnete Schaltelemente aufweist, wobei der Zusatzschaltzweig parallel zu der Gleichspannung der ersten Spannungsebene geschaltet und jeweils ein Anschluss der Schaltelemente mit dem Sternpunkt verbunden ist.

Description

Schaltungsanordnung zur Verknüpfung verschiedener elektrischer Spannungsebenen sowie Steuerungsverfahren
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verknüpfung verschiedener elektrischer Spannungsebenen in einem Kraftfahrzeug
- mit einer elektrischen Maschine enthaltend Induktionsspulen in Sternschaltung mit einem Sternpunkt,
- mit einer ersten Schalteinheit enthaltend Schaltelemente zum Erzeugen einer Wechselspannung für die elektrische Maschine aus einer Gleichspannung einer ersten Spannungsebene,
- mit einer Gleichspannung einer zweiten Spannungsebene,
- und mit einer zweiten Schalteinheit für einen bidirektionalen elektrischen Energiefluss zwischen der Gleichspannung der ersten Spannungsebene und der Gleichspannung der zweiten Spannungsebene.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Wandlers, der zwischen einer Gleichspannung einer ersten Spannungsebene und einer Gleichspannung einer zweiten Spannungsebene geschaltet ist, der eine elektrische Maschine mit zu einer Sternpunktschaltung angeordneten lnduktions- spulen, der eine der elektrischen Maschine zugeordneten erste Schalteinheit und der eine zweite Schalteinheit für einen bidirektionalen Energiefluss zwischen der Gleichspannung der ersten Spannungsebene und der Gleichspannung der zweiten Spannungsebene aufweist.
Aus der EP 2 111 683 B1 ist eine Schaltungsanordnung zur Verknüpfung verschiedener elektrischer Spannungsebenen bekannt, so dass ein bidirektionaler Energiefluss zwischen beispielsweise einer 12-Volt-Batterie und einer 48- Volt-Batterie gewährleistet ist. Zur Anpassung dieser beiden Spannungsebenen ist ein bidirektionaler DC/DC-Wandler (Gleichspannungswandler) erforderlich, der ein relativ großes Bauvolumen und Gewicht aufweist. Es besteht daher ein Bedürfnis für kostengünstigere und einfachere Schaltungsanordnungen.
Aus der DE 10 2005 015 658 A1 ist es bekannt, eine Schaltungsanordnung zur Verknüpfung verschiedener elektrischer Spannungsebenen vorzusehen, bei der eine elektrische Maschine, die als Verbraucher an einer Gleichspannung einer ersten Spannungsebene angeschlossen ist, genutzt wird, um in Verbindung mit einer zweiten Schalteinheit einen bidirektionalen Energiefluss zwischen der Gleichspannung der ersten Spannungsebene und einer Gleichspannung der zweiten Spannungsebene herbeizuführen. Hierzu ist die zweite Schalteinheit zum einen an einem Sternpunkt von in Sternschaltung geschalteten Induktionsspulen der elektrischen Maschine und zum anderen an der Gleichspannung der ersten Spannungsebene angeschlossen. Nachteilig an der bekannten Schaltungsanordnung ist, dass durch die zweite Schalteinheit stets ein Teil der Gleichspannung der ersten Spannungsebene abgegriffen werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Verknüpfung verschiedener elektrischer Spannungsebenen und ein Verfahren zum Steuern eines Wandlers derart anzugeben, dass der schaltungstechnische Aufwand weiter verringert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schalteinheit zwei zueinander in Reihe, in einem Zusatzschaltzweig angeordnete Schaltelemente aufweist, wobei der Zusatzschaltzweig parallel zu der Gleichspannung der ersten Spannungsebene geschaltet und jeweils ein Anschluss der Schaltelemente mit dem Stempunkt verbunden ist.
