EP3724985A1 - Elektrische antriebsanordnung, insb. zum betrieb eines hybridelektro-/elektrofahrzeugs - Google Patents

Elektrische antriebsanordnung, insb. zum betrieb eines hybridelektro-/elektrofahrzeugs

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EP3724985A1
EP3724985A1 EP18815655.8A EP18815655A EP3724985A1 EP 3724985 A1 EP3724985 A1 EP 3724985A1 EP 18815655 A EP18815655 A EP 18815655A EP 3724985 A1 EP3724985 A1 EP 3724985A1
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EP
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windings
winding
phase
electrically connected
inverter
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Withdrawn
Application number
EP18815655.8A
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Inventor
Michael Wiesinger
Josef Laumer
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Vitesco Technologies GmbH
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the second half bridges also each comprise a current meter SM22, SM24, SM26, which are each connected electrically connected between the negative voltage side power terminal A2 and the negative voltage side power semiconductor switch S22, S24, S26 of the respective second half bridges.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Offenbart wird eine elektrische Antriebsanordnung (AA), umfassend: - eine Drehstrommaschine (DM) mit einem ersten Wicklungssystem (SS1) mit mindestens drei ersten Wicklungen (U, V, W) und einem zweiten Wicklungssystem (SS2) mit mindestens drei zweiten Wicklungen (X, Y, Z); - einen ersten Wechselrichter (WR1) mit mindestens drei ersten Phasenleitungen (Pu, Pv, Pw), wobei die ersten Phasenleitungen (Pu, Pv, Pw) jeweils mit den jeweiligen korrespondierenden ersten Wicklungen (U, V, W) elektrisch verbunden sind; - einen zweiten Wechselrichter (WR2) mit mindestens drei zweiten Phasenleitungen (Px, Py, Pz), wobei die zweiten Phasenleitungen (Px, Py, Pz) jeweils mit den jeweiligen korrespondierenden zweiten Wicklungen (X, Y, Z) elektrisch verbunden sind; - mindestens einen Strommesser (SM12, SM24), der in einem negativspannungsseitigen Strompfad eines der beiden Wechselrichter (WR1, WR2) elektrisch angeschlossen ist und eingerichtet ist, einen durch diesen negativspannungsseitigen Strompfad fließenden Phasenstrom zu messen; - wobei jede der zweiten Wicklungen (X, Y, Z) mit jeweiliger korrespondierenden der ersten Wicklungen (U, V, W) paarweise symmetrisch ausgebildet ist und gegenüber der jeweiligen korrespondierenden der ersten Wicklungen (U, V, W) invertiert mit der jeweiligen korrespondierenden zweiten Phasenleitung (Px, Py, Pz) elektrisch verbunden ist.

Description

Beschreibung
Elektrische Antriebsanordnung, insb. zum Betrieb eines Hyb- ridelektro- /Elektrofahrzeugs
Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische An triebsanordnung, insb. zum Betrieb eines Hybridelekt- ro-/Elektrofahrzeugs .
Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
Elektrische Antriebsanordnungen, insb. zum Betrieb eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, sind bekannt.
Wie alle anderen technischen Vorrichtungen besteht bei den elektrischen Antriebsanordnungen die allgemeine Anforderung, diese hinsichtlich der Kosten und Funktionalität zu optimieren.
Damit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine elektrische Antriebsanordnung hinsichtlich der Kosten und Funktionalität zu optimieren .
Beschreibung der Erfindung:
Diese Aufgabe wird durch Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Un teransprüche .
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Antriebsanordnung, insb. zum Betrieb eines Hybridelekt- ro- /Elektrofahrzeugs, bereitgestellt .
Die elektrische Antriebsanordnung umfasst eine Drehstromma schine mit einem ersten Wicklungssystem mit mindestens drei ersten Wicklungen und einem zweiten Wicklungssystem mit min destens drei zweiten Wicklungen. Die elektrische Antriebsanordnung umfasst ferner einen posi tivspannungsseitigen Stromanschluss und einen ersten Wech selrichter mit mindestens drei ersten Phasenleitungen zum Bereitstellen von Phasenströmen für das erste Wicklungssystem, wobei die ersten Phasenleitungen jeweils mit den jeweiligen korrespondierenden ersten Wicklungen (insb. direkt) elektrisch verbunden sind.
Die elektrische Antriebsanordnung umfasst zudem einen zweiten Wechselrichter mit mindestens drei zweiten Phasenleitungen zum Bereitstellen von Phasenströmen für das zweite Wicklungssystem, wobei die zweiten Phasenleitungen jeweils mit den jeweiligen korrespondierenden zweiten Wicklungen (insb. direkt) elektrisch verbunden sind.
Die elektrische Antriebsanordnung umfasst ferner mindestens einen Strommesser, der in einem negativspannungsseitigen Strompfad („Lowside"-Strompfad) eines der beiden Wechselrichter elektrisch angeschlossen ist und eingerichtet ist, einen durch diesen negativspannungsseitigen Strompfad fließenden Phasen strom zu messen.
Dabei ist jede der zweiten Wicklungen des zweiten Wicklungs systems jeweils mit jeweiliger korrespondierenden der ersten Wicklungen des ersten Wicklungssystems paarweise symmetrisch ausgebildet und gegenüber der jeweiligen korrespondierenden der ersten Wicklungen invertiert mit der jeweiligen korrespon dierenden zweiten Phasenleitung (insb. direkt) elektrisch verbunden .
