SE534910C2 - Elektrisk apparat innefattande drivsystem och elektrisk maskin med omkopplingsbar statorlindning - Google Patents

Description

534 910 2 av en tänkt elfordonsflotta kommer sannolikt att laddas nattetid från vanliga A uttag, vilket ändå ger en relativt lång körsträcka under en natt på 10 timmar, sannolikt mer än vad batteriet ombord kan ta emot. Med ett stort an- tal elektriska fordon är det emellertid troligt att många av dessa behöver ”snabbladda” även dagtid, t.ex. med 22 kW som från ett 400 V 3 fas 32 A uttag. Eftersom laddtiden för dessa ändå blir jämförelsevis lång (typiskt 30 till 60 minuter) är det troligen inte rimligt med specialladduttag då det skulle krä- vas väldigt många jämfört med dagens bensinstationer. l stället krävs att for- donet kan laddas från ett vanligt elluttag, t.ex. allt från 230 V 10 A 1 fas till 400 V 32 A 3 fas. Sådana kan till en mycket låg kostnad monteras upp på väldigt många ställen, t.ex. vid parkeringar vid bostadsområden, köpcentra, kontor, Industrifastigheter mm.

TEKNIKENS STÅNDPUNKT För att ett fordon skall kunna utnyttja ett vanligt eluttag fordras att for- donet självt bär med sig den laddutrustning som behövs. Med kapacitet för laddning upp till 400 V 32 A 3-fas betyder det att en ganska tung (> 100 kg) och dyr (> 10,000 SEK) utrustning behövs ombord. Eftersom ett elfordon redan från början är dyrt, främst på grund av kostnader för batterierna, så belastas det genom behovet av laddare av ytterligare kostnader.

Ett exempel på en konstruktion som utgörs av en delbar motorlindning visas och beskrivs i JP10248172. En del av motorlindningen kan vid laddning kopplas till nätet. Konstruktionen förutsätter enfasanslutning och drivning med så kallad "common mode" ström, det vill säga samma ström i motorns alla tre faser. l US5341075 visas och beskrivs ett kombinerat motordrifts- och batte- riladdningssystem. Två av motorns tre faslindningar utnyttjas som induktorer vid enfasladdning av ett elfordonsbatteri. En förutsättning är att batterispän- ningen är högre än nätspänningens högsta momentanvärde. En väsentlig nackdel är att någon galvanisk isolation mellan nät och batteri inte kan åstadkommas. En liknande lösning beskrivs i US5099186. Två helt separata 534 910 3 motorlindningar används dock. Ytterligare en liknande lösning visas och be- skrivs i US4920475. l enlighet med den ovan beskrivna kända tekniken är galvanisk isolat- ion i samband med laddningen av batterierna inte möjlig. En annan nackdel är att den effekt som tillgängliggörs för laddningen är för låg. Särskild laddut- rustning kan användas, men då ökar både vikt och kostnader.

UPPFINNINGEN I SAMMANFATTNING Ett sätt att reducera dessa kostnader är att på ett nytt sätt använda sig av utrustning som redan finns ombord. Ett elfordon har minst ett s.k. elekt- riskt drivsystem, innefattande en kraftelektronisk omvandlare och en trakt- ionsmotor. Traktionsmotorn är en elmaskin/elmotor med ett flertal lindningar.

Genom en avancerad avdelning och omkoppling av lindningarna och andra komponenter kan de under vissa omständigheter användas som laddare.

Elmotorn är försedd med åtminstone en trefaslindning, innefattande ett flertal lindningar, vilka är förbundna via en uppsättning omkopplare. Ge- nom inställning av omkopplarna i olika lägen kan lindningarna seriekopplas och parallellkopplas på olika sätt i varje fas. Därmed kan elmotorns elektriska egenskaper i grunden förändras.

I enlighet med uppfinningen används traktionsmotorn som transfonna- tor, varvid en del av lindningarna används som primärlindning, drivna av el- nätet, och en del som sekundärlindning. där den kraftelektroniska motordriv- ningen fungerar som likriktare. En förutsättning är att lindningarna vid normal motordrift kan ta upp den spänning som är anpassad till batteriet, samt att de lindningar som i en inkopplingspunkt kopplas till ett trefasnät vid frekvensen 50 Hz (i vissa länder 60 Hz) håller nätspänningen i inkopplingspunkten.