Nach der Erfindung ist ein Zusatzschaltzweig parallel zu einer Gleichspannung einer ersten Spannungsebene angeordnet, wobei in dem Zusatzschaltzweig zwei Schaltelemente angeordnet sind, die jeweils mit einem Anschluss mit einem Sternpunkt der elektrischen Maschine verbunden ist. Vorteilhaft weist hierdurch eine notwendige zweite Schalteinheit zur Steuerung des bidirektionalen Energieflusses zwischen der Gleichspannung der ersten Spannungsebene und der Gleichspannung der zweiten Spannungsebene einen einfachen Aufbau auf. Vorzugsweise kann eine erste Schalteinheit, mittels derer die elektrische Maschine angesteuert wird und die vorzugsweise als Brückenschaltung ausgebildet ist, lediglich um eine asymmetrische halbe Brücke erweitert werden. Insgesamt werden die erste Schalteinheit und die zweite Schalteinheit somit durch vier Halbbrücken gebildet, die platzsparend, vorzugsweise auf einem gemeinsamen Träger, angeordnet sein können.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Schaltelemente der zweiten Schalteinheit derart angesteuert, dass ein vorgegebener Energiefluss zwischen der Gleichspannung der ersten und zweiten Spannungsebene einerseits und der elektrischen Maschine andererseits oder zwischen der Gleichspannung der ersten Spannungsebene einerseits und der Gleichspannung der zweiten Spannungsebene andererseits erfolgt. In Abhängigkeit von den An- forderungen können somit unterschiedliche Verbraucher unterschiedlich hoher Nennspannung gespeist werden. Die Stromversorgung kann hierbei unabhängig vom Lauf der elektrischen Maschine aufrechterhalten werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Verzweigungspunkt zu einem Sternpunkt der elektrischen Maschine zwischen zwei Anschlüssen eines ersten Schaltelements und eines zweiten Schaltelements derselben zweiten Schalteinheit vorgesehen. Die zweite Schalteinheit weist somit einen relativ einfachen Aufbau auf.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass Schaltelemente der zweiten Schalteinheit derart angesteuert werden, dass ein Sternpunktstrom der elektrischen Maschine in einer vorgegebenen Richtung mit einem vorgegebenen Betrag fließt entsprechend des vorgegebenen Energieflusses von der Gleichspannung der ersten Spannungsebene zu der Gleichspannung der zweiten Spannungsebene oder von der Gleichspannung der zweiten Spannungsebene zu der Gleichspannung der ersten Spannungsebene.
Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren reduziert den Steuerungsaufwand.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert: Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung nach einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung nach einer zweiten Ausführungsform und
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung nach einer dritten Ausführungsform.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Verknüpfung verschiedener elektrischer Spannungsebenen kann in Kraftfahrzeugen, beispielsweise in Hybrid-Fahrzeugen, Elektrofahrzeugen oder anderen Einsatzgebieten eingesetzt werden, in denen eine elektrische Maschine, beispielsweise ein Generator eingesetzt wird. Weitere Einsatzfelder sind die Schifffahrtsindustrie oder tragbare Verbrennungsmaschinen.