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass eine elektrische Antriebsanordnung, insb. zum Betrieb eines Hybridelekt- ro-/Elektrofahrzeugs, eine Drehstrommaschine enthält, welche i. d. R. mithilfe von Raumzeigermodulation geregelt wird. Hierzu müssen insb. Phasenströme zur Drehstrommaschine gemessen werden. Eine kostengünstige Alternative zu kostenintensiven
Hallsensoren zur Strommessung sind Shunts. Um eine zusätzliche Potentialtrennung und die damit gebundenen Kosten zu vermeiden, werden die Shunts bspw. zwischen dem negativen Potential eines Zwischenkreises der Antriebsanordnung und jedem negativspan nungsseitigen Leistungshalbleiterschalter („Lowsi- de"-Leistungshalbleiterschalter) platziert (sogenannte
,,Lowside"-Strommessung) . Nachteil dieser „Lowsi- de"-Strommessung gegenüber der Phasenstrommessung ist, dass nur dann der Phasenstrom gemessen werden kann, wenn deren
„Lowside"-Schalter gerade den Phasenstrom führt. Bei großen Modulationsgraden kommt es je nach Statorwinkel vor, dass ein Großteil der Phasen nur für sehr kurze Zeit die Phasenströme über den „Lowside"-Strompfad führt. Da bei einer dreiphasigen Sternschaltung mindestens zwei Phasenströme zeitgleich gemessen werden müssen, um den dritten Phasenstrom über die Knoten gleichung berechnen zu können, begrenzt die minimal benötigte Einschwingzeit der Auswerteschaltung der Shunts somit den maximal möglichen Modulationsgrad.
Durch die Anwendung einer Drehstrommaschine mit mindestens zwei voneinander getrennten Sternschaltungen von Wicklungen (von einander getrennten Teilsysteme) kann die Motorleistung durch zwei voneinander getrennten Teilsysteme und somit durch erhöhte Spannungsausnutzung erhöht werden, ohne dabei der Bauraum der Drehstrommaschine zu vergrößern. Dabei werden die zueinander korrespondierenden Wicklungen der Sternschaltungen in jeweilige gleiche Nuten platziert.
Durch den invertiert symmetrischen Aufbau der beiden Stern schaltungen und der einfach ausführbaren, exakt gleichen An steuerung (zueinander inverse Pulsmuster für die beiden
Sternschaltungen) ergeben sich in den jeweiligen Nuten genau die gleichen elektrischen Ströme, wodurch zum einen die Auswirkungen der magnetische Kopplung zwischen den Sternschaltungen minimiert wird und zum anderen die Phasenströme der beiden Sternschaltungen betragsmäßig annähernd gleich groß sind.
Durch die Anwendung der oben genannten Doppel
stern-Drehstrommaschine können die Spannungsausnutzung erhöht und somit die Motorleistung signifikant gesteigert werden, ohne dabei die Anzahl der Leistungshalbleiterschalter zu erhöhen. Der damit gebundene zusätzliche Aufwand zur Ansteuerung der
Leistungshalbleiterschalter ist überschaubar.
Durch die Anwendung von mindestens zwei voneinander getrennten, invertierten Sternschaltungen in einer Drehstrommaschine und die entsprechende (inverse) Ansteuerung der Leistungshalbleiter schalter der Wechselrichter kann auch die Einschränkung des maximalen Modulationsgrades durch eine „Lowside"-Strommessung in Grenzen gehalten werden, sodass die maximale Systemleistung und der Systemwirkungsgrad der Antriebsanordnung weitgehend aufrechterhalten werden können.
Zusammengefasst ermöglicht die oben beschriebene Lösung eine Systemkostenverringerung bei einer gleichgebliebenen oder gesteigerten Leistung durch eine geschickte Kombination von „Lowside"-Strommessung, Drehstrommaschine mit zwei zueinander invertiert symmetrisch ausgebildeten bzw. angeschlossenen Wicklungssystemen und der damit ermöglichten zueinander inversen Ansteuerung der Sternschaltungen.
Dank der „Lowside"-Strommessung und der damit gebundenen langen Einschwingdauer der Auswerteschaltung können vergleichsweise günstige Bauelemente für die Auswerteschaltung der Strommessung ausgewählt werden.
Da in jeder Schaltperiode bei mindestens einem der beiden Wicklungssysteme mindestens ein Phasenstrom gemessen werden kann, kann auch ein Modulationsverfahren im Übermodulations bereich bis hin zum Blockbetrieb realisiert werden. Es muss also kein aufwändiges Modell zur Stromprädiktion im Übermodulati onsbereich erstellt und getestet werden (für Zeitbereiche, in denen sonst nur 1 von 3 Phasenströme gemessen werden kann) , welches aus Sicht der funktionalen Sicherheit ohnehin prob lematisch ist. Damit kann die Spannungsausnutzung voll aus geschöpft werden und die Systemleistung sowie der Systemwir kungsgrad maximiert werden.
Damit ist es möglich, eine elektrische Antriebsanordnung hinsichtlich der Kosten und Funktionalität zu optimieren. Die oben beschriebene elektrische Antriebsanordnung kann in einem 48 Volt Bordnetz zum Antrieb eines Hybridelekt- ro-/Elektrofahrzeugs verwendet werden.
Der zuvor genannte negativspannungsseitige Strompfad
(„Lowside"-Strompfad) eines Wechselrichters ist bspw. ein Strompfad zwischen einem negativspannungsseitigen Halb leiterschalter einer der Halbbrücken des Wechselrichters und einem negativspannungsseitigen Stromanschluss bzw. dem Mas sestromanschluss des Wechselrichters.