Under laddning driver elnätet traktionsmaskinen (som motor) genom den nätanslutna lindningen. Samtidigt bromsar motordrivsystemet traktions- maskinen (som generator), En del av effekten överförs via rotorn, men en del förs också över via den magnetiska kopplingen mellan det som kan kallas primär- och sekundärlindning hos de avdelade lindningarna. 534 910 4 Lösningen innebär två väsentliga fördelar i förhållande till känd teknik.

För det första medges laddning från ett konventionellt trefasigt nätuttag. För det andra åstadkoms fullständig galvanisk isolation mellan nät och batteri- krets. Genom särskild inkoppling kan även enfasig laddning åstadkommas. l beskrivningen nedan antas följande vara känt: nätspänningen genom Un, [Volt RMS, Fas-Fas ], nätfrekvensen genom fn och motordrivsystemets maximala utspänning genom Um, [Volt RMS, Fas-Fas] (ofta bestämd av bat- terispänningen).

Statorns lindning kan vara kopplad i två olika driftmoder, endera driv- ning (traction) eller laddning (charging). Vid drivning är statorlindningen upp- delad i ett antal (ngph) grupper av trefaslindningar (n3,,,, = 1, 2, 3, ...), vardera grupp bestående av npd parallellkopplade och md seriekopplade sektioner i varje faslindning. Dessa trefaslindningar kan vara kopplade i endera Y- eller D-koppling för att passa ihop med motordrivsystemets spänning.

Vid laddning kan ett av två alternativ användas: l) En eller flera av grupperna av trefaslindningar, sammanlagt ngphß, avskiljs för att kopplas till elnätet. De återstående trefasgrupperna (njph-ngphj) används av motordrivsystemet. ll) Lindningarna i en eller flera av grupperna av trefaslindningar kopplas om till två elektriskt separata trefaslindningar där en av dessa kopplas till det trefasiga elnätet och den andra kopplas till motordrivsystemet.

Den del som kopplas till det trefasiga elnätet består av npcg parallell- kopplade och nug seriekopplade lindningssektioner. Lindningen kan sedan kopplas i endera Y- eller Delta-koppling. Antalet serie- och parallel-kopplade lindningssektioner väljs så att spänningen över dessa lindningar vid ett mo- torvarvtal som motsvarar nätfrekvens (vanligen 50 Hz, i vissa länder 60 Hz) ligger ganska nära nominell nätspänning. Denna varierar i olika länder. I Europa är den 400 V huvudspänning.

Den del som kopplas till det motordrivsystemet består npcd parallell- kopplade och nm, seriekopplade lindningssektioner. Kopplingen väljs så att 534 910 de bildar ett trefassystem med så hög spänning som möjligt, dock lägre än den högsta spänning som motordrivsystemet kan avge.

Laddning kan i enlighet med uppfinningen efter omkoppiing enligt fö- regàende beskrivning ske påföljande sätt. |) u) lll) V) VI) Traktionsmotorn frikopplas från fordonets transmission genom att växellådan läggs i neutralläge och ev kopplingar öppnas.

Motordrivsystemet detekterar spänning och fasföljd i den anslut- ningspunkt i elnätet från vilken man avser att ladda.

Motordrivsystemet varvar upp traktionsmotorn till det varvtal och det fasläge som motsvarar nätfrekvens och nätspänningens fas- läge.

Motordrivsystemet justerar traktionsmotorns spänning i den tre- faslindning som skall kopplas till elnätet så att spänningen över trefaslindningen överensstämmer med nätspänningen.

Motordrivsystemet kopplar därefter in den trefaslindning som skall kopplas till elnätet under laddning.

Motordrivsystemet belastar slutligen elnätet genom att bromsa traktionsmotorn genom att styra dess strömmar, varvid elektrisk effekt flödar från elnätet via traktionsmotorn till batteriet.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I syfte att på ett lättförstàeligt sätt beskriva hur ovan angivna och andra fördelar och syften med uppfinningen uppnås, följer en utförligare be- skrivning av den ovan översiktligt beskrivna uppfinningen med hänvisning till särskilda utföranden därav, vilka framgår av efterföljande figurer.