In Figur 1 ist eine Schaltungsanordnung (Wandler) zur Verknüpfung einer Gleichspannung Ui einer ersten Spannungsebene und einer Gleichspannung U2 einer zweiten Spannungsebene dargestellt. Die Gleichspannungen Ui, U2 können beispielsweise als Energiespeicher bzw. Batterien ausgebildet und in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein. Die Gleichspannung Ui der ersten Spannungsebene kann beispielsweise 48 Volt und die Gleichspannung U2 der zweiten Spannungsebene 12 Volt betragen. Die Gleichspannung der ersten Spannungsebene speist somit ein 48-Volt-Energienetz im Kraftfahrzeug, an dem Verbraucher hoher Leistungsaufnahme, wie beispielsweise eine elektrische Maschine 1 , angeschlossen sind. Die Gleichspannung U2 der zweiten Spannungsebene speist ein 2-Volt-Energienetz im Kraftfahrzeug, an den Verbraucher niedriger Leistungsaufnahme angeschlossen sein können. Die elektrische Maschine 1 ist als eine Drehstrommaschine 1 mit Induktionsspulen 2 ausgebildet, die unter Bildung eines Stempunktes 3 zu einer Sternschaltung zusammengeschaltet sind. Zur Ansteuerung der Drehstrommaschine 1 ist ein Wechselrichter vorgesehen, der eine erste Schalteinheit 4 bildet. Die erste Schalteinheit 4 ist eine Drehstrom-Brückenschaltung, die sechs Schaltelemente 5 aufweist. Die Schaltelemente 5 können als MOS-FET Transistoren mit Freilaufdiode ausgebildet sein. Die Ansteuerung der Schaltelemente 5 erfolgt mittels einer nicht dargestellten Steuereinheit, die gegebenenfalls auch Schaltelemente eines nicht dargestellten Gleichrichters und/oder eines Gleichspannungs-Zwischenkreises ansteuert.
Für einen bidirektionalen elektrischen Energiefluss zwischen der Gleichspannung Ui der ersten Spannungsebene und der Gleichspannung U2 der zweiten Spannungsebene ist eine zweite Schalteinheit 6 vorgesehen, die über zwei in einem Zusatzschaltzweig 7 in Reihe geschaltete Schaltelemente 8 aufweist. Diese Schaltelemente 8 (erstes Schaltelement 8', zweites Schaltelement 8") der zweiten Schalteinheit 6 sind als MOS-FET Transistoren ausgebildet. Der Zusatzschaltzweig 7 der zweiten Schalteinheit 6 ist parallel zu der Gleichspannung U1 der ersten Spannungsebene angeordnet. Ein Anschluss 9 des ersten Schaltelementes 8' und ein Anschluss 10 des zweiten Schaltelementes 8" sind mit dem Sternpunkt 3 verbunden. Die zweite Schalteinheit 6 ist somit parallel zu der ersten Schalteinheit 4 geschaltet.
Wie aus den Figuren ersichtlich ist, ist ein Verzweigungspunkt V zwischen dem Anschluss 9 des ersten Schaltelementes 8' und dem Anschluss 10 des zweiten Schaltelementes 8" vorgesehen, von dem eine Verbindungsleitung zu dem Sternpunkt 3 führt. Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß Figur 1 ist die Gleichspannung U2 der zweiten Spannungsebene zwischen dem Verzweigungspunkt V und dem Sternpunkt 3 angeordnet.
Eine zweite Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß Figur 2 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform gemäß Figur 1 dadurch, dass die Gleichspannung U2 der zweiten Spannungsebene in dem Zusatzschaltzweig 7 angeordnet ist. Die Gleichspannung U2 der zweiten Spannungsebene befindet sich zwischen einem weiteren Anschluss 11 des zweiten Schaltelementes 8" und einem asseanschluss. Die Gleichspannung U2 der zweiten Spannungsebene befindet sich somit in einem unteren zweiten Teilzweig 13 des Zusatzschaltzweiges 7, der dem Masseanschluss zugewandt ist, während ein oberer erster Teilzweig 12 des Zusatzschaltzweiges 7 ausschließlich das erste Schaltelement 8' aufweist.
Eine weitere Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Figur 2 dadurch, dass die Gleichspannung U2 der zweiten Spannungsebene in dem oberen Teilzweig 12 des Zusatzschaltzweiges 7, nämlich auf dem der Masse abgewandten Seite angeordneten Teilzweig 12 des Zusatzschaltzweiges 7, angeordnet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Gleichspannung U2 der zweiten Spannungsebene zwischen dem Anschluss 9 des ersten Schaltelementes 8' und dem Verzweigungspunkt V angeordnet.