Bspw. sind die ersten Wicklungen des ersten Wicklungssystems und die jeweiligen, mit diesen ersten Wicklungen korrespondierenden zweiten Wicklungen des zweiten Wicklungssystems paarweise jeweils in ein- und derselben Wicklungsnut, oder in zwei be nachbarten Wicklungsnuten, oder in zwei zueinander korres pondierenden Wicklungsnuten der Drehstrommaschine angeordnet. Damit sind die zueinander symmetrischen und zueinander in vertiert angeschlossenen und somit zueinander korrespondie renden Wicklungspaaren der beiden Wicklungssysteme sind paarweise in ein- und derselben Wicklungsnut, oder in zwei benachbarten Wicklungsnuten, oder in zwei zueinander korres pondierenden Wicklungsnuten der Drehstrommaschine angeordnet.
Bspw. sind das erste und das zweite Wicklungssystem jeweils als eine Sternschaltung ausgebildet. Dabei sind die Wicklungen der ersten Sternschaltung und die korrespondierenden Wicklungen der zweiten Sternschaltung paarweise in ein- und derselben Wick lungsnut, oder in zwei benachbarten Wicklungsnuten, oder in zwei zueinander korrespondierenden Wicklungsnuten der Drehstrom maschine gewickelt bzw. angeordnet, jedoch sind die zweiten Wicklungen der zweiten Sternschaltung gegenüber den jeweiligen korrespondierenden, ersten Wicklungen der ersten Sternschaltung invertiert angeschlossen.
Alternativ sind das erste und das zweite Wicklungssystem bspw. jeweils als eine Dreieckschaltung ausgebildet. Bspw. und insb. im Falle, dass die beiden Wicklungssysteme als Sternschaltungen ausgebildet sind, weisen die ersten Wicklungen jeweils ein erstes Wicklungsende auf, wobei die ersten Wick lungsenden der ersten Wicklungen miteinander (insb. direkt) elektrisch verbunden sind und somit den Sternpunkt des ersten Wicklungssystems bzw. der ersten Sternschaltung ausbilden. Analog weisen die zweiten Wicklungen bspw. jeweils ein erstes, mit dem jeweiligen ersten Wicklungsende der jeweiligen kor respondierenden ersten Wicklungen korrespondierendes Wick lungsende auf, wobei die ersten Wicklungsenden der zweiten Wicklungen jeweils mit einer der jeweiligen korrespondierenden Phasenleitungen des zweiten Wechselrichters (insb. direkt) elektrisch verbunden sind.
Bspw. weisen die ersten Wicklungen jeweils ein zweites, dem jeweiligen korrespondierenden ersten Wicklungsende entgegen gesetzt liegendes Wicklungsende auf, wobei die zweiten Wick lungsenden der ersten Wicklungen jeweils mit einer der jeweiligen korrespondierenden Phasenleitungen des ersten Wechselrichters (insb. direkt) elektrisch verbunden sind. Analog weisen die zweiten Wicklungen bspw. jeweils ein zweites, dem jeweiligen korrespondierenden ersten Wicklungsende entgegengesetzt lie gendes Wicklungsende auf, wobei die zweiten Wicklungsenden miteinander (insb. direkt) elektrisch verbunden sind und somit den Sternpunkt des zweiten Wicklungssystems bzw. der zweiten Sternschaltung ausbilden.
Dabei sind die Sternpunkte der beiden Wicklungssysteme bzw. Sternschaltungen nicht direkt miteinander elektrisch verbunden. Das heißt, die beiden Sternpunkte sind lediglich über die jeweiligen Phasenleitungen und ferner über die beiden Wech selrichter miteinander elektrisch verbunden.
Bspw. umfasst die Antriebsanordnung ferner eine Betriebskon- trolleinheit zum Betrieb bzw. zum Steuern der beiden Wech selrichter, die eingerichtet ist, den ersten Wechselrichter mit einem ersten Pulsmuster und den zweiten Wechselrichter mit einem zweiten Pulsmuster anzusteuern, wobei die beiden Pulsmuster zueinander invers sind. Hierbei bedeutet ein Pulsmuster ein Signalverlauf eines Signals, insb. Positionen und Dauer von Impulsen eines pulsweitenmodulierten Signals in den jeweiligen Signalperioden, zum Betreiben der Halbleiterschalter der der jeweiligen Wicklungssysteme bzw. Sternschaltungen. Die Be zeichnung „Pulsmuster zueinander invers" bedeutet, dass die Signalverläufe, insb. die Positionen und die Dauer von Impulsen der beiden pulsweitenmodulierten Signale bzw. deren Impuls- bzw. Signalflanken in den jeweiligen korrespondierenden Signalpe rioden zueinander invers sind bzw. invers verlaufen.
Bspw. ist die Betriebskontrolleinheit ferner eingerichtet, die beiden Wechselrichter mit pulsweitenmodulierten (und zueinander inversen) Steuersignalen zu betreiben.
Bspw. ist der Strommesser ferner eingerichtet, den Phasenstrom zum Signalperiodenanfang oder zur Signalperiodenmitte der jeweiligen Signalperioden des Steuersignals zu messen.
Bspw. ist der Strommesser ferner eingerichtet, den Phasenstrom während einer Signalperiode des Steuersignals zu messen, dessen Tastgrad kleiner oder gleich 0,5 ist.