Det bör observeras att figurerna visar endast särskilda utföranden av uppfinningen och inte ska anses begränsa dess omfattning. Med hänsyn därtill kommer uppfinningen att beskrivas och förklaras mera utförligt och i detalj med stöd av tillhörande figurer, pâ vilka Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4 Fig. 6 Fig. 7 Fig. 8 Fig. 10 534 910 6 schematiskt visar ett fordon med batteri och drivsystem, som via en omkopplingsanordning är förbundna med ett elektriskt nät för ladd- ning av batteriet, schematiskt visar ett drivsystem inkopplat för framdrift av ett fordon med hjälp av ström från ett batteri, schematisk visar det i Fig. 1 visade drivsystemet, men nu inkopplat för laddning av batteriet, är ett blockschema som översiktligt visar en elektrisk apparat i en- lighet med uppfinningen förbunden med ett batteri, visar den elektriska apparaten i Fig. 4 kopplad i ett första för driv- ning avsett läge, visar den elektriska apparaten i Fig. 4 kopplad i ett andra för ladd- ning avsett läge, schematiskt visar ett utförande i enlighet med uppfinningen med en statorlindning Y-kopplad för drivning, schematiskt visar ett utförande i enlighet med uppfinningen med en statorlindning uppdelad i två med trefasnätet respektive drivsyste- met förbundna Y-kopplade trefaslindningar, var för sig innefattande ett flertal serie- och parallellkopplade lindningssektioner, schematiskt visar ett utförande i enlighet med uppfinningen med en statorlindning uppdelad i en D-kopplad trefaslindning för anslutning till trefasnätet och en Y-kopplad trefaslindning förbunden med driv- systemet, vilka trefaslindningar var för sig innefattar ett flertal serie- och parallellkopplade lindningssektioner och schematiskt visar ett utförande i enlighet med uppfinningen med två separata statorlindningar uppdelade i en D-kopplad trefaslindning för anslutning till trefasnätet och en Y-kopplad trefaslindning för- bunden med drivsystemet, vilka trefaslindningar var för sig innefat- tar ett flertal serie- och parallellkopplade lindningssektioner.

UPPFINNINGEN 534 910 7 I det i Fig. 1 visade utförandet är ett fordon 10 försett med en elektrisk apparat 12 i enlighet med uppfinningen. Den elektriska apparaten 12 innefat- tar ett drivsystem 14 och en elektrisk maskin 16 för framdrivning av fordonet . Ett batteri 18 är anordnat i fordonet för drivning av den elektriska appara- ten. Batteriet 18 kan laddas genom anslutning till ett trefasnät 20. l det i Fig. 1 visade utförandet är batteriet förbundet med trefasnätet 20 via en så kallad laddningsstolpe 22 utgörande inkopplingspunkten och den elektriska appara- ten 12. I den elektriska apparaten 12 ingår också en omkoppllngsanordning 24 och åtminstone en statorlindning 26.

Vid drivning av fordonet 10 är den elektriska apparaten 12 inkopplad och styrd, så att den motsvarar det i F ig. 2 visade kretsschemat. Stator- lindningen 26 är D-kopplad med två par serie- respektive parallellkopplade lindningssektioner L1-L12 i tre faser. Drivsystemet 14 innefattar en omvand- lare 28, vilken omvandlar den från batteriet 18 tillgängliga Iikspänningen till en för den elektriska maskinen 16 anpassad växelspänning. Drivsystemet 14 styrs genom en styrenhet 30, som påverkas av en förare av fordonet med ett reglage 32. Den elektriska maskinen används i detta läge som traktionsmo- tor.

Vid laddning av batteriet 18 i fordonet 10 är den elektriska apparaten 12 inkopplad och styrd, så att den motsvarar det i Fig. 3 visade kretssche- mat. Statorlindningen 26 är med hjälp av omkopplingsanordningen uppdelad i en Y-kopplad första del och en D-kopplad andra del. Statorlindningens 26 båda delar är magnetiskt kopplade till varandra genom att den Y-kopplade första delen fungerar som primärlindning och den D-kopplade andra delen fungerar som sekundärlindning.

Primärlindningen med lindningssektionerna L1-L6 är förbunden med trefasnätet 20 och sekundärlindningen med lindningssektionerna L7-L12 är förbunden med batteriet via en likriktare 34 hos drivsystemet 14. Under laddningen driver trefasnätet den elektriska maskinen som en motor genom den nätanslutna primärlindningen, samtidigt som det av styrenheten 30 styrda drivsystemet 14 bromsar traktionsmotorn som en generator. En del av effekten överförs magnetiskt via en rotor och en annan del av effekten över- 534 910 8 förs via den direkta magnetiska kopplingen mellan primär- och sekun- därlindning, vilket antyds genom pilen C. Lämpligen fördelas Iindningssekt- ionerna så att primärlindning och sekundärlindning har samma effekt.