Vorzugweise ist die erste Schalteinheit 4 und die zweite Schalteinheit 6 auf einem gemeinsamen Träger, vorzugsweise auf einer gemeinsamen Leiterplatte, angeordnet.
Die Schaltelemente 8', 8" der zweiten Schalteinheit 6 werden derart angesteuert, dass sich ein vorgegebener Energiefluss zwischen der Gleichspan- nung Ui und der Gleichspannung U2 ergibt. In Abhängigkeit von den zugeschalteten Verbrauchern kann somit ein Sternstrom ist mit einem vorgegebenen Betrag entweder in Richtung der Gleichspannung Ui der ersten Spannungsebene oder in Richtung der Gleichspannung U2 der zweiten Spannungsebene fließen. Zusätzlich kann die elektrische Maschine 1 betrieben werden. Der bidirektionale Energiefluss erfolgt unabhängig von dem Betriebszustand der elektrischen Maschine 1. Da die zweite Schalteinheit 6 als eine asymmetrische halbe Brücke ausgebildet ist, ist der Zusatzaufwand für die Bereitstellung eines bidirektionalen Energieflusses relativ gering.
Die Schaltelemente 5 der ersten Schalteinheit 4 und die Schaltelemente 8, 8', 8" der zweiten Schalteinheit 6 sind vorzugsweise gleich ausgebildet.
Die erste Schalteinheit 4 und die zweite Schalteinheit 6 können beispielsweise zusammen mit der nicht dargestellten Steuereinheit auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sein.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Verwendung finden können. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Die Erfindung ermöglicht das Laden einer Vielzahl von Energiespeichern bzw. Batterien mit unterschiedlichen Spannungshöhen, wobei als Energielieferant vorzugsweise die Gleichspannung Ui der ersten Spannungsebene dient. Ein DC-DC-Wandler zwischen der Batterie Ui höherer Spannungsebene und der Batterie U2 geringerer Spannungsebene ist nicht erforderlich. Der Sternpunkt der elektrischen Maschine 1 kann direkt mit der Batterie U2, s. Figur 1 oder über eine asymmetrische Halbbrücke, s. Figur 2 und 3 mit der Batterie U2 der zweiten Spannungsebene verbunden sein. Die elektrische Maschine 1 kann hierbei genauso betrieben werden wie in herkömmlichen Antriebssystemen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht einen bidirektionalen Leistungsfluss zwischen mehreren elektrischen Energiespeichern und einem mechanischen System. Die elektrische Maschine 1 kann als dreiphasige oder mehrphasige Sternschaltung ausgebildet sein mit einem oder mehreren Sternpunkten. Über die Schalteinheit 4 kann die Phasenspannung und die Sternpunktspannung der Maschine 1 gesteuert werden. Insbesondere können hier die Phasenströme und Sternpunktströme der Maschine 1 gesteuert werden. Folglich kann hierdurch der Leistungsfluss zwischen den Batterien Ui, U2 und der Maschine 1 gesteuert werden.