Bspw. umfasst die Antriebsanordnung ferner mindestens zwei Strommesser, die jeweils in einem negativspannungsseitigen Strompfad jeweils eines der beiden Wechselrichter verteilt elektrisch angeschlossen sind. Dabei sind die beiden Strommesser eingerichtet, jeweils einen durch einen der negativspan nungsseitigen Strompfade der jeweiligen Wechselrichter flie ßenden Phasenstrom zu messen. Die Betriebskontrolleinheit ist ferner bspw. eingerichtet, basierend auf den beiden, von den beiden Strommessern gemessenen Phasenströmen die restlichen (insb. vier) Phasenströme zu berechnen und die Pulsmuster basierend auf den beiden gemessenen und den berechneten Pha senströmen zu ermitteln.
Bspw. umfasst die Antriebsanordnung ferner sechs Strommesser, die jeweils in jedem der negativspannungsseitigen Strompfad jeweils eines der beiden Wechselrichter verteilt elektrisch angeschlossen sind und eingerichtet sind, jeweils einen durch den jeweiligen korrespondierenden negativspannungsseitigen
Strompfad der jeweiligen Wechselrichter fließenden Phasenstrom zu messen. In diesem Fall ist die Betriebskontrolleinheit bspw. ferner eingerichtet, basierend auf den von den jeweiligen Strommessern gemessenen, sechs Phasenströmen die Pulsmuster zu ermitteln .
Dabei sind die Strommesser bspw. ferner eingerichtet, die jeweiligen Phasenströme zum Signalperiodenanfang oder zur Signalperiodenmitte der jeweiligen Signalperioden der jewei ligen korrespondierenden Steuersignale zu messen. Insb. sind die Strommesser ferner eingerichtet, die jeweiligen Phasenströme während der jeweiligen Signalperioden der jeweiligen korres pondierenden Steuersignale zu messen, deren jeweiligen Tastgrade kleiner oder gleich 0,5 sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung:
Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Er findung bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung näher er läutert. Dabei zeigen:
Figur 1 in einer schematischen Darstellung eine An
triebsanordnung mit einer Doppel
stern-Drehstrommaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 in einer schematischen Darstellung die beiden
Sternschaltungen der Doppelstern-Drehstrommaschine aus Figur 1; und
Figur 3 in einem schematischen Signaldiagram Signalverläufe der Steuersignale zum Betreiben der Antriebsanord nung .
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung: Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine elektrische Antriebsanordnung AA zum Antrieb eines Hybridelekt- ro-/Elektrofahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die Antriebsanordnung AA umfasst eine Drehstrommaschine DM zum Antrieb des Fahrzeugs und eine Traktionsbatterie BT zum Be reitstellen vom Strom für die Drehstrommaschine DM.
Die Antriebsanordnung AA umfasst ferner einen ersten Wech selrichter WR1 und einen zweiten Wechselrichter WR2, welche als spannungsgespeiste Pulswechselrichter ausgebildet sind.
Die beiden Wechselrichter WR1, WR2 weisen einen gemeinsamen positiv-spannungsseitigen Stromanschluss Al und einen ge meinsamen negativ-spannungsseitigen Stromanschluss A2 auf, über welche die beiden Wechselrichter WR1, WR2 stromeingangsseitig zueinander parallel an der Traktionsbatterie BT elektrisch angeschlossen sind.
Der erste Wechselrichter WR1 umfasst seinerseits drei erste Halbbrücken, welche zueinander parallel und zwischen den beiden Stromanschlüssen Al, A2 elektrisch angeschlossen sind. Die drei ersten Halbbrücken umfassen jeweils einen positivspannungs seitigen Leistungshalbleiterschalter Sil, S13, S15 und einen negativspannungsseitigen Leistungshalbleiterschalter S12, S14, S16, welche jeweils paarweise zueinander in Serie und über jeweiligen Mittelabgriff miteinander elektrisch verbunden sind.
Der erste Wechselrichter WR1 umfasst ferner drei Phasenleitungen Pu, Pv, Pw, welche jeweils an den Mittelabgriffen der kor respondierenden Halbbrücken des ersten Wechselrichters WR1 elektrisch angeschlossen sind und zum Bereitstellen von Pha senströmen für die Drehstrommaschine DM dienen.
Die ersten Halbbrücken umfassen ferner jeweils einen Strommesser SM12, SM14, SM16, welche jeweils zwischen dem negativspan nungsseitigen Stromanschluss A2 und dem negativspannungssei tigen Leistungshalbleiterschalter S12, S14, S16 der jeweiligen ersten Halbbrücken seriell elektrisch angeschlossen sind. Analog umfasst der zweite Wechselrichter WR2 drei zweite Halbbrücken, welche ebenfalls zueinander parallel und zwischen den beiden Stromanschlüssen Al, A2 und somit auch parallel zu den drei ersten Halbbrücken elektrisch angeschlossen sind. Die drei zweiten Halbbrücken umfassen ebenfalls jeweils einen posi tivspannungsseitigen Leistungshalbleiterschalter S21, S23, S25 und einen negativspannungsseitigen Leistungshalbleiterschalter S22, S24, S26, welche jeweils zueinander in Serie und über jeweiligen Mittelabgriff miteinander elektrisch verbunden sind.
Der zweite Wechselrichter WR2 umfasst ferner drei Phasenlei tungen Px, Py, Pz, welche jeweils an den Mittelabgriffen der korrespondierenden Halbbrücken des zweiten Wechselrichters WR2 elektrisch angeschlossen sind und zum Bereitstellen von weiteren Phasenströmen für die Drehstrommaschine DM dienen.