Fig. 4 visar på ett alternativt sätt en elektrisk apparat 12 i enlighet med uppfinningen förbunden med ett elektriskt nät 20 och ett batteri 18. Drivsy- stemet 14 med sin styrenhet 30 ställer via omkopplingsanordningen 24 om statorlindningen 26 på lämpligt sätt för drivning respektive laddning. omkopp- lingsanordningen 24 innefattar företrädesvis mekaniska omkopplare, men även olika typer av elektroniska omkopplare och halvledaromkopplare kan användas.

Den i Fig. 4 visade elektriska apparaten 12 är i kopplingsschemat i Fig. 5 kopplad för drivning. Med lämpligt val av sammanbindningspunkter hos omkopplingsanordningen 24 är statorlindningen 26 Y-kopplad med fyra parallellkopplade par seriekopplade Iindningssektioner i vardera fasen. Batte- riet 18 driver via drivsystemet 14 och omvandlaren 28 på ett i och för sig konventionellt sätt. Trefasnätet 20 är i detta läge inte förbundet med den elektriska apparaten. Statorlindningen kan också vara D-kopplad.

I exemplet i Fig. 6 är i stället den elektriska apparaten 12 kopplad för laddning. Samma uppsättning Iindningssektioner som i utförandet i enlighet med Fig. 5 är efter omkoppling av kopplingsanordningen 24 uppdelad i en Y- kopplad primärlindning och en Y-kopplad sekundärlindning. Primärlindningen omfattar fyra seriekopplade Iindningssektioner i vardera fasen, liksom se- kundärlindningen. En eller båda lindningarna kan också vara D-kopplade.

I Fig. 7 visas ett exempel på inkoppling av en elektrisk apparat i enlig- het med uppfinningen med ett trefassystem Y-kopplat för drivning. l vardera fasen är npd parallellkopplade grupper av ny, seriekopplade Iindningssektioner förbundna med drivsystemet 14. Samtliga Iindningssektioner ingår i stator- lindningen 26. l Fig. 8 är den elektriska apparaten i enlighet med uppfinningen kopp- lad för laddning. En Y-kopplad primärlindning med nmg grupper av nm, serie- kopplade Iindningssektioner är förbunden med trefasnätet 20. En Y-kopplad sekundärlindning med npcd grupper av nu, seriekopplade Iindningssektioner är 534 S10 9 förbunden med drivsystemet 14. Samtliga lindningssektioner ingår i stator- lindningen 26. Vilken som av lindningarna, eller båda lindningarna kan istäl- let vara D-kopplade. Även laddning från ett enfassystem är möjlig i enlighet med uppfin- ningen. l det fallet att primärlindningen är Y-kopplad kan även trefasnätets nolla vara ansluten, som anvisas vid A i Fig. 8, och två av de tre faserna i primärlindningen vara oanslutna, som anvisas vid B respektive C, också i Fig. 8. l det fallet att primärlindningen i stället är D-kopplad kan en av de tre faserna i primärlindningen vara oansluten.

I Fig. 9 är den elektriska apparaten i enlighet med uppfinningen kopp- lad för laddning. En D-kopplad primärlindning med npcg grupper av nscg serie- kopplade lindningssektioner är förbunden med trefasnätet 20. En Y-kopplad sekundärlindning med npcd grupper av nm, seriekopplade lindningssektioner är förbunden med drivsystemet 14. Samtliga lindningssektioner ingår i stator- lindningen 26.

I det i Fig. 10 visade utföringsexemplet används två trefassystem. Ett första trefassystem är D-kopplat och utgör en med trefasnätet 20 förbunden primärlindning. Primärlindningen innefattar av npcg grupper av nscg seriekopp- lade lindningssektioner. Ett separat andra trefassystem är Y-kopplat och ut- gör en med drivsystemet 14 förbunden sekundärlindning. Sekundärlindnlng- en innefattar npcd grupper av nm, seriekopplade lindningssektioner. l beskrivningen ovan har vissa specifika utföranden beskrivits. Det torde dock vara uppenbart för en fackman inom det aktuella tekniska områ- det att modifieringar enkelt kan åstadkommas inom ramen för uppfinning- stanken. Efterföljande patentkrav ska alltså inte anses vara begränsade till det som visas i beskrivningen, utan ska tolkas så att de omfattar sådana motsvarigheter som är uppenbara för fackmannen inom det aktuella tekniska området.

