WO2015193003A1 - Step-up/step-down converter as phase converter for electric machine - Google Patents

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Hans Geyer
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Definitions

  • the present invention relates to a voltage converter and a method for converting an electrical voltage.
  • Electric drive systems as used for example in electrically powered vehicles, for example, from a
  • DC power source such as a high-power traction battery are fed.
  • the DC voltage provided by this battery must be converted by means of a voltage converter (inverter) into a single-phase or multi-phase AC voltage in order to be able to generate the desired torque on the electric machine.
  • a voltage converter inverter
  • Machine windings generated which causes a corresponding moment in the machine rotor.
  • driving pattern can be generated with rotating field character with variable fundamental frequencies, phase relationships and modulation degrees. Due to the inclusion of the motor inductance is achieved so that an arrangement with a low number of components with high efficiency.
  • Pulse width modulated signal led to the electric machine. To avoid electromagnetic interference, the cable connections received must be sufficiently shielded. Due to the physical characteristics and power dissipation limit of the switching elements used in the current inverters, the PWM switching frequencies are typically limited to lower frequencies in the human hearing range (up to 20kHz).
  • German patent application DE 10 2013 201 538 AI discloses a
  • Inverter system to reduce unwanted noise caused by PWM control in an electric vehicle.
  • the electric motor with an optimized, pseudo-random
  • the voltage supply of a conventional inverter is usually initially limited to the current battery or source voltage. If higher voltages are required, for example, to expand the speed range, then the DC voltage must be adjusted via a step-up converter circuit.
  • the present invention provides a
  • a voltage converter having a DC voltage terminal comprising a first terminal member and a second terminal member;
  • Machine connection which has a third connection element and a fourth
  • Connection element comprises; a conversion device, which is adapted to a DC voltage between the first connection element and the second connection element in a phase voltage for an electrical
  • Machine to convert and provide the converted phase voltage between the third terminal and the fourth terminal, and is further configured to convert a provided by the electric machine between the third terminal and the fourth terminal phase voltage in a predetermined DC voltage and the DC voltage converted between to provide the first connection element and the second connection element; the conversion device in a first operating mode, the DC voltage between the first terminal element and the second terminal element is converted into a phase voltage whose maximum value is greater than the DC voltage between the first terminal element and the second terminal element, in a second operating mode the DC voltage between the first terminal element and the second terminal element in FIG converts a phase voltage whose maximum value is smaller than the DC voltage between the first
  • Operating mode converts the phase voltage between the third terminal and the fourth terminal into the predetermined DC voltage, wherein the maximum value of the phase voltage is smaller than the predetermined DC voltage, and in a fourth mode of operation
  • Phase voltage between the third terminal and the fourth terminal element converted into the predetermined DC voltage, wherein the maximum value of the phase voltage is greater than the predetermined
  • the present invention provides a method of converting electrical voltage with the steps of
  • Voltage converters can be used in a very wide range of applications. In this way, output voltages are over the entire
  • the bidirectional voltage conversion in combination with the stepping up or down of the voltage level also allows the kinetic energy to be fed back into a DC battery during a deceleration process by means of a regenerative electric machine.
  • a regenerative electric machine in particular due to the integrated boost converter functionality, even with low output voltages of the regenerative electric machine, there is still a return of the energy into the battery.
  • a particularly efficient recovery of kinetic energy can take place.
  • the conversion device comprises a first switching element, which is arranged between the first connection point and a first node, and a second switching element, which is arranged between the first node point and the second connection element.
  • the conversion device further includes a third switching element disposed between the third terminal and a second node and a fourth switching element disposed between the second node and the fourth terminal.
  • the conversion device comprises an inductance, which is arranged between the first node and the second node.
  • Machine connection of the voltage converter is rather an already smoothed output voltage with the machine base frequency ready.
  • the conversion device is operated at a switching frequency of at least 20 kHz.
  • switching frequencies are above the human audible range.
  • the acoustic interference by audible vibrations can be avoided or at least significantly reduced.
  • high switching frequencies allow miniaturization of the circuitry.
  • the inductances used can be made smaller at higher switching frequencies.
  • the voltage converter further comprises a control device, which is adapted to the first, the second, the third and the fourth switching element in dependence on a selected one
  • the conversion device is further configured to close the third switching element and the fourth switching element in a fifth operating mode. This will be the third
  • connection element and the fourth connection element electrically connected to each other at the machine connection.
  • a connected electric machine can be switched into an active short circuit in this operating mode.
  • the voltage converter can also open in a further operating mode, the third switching element and the fourth switching element, in order to switch a connected electric machine in the operating mode of the freewheel.