Die zweiten Halbbrücken umfassen ebenfalls jeweils einen Strommesser SM22, SM24, SM26, welche jeweils zwischen dem negativspannungsseitigen Stromanschluss A2 und dem negativ spannungsseitigen Leistungshalbleiterschalter S22 , S24, S26der jeweiligen zweiten Halbbrücken serielle elektrisch ange schlossen sind.
Die Strommesser SM12, SM14, SM16, SM22, SM24, SM26 umfassen jeweils einen Shunt, welche in den jeweiligen Halbbrücken negativspannungsseitig (zwischen dem jeweiligen negativspan nungsseitigen Leistungshalbleiterschalter S12, S14, S16, S22, S24, S26 und dem negativspannungsseitigen Stromanschluss A2) elektrisch angeschlossen und eingerichtet sind, Ströme (bzw. Phasenströme) zu messen, welche negativspannungsseitig durch die jeweiligen Halbbrücken fließen ( ,,Lowside"-Strommessung) .
Durch die „Lowside"-Strommessung bzw. die negativspannungs seitige Anordnung der Strommesser SM12, SM14, SM16, SM22, SM24, SM26 bzw. der Shunts ist eine unerwünschte Potentialtrennung in den Halbbrücken vermieden. Die mit der „Lowside"-Strommessung verbundenen Nachteile gegenüber einer Phasenstrommessung wird durch die nachfolgend zu beschreibende Ansteuerung der Leis- tungshalbleiterschalter Sil, S13, S15, S12, S14, S16, S21, S23, S25, S22, S24, S26bzw. die Auswahl der Messzeitpunkte vermieden .
Die Antriebsanordnung AA umfasst ferner einen Zwischenkreis kondensator C, welcher zwischen den beiden Stromanschlüssen Al, A2 und somit parallel zu den beiden Wechselrichtern WR1, WR2 elektrisch angeschlossen ist.
Die Drehstrommaschine DM ist als eine permanenterregte Dop pelstern-Synchronmaschine ausgebildet und umfasst einen Stator mit einer ersten Sternschaltung SSI und einer zweiten Stern schaltung SS2.
Die beiden Sternschaltungen SSI, SS2 sind in Figur 2 schematisch detailliert abgebildet.
Die erste Sternschaltung SSI umfasst drei erste Wicklungen U, V, W, welche voneinander jeweils um 120° versetzt in jeweiligen Wicklungsnuten am Stator angeordnet sind.
Dabei weisen die ersten Wicklungen U, V, W jeweils ein erstes Wicklungsende Uel, Vel, Wel auf, wobei die ersten Wicklungsenden Uel, Vel, Wel miteinander elektrisch verbunden sind und den Sternpunkt XI der ersten Sternschaltung SSI ausbilden.
Ferner weisen die ersten Wicklungen U, V, W jeweils ein zweites, dem jeweiligen korrespondierenden ersten Wicklungsende Uel, Vel, Wel entgegengesetzt liegendes Wicklungsende Ue2, Ve2, We2 auf. Dabei sind die zweiten Wicklungsenden Ue2, Ve2, We2 der ersten Wicklungen U, V, W jeweils direkt an einer der jeweiligen korrespondierenden Phasenleitungen Pu, Pv, Pw des ersten Wechselrichters WR1 elektrisch angeschlossen.
Die zweite Sternschaltung SS2 umfasst drei zweite Wicklungen X, Y, Z, welche ebenfalls voneinander jeweils um 120° versetzt in den jeweiligen Wicklungsnuten am Stator und jeweils jeder der drei Wicklungen U, V, W der ersten Sternschaltung SSI zugeordnet und somit mit diesen korrespondierenden Wicklungen U, V, W paarweise mechanisch gebündelt jedoch voneinander elektrisch isoliert angeordnet sind. Dabei weisen die zweiten Wicklungen X, Y, Z jeweils ein erstes Wicklungsende Xel, Yel, Zel auf, welches jeweils mit dem je weiligen ersten Wicklungsende Uel, Vel, Wel der jeweiligen ersten Wicklungen U, V, W korrespondiert. Dabei sind die jeweiligen ersten Wicklungsende Xel, Yel, Zel der zweiten Wicklungen X, Y, Z in jeweiligen gleichen Abschnitten der jeweiligen korres pondierenden Wicklungsnuten wie die jeweiligen korrespondie renden ersten Wicklungsende Uel, Vel, Wel der jeweiligen korrespondierenden ersten Wicklungen U, V, W und somit in der nächsten Nähe zu diesen jeweiligen korrespondierenden ersten Wicklungsende Uel, Vel, Wel angeordnet. Diese ersten Wick lungsende Xel, Yel, Zel der zweiten Wicklungen X, Y, Z sind jeweils direkt an einer der jeweiligen korrespondierenden Phasenleitungen Px, Py, Pz des zweiten Wechselrichters WR2 elektrisch angeschlossen.