Eine Steuereinheit ist vorgesehen zur Ansteuerung der Schalteinheit 4, wobei die Steuereinheit Informationen über aktuelle Parameter der Schalteinheit 4 und anderer Sensoren erhält. Die Steuereinheit 4 steuert die Schaltelemente 8, 8', 8" derart an, dass der gewünschte Leistungsfluss zwischen den Batterien U1, U2 und der Maschine 1 gewährleistet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zur Verknüpfung verschiedener elektrischer Spannungsebenen in einem Kraftfahrzeug
- mit einer elektrischen Maschine (1) enthaltend in Sternschaltung geschalteten Induktionsspulen (2) mit einem Sternpunkt (3),
- mit einer ersten Schalteinheit (4) enthaltend Schaltelemente (5) zum Erzeugen einer Wechselspannung für die elektrische Maschine (1) aus einer Gleichspannung (Ui) einer ersten Spannungsebene,
- mit einer Gleichspannung (U2) einer zweiten Spannungsebene,
- und mit einer zweiten Schalteinheit (6) für einen bidirektionalen elektrischen Energiefluss zwischen der Gleichspannung (U-i) der ersten Spannungsebene und der Gleichspannung (U2) der zweiten Spannungsebene, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schalteinheit (6) zwei zueinander in Reihe, in einem Zusatzschaltzweig (7) angeordnete Schaltelemente (8, 8', 8") aufweist, wobei der Zusatzschaltzweig (7) parallel zu der Gleichspannung (U-i) der ersten Spannungsebene geschaltet und jeweils ein Anschluss (9, 10) der Schaltelemente (8, 8', 8") mit dem Sternpunkt (3) verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (8, 8', 8") der zweiten Schalteinheit (6) derart angesteuert sind, dass ein vorgegebener Energiefluss zwischen der Gleichspannung (Ui) der ersten Spannungsebene und der Gleichspannung (U2) der zweiten Spannungsebene einerseits und der elektrischen Maschine (1) andererseits oder zwischen der Gleichspannung (Ui) der ersten Spannungsebene einerseits und der Gleichspannung (U2) der zweiten Spannungsebene andererseits erfolgt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Anschluss (9) eines ersten Schaltelementes (8') der zweiten Schalteinheit (6) und einem Anschluss (10) eines zweiten Schaltelementes (8") der zweiten Schalteinheit (6) ein Verzweigungspunkt (V) angeordnet ist, der mit dem Sternpunkt (3) elektrisch verbunden ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verzweigungspunkt (V) und dem Sternpunkt (3) die Gleichspannung (U2) der zweiten Spannungsebene angeordnet ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung (U2) der zweiten Spannungsebene in dem Zusatzschaltzweig (7) angeordnet ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung (U2) der zweiten Spannungsebene in einem das erste Schaltelement (8') aufweisenden ersten Teilzweig (12) des Zusatzschaltzweiges (7) oder in einem das zweite Schaltelement (8") aufweisenden zweiten Teilzweig (13) des Zusatzschaltzweiges (7) angeordnet ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1 ) als eine dreisträn- gige Drehstrommaschine ausgebildet ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung (Ui) der ersten Spannungsebene als eine Batterie mit einer Speisespannung für Verbrau- eher höherer Nennleistung und die Gleichspannung (U2) der zweiten Spannungsebene als eine Batterie mit einer Speisespannung für Verbraucher niedriger Nennleistung ausgebildet ist, wobei die Speisespannung der Gleichspannung (Ui) der ersten Spannungsebene größer ist als die Speisespannung der Gleichspannung (U2) der zweiten Spannungsebene.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalteinheit (4) und die zweite Schalteinheit (6) auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind.
0. Verfahren zum Steuern eines Wandlers, der zwischen einer Gleichspannung (Ui) einer ersten Spannungsebene und einer Gleichspannung (U2) einer zweiten Spannungsebene geschaltet ist, der eine elektrische Maschine (1) mit zu einer Sternpunktschaltung angeordneten Induktionsspulen (2), der eine der elektrischen Maschine (1) zugeordnete erste Schalteinheit (4) und der eine zweite Schalteinheit (6) für einen bidirektionalen Energiefluss zwischen der Gleichspannung (U-ι) der ersten Spannungsebene und der Gleichspannung (U2) der zweiten Spannungsebene aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltelemente (8, 8', 8") der zweiten Schalteinheit (6) derart angesteuert werden, dass ein Sternpunktstrom (ist) der elektrischen Maschine (1) in einer vorgegebenen Richtung mit einem vorgegebenen Betrag fließt entsprechend des vorgegebenen Energieflusses von der Gleichspannung (U-i) der ersten Spannungsebene zu der Gleichspannung (υ2) der zweiten Spannungsebene oder von der Gleichspannung (U2) der zweiten Spannungsebene zu der Gleichspannung (Ui) der ersten Spannungsebene.
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