  • Phase voltage an alternating voltage, in particular a sinusoidal voltage between the potential of the third terminal element and a, from the operating mode and a predetermined PWM ratio
  • the invention determines
  • the step of selecting the operation mode selects the operation mode using the detected DC voltage and / or the detected phase voltage.
  • the present invention includes a
  • the electric drive system may further comprise an electrical machine with a phase connection, wherein the phase connection with the
  • the electric drive system may include an electrical energy storage, which is electrically coupled to the DC voltage terminal of the voltage converter.
  • the electric machine is a multi-phase electric machine, in particular an at least two-phase machine.
  • the electric drive system comprises at least one voltage converter for each phase of the electric machine.
  • the electrical drive system may comprise a plurality of voltage converters connected in parallel for each phase of an electrical machine.
  • the present invention includes a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a circuit arrangement of a voltage converter according to an exemplary embodiment; a schematic representation of an electric drive system with a voltage converter according to an embodiment; a schematic representation of an electric drive system with a voltage converter according to another embodiment; a schematic representation of an electric drive system with a voltage converter according to yet another embodiment; a schematic representation of a motor vehicle with an electric drive system according to an embodiment; and a schematic representation of a method for converting an electrical voltage, as it is based on an embodiment.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a circuit arrangement for a voltage converter 1, as it is based on an embodiment.
  • the voltage converter 1 comprises a DC voltage connection 11, a machine connection 12, a conversion device 13 and a
  • the DC voltage terminal 11 may be connected to a DC voltage source 2, for example a battery.
  • a first connection element AI with a pole of the DC voltage source. 2 connected and a second connection point A2 with the other pole of the
  • the voltage converter 1 has a machine connection 12 with a third connection element A3 and a fourth connection element A4.
  • the two connection elements A3 and A4 of the machine connection 12 can be connected to the phase connections of an electrical machine 3.
  • the voltage converter 1 further comprises a conversion device 13 with the four switching elements Sl to S4, as well as an inductance L.
  • the switching elements S1 to S4 may be
  • semiconductor switches Tl to T4 act, which is preferably a freewheeling diode Dl to D4 connected in parallel.
  • a semiconductor switch for example, thyristors, bipolar transistors with an insulated gate (IGBT) or MOSFET are possible.
  • IGBT insulated gate
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor
  • SiC silicon carbide switches
  • super junction MOSFETs are particularly suitable for high switching frequencies, in which switching frequencies of 20 kHz and more can be realized with only very low switching losses.
  • the first switching element Sl is arranged between the first connection element AI of the DC voltage terminal 11 and a first node Kl.
  • the second switching element S2 is between this first
  • the fourth switching element S4 is arranged between the second node K2 and the fourth connection element A4 of the machine connection 12.
  • DC terminal 11 and the fourth terminal A4 of the machine terminal 12 can also be electrically connected to each other and are preferably at the reference potential of
  • the control device 14 can be designed to
  • control device 14 Based on these control signals and / or set values, the control device 14 outputs switching signals to the switching elements S1 to S4 in order to open or close the corresponding switching elements S1 to S4.
  • the control signals or desired values can be provided to the control device 14 via analog or digital signals.
  • the corresponding control signals or setpoint values can be transmitted via a bus system and received by the control device 14.
  • control device 14 can also receive measured values via the voltage at the DC voltage connection 11 and / or at the machine connection 12. For example, this voltage sensors 15, 16 am
  • existing sensors can transmit their measured values to the
  • Control device 14 transmitted to provide information about the voltage at the DC voltage port 11 and / or at the machine port 12 of the control device 14.
  • the voltage converter 1 operates as a combined boost converter inverter.
  • Control machine connection 12 In boost converter mode, the maximum value, that is to say the amplitude of the voltage at the machine connection 12, is greater than the DC voltage which is present at the DC voltage connection 11.
  • the first switching element Sl is controlled by the control device 14 such that it is permanently closed. Furthermore, the second
  • the third switching element S3 is called activated active rectifier, so that flows through the freewheeling diode D3 and possibly also by the semiconductor switch T3, the current only in one direction.
  • the fourth switching element S4 is driven with a predetermined switching frequency. In this case, according to the pulse width modulation principle, the voltage on the side of the machine connection 12 is set in accordance with the duty cycle. It exists between
  • T is the period of the predetermined switching frequency f with which the control device 14 controls the fourth switching element S4 and t e m respectively the period of time within a period T, during which the switching element S4 is closed.