Ferner weisen die zweiten Wicklungen X, Y, Z jeweils ein zweites, dem jeweiligen korrespondierenden ersten Wicklungsende Xel, Yel, Zel entgegengesetzt liegendes Wicklungsende Xe2, Ye2, Ze2 auf, welches jeweils mit dem jeweiligen zweiten Wicklungsende Ue2, Ve2, We2 der jeweiligen ersten Wicklungen U, V, W korrespondiert. Dabei sind die jeweiligen zweiten Wicklungsende Xe2, Ye2, Ze2 der zweiten Wicklungen X, Y, Z in jeweiligen gleichen Abschnitten der jeweiligen korrespondierenden Wicklungsnuten wie die jeweiligen korrespondierenden zweiten Wicklungsende Ue2, Ve2, We2 der jeweiligen ersten Wicklungen U, V, W und somit in der nächsten Nähe zu diesen jeweiligen korrespondierenden zweiten Wick lungsende Ue2, Ve2, We2 angeordnet. Diese zweiten Wicklungsende Xe2, Ye2, Ze2 sind miteinander elektrisch verbunden und bilden den Sternpunkt X2 der zweiten Sternschaltung SS2 aus.
Damit sind die beiden Sternschaltungen SSI, SS2 zueinander symmetrisch ausgeführt dennoch zueinander invertiert ange schlossen. Dabei bestehen die Wicklungen U, V, W; X, Y, Z der beiden Sternschaltungen SSI, SS2 aus gleichen Materialien, wie z. B. aus gleichen Kupferdrähten oder Kupferstäben mit gleichen Isolierschichten, und weisen gleiche elektrische und mechanische Eigenschaften, wie z. B. aus gleichen Wickeldrähten bzw. Wi- ckelstäben in gleichen Längen und gleichen Querschnitten sowie derselben Durchschlagfestigkeit usw. in gleichen Windungszahlen usw., und somit gleiche Phasenwiderstände auf. Dadurch sind die Wicklungen U, V, W der ersten Sternschaltung SSI in ihrer elektrischen und mechanischen, insb. in ihrer elektromagne tischen, Eigenschaft weitgehend identisch mit den korrespon dierenden Wicklungen X, Y, Z der zweiten Sternschaltung SS2 ausgeführt .
Dadurch die beiden Sternschaltungen SSI, SS2 zueinander sym metrisch ausgebildet und invertiert angeschlossen und bilden gemeinsam eine„invertierte Doppelstern-Drehstrommaschine". Die „invertierte Doppelstern-Drehstrommaschine" resultiert sich aus dem invertierten Anschließen der beiden Sternenschaltungen SSI, SS2.
Die Antriebsanordnung AA umfasst ferner eine Betriebskon- trolleinheit BK zur Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter Sil, S13, S15, S 12 , S14, S16, S21, S23, S25, S22, S24, S26 der beiden Wechselrichter WR1, WR2 und somit zum Betrieb der Drehstrommaschine DM.
Die Betriebskontrolleinheit BK ist steuersignalausgangsseitig mit jeweiligen Steueranschlüssen der Leistungshalbleiter schalter Sil, S13, S15, S12 , S14, S16, S21, S23, S25, S22, S24, S26 signaltechnisch verbunden und eingerichtet, in der nach folgend zu beschreibenden Weise mit pulsweiten modulierten Steuersignalen AS11, AS13, AS15, AS12, AS14, AS16, AS21, AS23, AS25, AS22, AS24, AS26 die korrespondierenden Leistungshalb leiterschalter Sil, S13, S15, S12 , S14, S16, S21, S23, S25, S22, S24, S26 und somit die beiden Wechselrichter WR1, WR2 invers gesteuert zu schalten.
Nachdem der Aufbau der Antriebsanordnung AA anhand von Figuren 1 und 2 detailliert beschrieben wurde, wird nachfolgend deren Funktionsweise bzw. deren Ansteuerung anhand von Figur 3 näher beschrieben . Der Betrieb der Antriebsanordnung AA bzw. der Drehstrommaschine DM mittels den beiden Wechselrichtern WR1, WR2 erfolgt mithilfe von den pulsweiten modulierten Steuersignalen AS11, AS13, AS15, AS 12 , AS 14 , AS 16 , AS21, AS23, AS25, AS22, AS24, AS26, welche von der Betriebskontrolleinheit BK generiert und den Steueran schlüssen der jeweiligen korrespondierenden Leistungshalb leiterschalter Sil, S13, S15, S12 , S14, S16, S21, S23, S25, S22, S24, S26 angelegt werden.
Dabei erfolgt die Regelung der Drehmaschine DMbspw. mithilfe von Raumzeigermodulation, wobei die zur Raumzeigermodulation er forderliche Phasenströme der jeweiligen Phasenleitungen Pu, Pv, Pw, Px, Py, Pz anhand von den jeweiligen negativspannungsseitig angeschlossenen Strommessern SM12, SM14, SM16, SM22, SM24, SM26 gemessen werden.
In Figur 3 veranschaulicht sind jeweils eine Signalperiode der ersten Steuersignale AS11, AS13 und AS15 zum Ansteuern der positivspannungsseitigen Leistungshalbleiterschalter Sil, S13, S15 des ersten Wechselrichters WR1, sowie jeweils eine Sig nalperiode der zweiten Steuersignale AS21, AS23 und AS25 zum Ansteuern der positivspannungsseitigen Leistungshalbleiter schalter S21, S23, S25 des zweiten Wechselrichters WR2 als Gegenüberstellung schematisch abgebildet.
Dabei weisen die zweiten Steuersignale AS21, AS23 und AS25 zu den jeweiligen korrespondierenden ersten Steuersignalen AS11, AS13 und AS15 exakt inverse Pulsmuster auf. Damit werden die zu einander korrespondierenden Leistungshalbleiterschalter Sil und S21, S13 und S23, S15 und S25, S12 und S22, S14 und S24, S16 und S26 der beiden Wechselrichter WR1, WR2 und somit auch die beiden Sternschaltungen SSI, SS2 zueinander exakt invers angesteuert.