Claims (12)

10 15 20 25 30 534 910 10 PATENTKRAV

1. Elektrisk apparat (12), innefattande ett drivsystem (14) och en elektrisk maskin (16) för framdrivning av ett fordon (10), varvid den elektriska maski- nen innefattar åtminstone en rotor och åtminstone en statorlindning (26) och via en anslutningspunkt kan anslutas till ett trefasnät (20), kännetecknad av att statorlindningen är omkopplingsbar mellan åtminstone ett första läge, i vilket den vid framdrivning av fordonet elektriskt styrs av drivsystemet (14), och ett andra läge, i vilket den är avdelad i åtminstone två sepa- rata och magnetiskt direkt, och indirekt via rotorn, kopplade trefas- lindningar för omvandling av en itrefasnätet tillgänglig spänningsnivå, att en avdelad första och av en första uppsättning lindningar bestående trefaslindning vid ett rotorvarvtal motsvarande trefasnätets frekvens har en spänning motsvarande spänningsnivån i anslutningspunkten, att en avdelad och av en andra uppsättning lindningar bestående andra trefaslindning är elektriskt anpassad till drivsystemet och att lindningarna i den första uppsättningen respektive lindningarna i den andra uppsättningen var för sig är förbundna med samma omkopp- lingsanordning.

2. Elektrisk apparat i enlighet med krav 1, innefattande en omvandlare (28) för omvandling av likström till växelström.

3. Elektrisk apparat i enlighet med krav 1, innefattande en likriktare (34) för likriktning av den från trefasnätet tillgängliga växelströmmen till likström.

4. Elektrisk apparat i enlighet med krav 1, varvid den elektriska maskinen innefattar en statorlindning, vilken statorlindning är delbar i en separat med trefasnätet förbindbar första trefaslindning och en med drivsystemet förbun- den andra trefaslindning. 10 15 20 25 30 534 910 11

5. Elektrisk apparat i enlighet med krav 1, varvid den elektriska maskinen innefattar åtminstone två statorlindningar, av vilka statorlindningar åt- minstone en är delbar i en separat med trefasnätet förbindbar första tre- faslindning och åtminstone en tillsammans med resterande statorlindningar med drivsystemet förbunden andra trefaslindning.

6. Elektrisk apparat i enlighet med krav 4 eller krav 5, varvid den lindning som avdelas för anslutning till trefasnätet endast ansluts med sin nolla samt en av de tre fasanslutningarna.

7. Elektrisk apparat i enlighet med något av ovanstående krav, varvid den elektriska maskinen utgörs av en permanent magnetiserad synkronmaskin.

8. Elektrisk apparat i enlighet med något av ovanstående krav, varvid den elektriska maskinen utgörs av en asynkronmaskin.

9. Elektrisk apparat i enlighet med något av ovanstående krav, varvid den elektriska maskinen utgörs av en elektriskt magnetiserad synkronmaskin.

10. Elektrisk apparat i enlighet med något av ovanstående krav, varvid den elektriska maskinen utgörs av en synkron reluktansmaskin.

11. Elektrisk apparat i enlighet med något av ovanstående krav, varvid den elektriska maskinen utgörs av en switchad reluktansmaskin.

12. Metod för alstring av likriktad laddningsström från ett elektriskt drivsy- stem (14), varvid drivsystemet är förbunden med en i en elektrisk maskin (16) innefattad statorlindning, k ä n n e te c k n a d av att statorlindningen kopplas om från ett första läge, i vilket den är kopplad som motor för framdrivning av ett fordon (10), till ett andra läge, att den elektriska maskinen i det andra läget frikopplas från fordonet, att den elektriska maskinen i det andra läget ansluts i en anslutnings- punkt till ett trefasnät, 10 15 att att att att att att 534 910 12 statorlindningen i det andra läget avdelas i åtminstone två separata och magnetiskt kopplade trefasllndningar för omvandling av en itre- fasnätet tillgänglig spänningsnivå, den elektriska maskinen varvas upp till varvtal och fasläge motsva- rande nätfrekvens och fasläge hos trefasnätet, spänningen över en avdelad första och av en första uppsättning lind- ningar bestående trefaslindning, genom styrning av strömmarna ge- nom en andra och av en andra uppsättning lindningar bestående tre- faslindning justeras till en spänning motsvarande spänningsnivån hos trefasnätet i anslutningspunkten, den första uppsättningen lindningar bildar en primärlindning och för- binds med trefasnätet, strömmen genom den andra uppsättningen lindningar styrs så att den elektriska maskinen bromsas, varvid elektrisk effekt överförs från tre- fasnätet genom den andra som en sekundärlindning fungerande andra uppsättningen lindningar och en från sekundärlindningen utgående ström likriktas.