Durch den symmetrischen Aufbau und zugleich den invertierten Anschluss der beiden Sternschaltungen SSI, SS2 sowie der exakt inversen Ansteuerung mit den zueinander inversen Pulsmustern der Steuersignale AS11, AS13, AS15 und AS21, AS23, AS25 ergeben sich in den jeweiligen Wicklungsnuten des Stators genau die gleichen elektrischen Ströme in den einzelnen Wicklungen U, V, W und X, Y, Z und es wird zum einen die magnetische Kopplung zwischen den beiden Sternschaltungen SSI, SS2 minimiert und zum anderen sind die Phasenströme der beiden Sternschaltungen SSI, SS2 be tragsmäßig annähernd gleich groß. Dadurch reicht es auch, nur jeweils einen Phasenstrom an jedem der beiden Wechselrichter WR1, WR2 zu messen und aus den beiden Strommesswerten die restlichen Phasenströme zu berechnen. Strommesswerte von den restlichen Strommessern können als redundante Messwerte zur Überprüfung der berechneten Phasenstromwerte oder zur Funktionsüberwachung dienen .
Zur Vermeidung bzw. Reduzierung von Oberwellen in den gemessenen Phasenströmen und somit zur Erhöhung der Messgenauigkeit wird als Messzeitpunkt Anfangszeitpunkt (t = 0) bzw. die zeitliche Mitte (t =T/2) der jeweiligen Signalperioden ausgewählt.
Durch den invertierten Aufbau ergeben sich Pulsmuster, bei denen mindestens drei von sechs Steuersignalen Su, Sv, Sw bzw. Sx, Sy, Sz einen Tastgrad von kleiner als oder gleich 50% aufweisen.
Dadurch werden die sonst mit der „Lowside-"Strommessung ver bundene Nachteile vermieden.
Insb. können durch die oben beschriebene Ausführung in den jeweiligen Schalterperioden selbst bei großen Modulationsgraden zwei oder mehr Phasenströme zeitgleich und in längerer Zeitphase gemessen werden. Eine Einschränkung des maximalen Modulati onsgrades durch eine „Lowside"-Strommessung und somit auch der maximalen Systemleistung und des Systemwirkungsgrads lässt sich somit vermeiden.
Dies ermöglicht eine Systemkostenverringerung bei einer zeitgleichen Leistungssteigerung .
Durch die Kombination von dem zueinander invertierten Anschluss der zwei zueinander symmetrisch aufgebauten Sternschaltungen SSI, SS2 der Doppelstern-Drehstrommaschine DM, der „Lowsi- de"-Strommessung mit den negativspannungsseitig angeschlossenen Strommessern SM12, SM14, SM16, SM22, SM24, SM26, sowie der zuvor beschriebenen inversen Ansteuerung der beiden Sternschaltungen SSI, SS2 ergeben sich unter anderem folgende Vorteile:
Durch die lange Einschwingdauer der Auswerteschaltungen der „Lowside"-Strommessung können günstigere Bauteile für Strommessung ausgewählt werden;
Durch die Aufteilung der Leistungshalbleiterschalter Sil, S13, S15, S12 , S 14 , S16, S21, S23, S25, S22, S24, S26 auf sechs Phasen von zwei Sternschaltungen SSI, SS2 statt drei Phasen einer Sternschaltung können diese besser ausgenutzt werden. Dadurch ergibt sich eine höhere Systemleistung bei der gleichen Gesamtanzahl der Leistungshalbleiterschalter;
Da in jeder Schaltperiode mindestens bei einer Stern schaltung SSI und/oder SS2 mindestens zwei Phasenströme gemessen werden, können auch Modulationsverfahren im Übermodulationsbereich bis hin zum Blockbetrieb realisiert werden. Es muss also kein aufwändiges Modell zur Strom prädiktion im Übermodulationsbereich erstellt und getestet werden (für die Zeitbereiche, in der sonst nur einer von den drei Phasenströmen gemessen werden kann) , welches ohnehin problematisch ist aus der Sicht der funktionalen Sicherheit. Somit kann die Spannungsausnutzung voll ausgeschöpft werden und die Systemleistung sowie der Systemwirkungsgrad ma ximiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Antriebsanordnung (AA) , insb. zum Betrieb eines Hybridelektro- /Elektrofahrzeugs , umfassend :
eine Drehstrommaschine (DM) mit einem ersten Wick lungssystem (SSI) mit mindestens drei ersten Wicklungen (U, V, W) und einem zweiten Wicklungssystem (SS2) mit mindestens drei zweiten Wicklungen (X, Y, Z) ; einen ersten Wechselrichter (WR1) mit mindestens drei ersten Phasenleitungen (Pu, Pv, Pw) , wobei die ersten Phasenleitungen (Pu, Pv, Pw) jeweils mit den jeweiligen korrespondierenden ersten Wicklungen (U, V, W) elektrisch verbunden sind;
einen zweiten Wechselrichter (WR2) mit mindestens drei zweiten Phasenleitungen (Px, Py, Pz) , wobei die zweiten Phasenleitungen (Px, Py, Pz) jeweils mit den jeweiligen korrespondierenden zweiten Wicklungen (X, Y, Z) elektrisch verbunden sind;
mindestens einen Strommesser (SM12, SM24), der in einem negativspannungsseitigen Strompfad eines der beiden Wechselrichter (WR1, WR2) elektrisch angeschlossen ist und eingerichtet ist, einen durch diesen negativ spannungsseitigen Strompfad fließenden Phasenstrom zu messen;
wobei jede der zweiten Wicklungen (X, Y, Z) mit je weiliger korrespondierenden der ersten Wicklungen (U, V, W) paarweise symmetrisch ausgebildet ist und gegenüber der jeweiligen korrespondierenden der ersten Wicklungen (U, V, W) invertiert mit der jeweiligen korrespon dierenden zweiten Phasenleitung (Px, Py, Pz) elektrisch verbunden ist.
2. Antriebsanordnung (AA) nach Anspruch 1, wobei die ersten Wicklungen (U, V, W) und die jeweiligen korrespondierenden zweiten Wicklungen (X, Y, Z) paarweise jeweils in ein- und derselben Wicklungsnut, oder in zwei benachbarten Wick lungsnuten, oder in zwei zueinander korrespondierenden Wicklungsnuten der Drehstrommaschine (DM) angeordnet sind.
3. Antriebsanordnung (AA) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste (SSI) und das zweite (SS2) Wicklungssystem j eweils als eine Sternschaltung oder jeweils als eine Dreieckschaltung ausgebildet sind.
4. Antriebsanordnung (AA) nach Anspruch 3, wobei,
die ersten Wicklungen (U, V, W) jeweils ein erstes Wicklungsende (Uel, Vel, Wel) aufweisen, wobei die ersten Wicklungsenden (Uel, Vel, Wel) der ersten Wicklungen (U, V, W) miteinander elektrisch verbunden sind und somit den Sternpunkt (XI) des ersten Wick lungssystems (SSI) ausbilden; und
die zweiten Wicklungen (X, Y, Z) jeweils ein erstes, mit dem jeweiligen ersten Wicklungsende (Uel, Vel, Wel) der jeweiligen korrespondierenden ersten Wicklungen (U, V, W) korrespondierendes Wicklungsende (Xel, Yel, Zel) aufweisen, wobei die ersten Wicklungsenden (Xel, Yel, Zel) der zweiten Wicklungen (X, Y, Z) jeweils mit einer der jeweiligen korrespondierenden Phasenleitungen (Px, Py, Pz) des zweiten Wechselrichters (WR2) elektrisch verbunden sind.
5. Antriebsanordnung (AA) nach Anspruch 4, wobei,
die ersten Wicklungen (U, V, W) jeweils ein zweites, dem jeweiligen korrespondierenden ersten Wicklungsende (Uel, Vel, Wel) entgegengesetzt liegendes Wicklungsende (Ue2, Ve2, We2) aufweisen, wobei die zweiten Wick lungsenden (Ue2, Ve2, We2) der ersten Wicklungen (U, V, W) jeweils mit einer der jeweiligen korrespondierenden Phasenleitungen (Pu, Pv, Pw) des ersten Wechselrichters (WR1) elektrisch verbunden sind; und
die zweiten Wicklungen (X, Y, Z) jeweils ein zweites, dem jeweiligen korrespondierenden ersten Wicklungsende (Xel, Yel, Zel) entgegengesetzt liegendes Wicklungsende (Xe2, Ye2, Ze2) aufweisen, wobei die zweiten Wick lungsenden (Xe2, Ye2, Ze2) miteinander elektrisch verbunden sind und somit den Sternpunkt (X2) des zweiten Wicklungssystems (SS2) ausbilden.
6. Antriebsanordnung (AA) nach einem der vorangehenden An sprüche, ferner umfassend eine Betriebskontrolleinheit (BK) zum Betrieb der beiden Wechselrichter (WR1, WR2), die eingerichtet ist, den ersten Wechselrichter (WR1) mit einem ersten Pulsmuster (AS11, AS13 und AS15) und den zweiten Wechselrichter (WR2) mit einem zweiten Pulsmuster (AS21, AS23 und AS25) anzusteuern, wobei die beiden Pulsmuster (AS11, AS13 und AS15 bzw. AS21, AS23 und AS25) zueinander inverse sind.
7. Antriebsanordnung (AA) nach Anspruch 6, wobei die Be
triebskontrolleinheit (BK) ferner eingerichtet ist, die beiden Wechselrichter (WR1, WR2 ) mit pulsweitenmodulierten Steuersignalen zu betreiben.
8. Antriebsanordnung (AA) nach Anspruch 7, wobei der Strom messer (SM12, SM24) ferner eingerichtet ist, den Phasenstrom zum Signalperiodenanfang (T0) oder zur Signalperiodenmitte (Tm) der jeweiligen Signalperioden des Steuersignals zu messen .
9. Antriebsanordnung (AA) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Strommesser (SM12, SM24) ferner eingerichtet ist, den Phasenstrom während einer Signalperiode des Steuersignals zu messen, dessen Tastgrad kleiner oder gleich 0,5 ist.
10. Antriebsanordnung (AA) nach einem der vorangehenden An sprüche, die ferner sechs Strommesser (SM12, SM14, SM16, SM22, SM24, SM26) umfasst, die jeweils in jedem der ne gativspannungsseitigen Strompfad jeweils eines der beiden Wechselrichter (WR1, WR2) verteilt elektrisch angeschlossen sind und eingerichtet sind, jeweils einen durch den je weiligen korrespondierenden negativspannungsseitigen Strompfad der jeweiligen Wechselrichter (WR1, WR2) flie ßenden Phasenstrom zu messen.
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