  • T is the period of the predetermined switching frequency f with which the control device 14 controls the fourth switching element S4 and t e m respectively the period of time within a period T, during which the switching element S4 is closed.
  • Input voltage Ul can be achieved.
  • the voltage converter 1 operates as a combined buck converter inverter.
  • the voltage applied to the DC voltage terminal 11 DC voltage is thereby reduced and simultaneously converted into a voltage which is suitable to drive an electrical machine on the machine connection 12.
  • the maximum value that is to say the amplitude of the voltage at the machine terminal 12, is smaller than the DC voltage which is applied to the DC voltage terminal 11.
  • the third switching element S3 is permanently closed and the fourth switching element S4 permanently open.
  • the second switching element S2 is driven as an active rectifier, which allows only a current flow in one direction in this mode.
  • Machine connection 12 sets the desired output voltage U2.
  • the ratio of output voltage U2 to input voltage Ul is as follows:
  • a DC voltage is converted to the DC voltage terminal 11 in a voltage for driving an electric machine 3
  • the voltage U2 which is provided by the electric machine 3 at the machine terminal 12, may vary and be greater or smaller than the DC voltage to be provided at the DC voltage terminal 11, there to feed an electrical energy storage 2 and, for example, to charge a battery.
  • the first switching element Sl operates as an active rectifier, which transmits the current in one direction only, and the second switching element S2 is clocked at a predetermined switching frequency.
  • a voltage Ul is established at the DC voltage terminal 11 according to the following formula:
  • the voltage converter 1 operates in a further operating mode as a combined rectifier and step-down converter.
  • the first switching element Sl permanently closed and the second switching element permanently open.
  • Switching element Sl and S2 open and the third switching element S3 and the fourth switching element S4 closed.
  • the third connection element A3 and the fourth connection element A4 are electrically connected to one another at the machine connection 12, and thus the phase connections of the electrical machine 3 are short-circuited.
  • the control of the switching elements Sl to S4 of the conversion device 13 of the voltage converter 1 by the control device 14 based on the formula described above can take place by means of a suitable microcontroller.
  • the duty cycle of the switching elements S1 to S4 to be switched can take place via suitable mathematical algorithms.
  • Control device 14 are relieved.
  • the switching frequency with which the switch elements S 1 to S 4 are driven can be selected in a very wide frequency range. Analogous to For example, switching frequencies in the range of up to 10 kHz are also possible with conventional inverters. However, relatively low switching frequencies require a relatively large inductance L between the first node K1 and the second node K2. By increasing the switching frequency to frequencies above 20 kHz and more, the required inductance L can be correspondingly reduced. This leads to a further reduction of the required installation space and the weight of the voltage converter. 1
  • Impairment For the use of such high switching frequencies of 20 kHz and more, in particular modern silicon carbide (SiC) switches are advantageous. Such SiC switches have relatively low switching losses even at switching frequencies above 20 kHz. Alternatively, it is also possible to use voltage converters with a super-junction MOSFET, which also have only low switching losses at high switching frequencies.
  • SiC silicon carbide
  • the exemplary embodiment described above describes an electric drive comprising a voltage converter 1, an electrical energy store 2 and a single-phase electric machine 3.
  • the voltage converter 1 can also be used for electric drives with multi-phase electrical machines 3.
  • circuit configurations for a three-phase electric machine 3 are executed.
  • the choice of three phases for a multi-phase electric machine 3 serves only for illustrative purposes.
  • electrical machines with any other number of phases are also possible.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a circuit concept of a three-phase electric machine 3 with mass star point.
  • Each of the three phases LI, L2, L3 is electrically connected to a connection element, for example the third connection element A3 of the machine connection 12 of a previously described conversion device 13.
  • the respective other connection element, that is, for example, the fourth connection element A4 is electrically connected to the reference potential.
  • the star point of the electric machine 3 is also also with the reference potential electrically connected.
  • On the DC side are all
  • Conversion devices 13 can from a common
  • Control device 14 are controlled. Moreover, it is also possible that a separate control device 14 is present for each phase.
  • FIG. 3 shows a further schematic illustration of an electric drive with a three-phase electrical machine 3.
  • a three-phase system structure with a virtual mass star point is shown. That is, the windings of all phases of the electric machine 3 are electrically connected to each other at the neutral point. However, this star point is not electrically connected to a reference potential. Otherwise, the structure of the electric drive with virtual mass star point is analogous to the structure of the electric drive with mass star point, in which the
  • Mass star point is at reference potential.
  • Figure 4 shows a schematic representation of an electric drive with a three-phase electric machine in delta connection.
  • the windings of the electric machine 3 are each connected between two phase terminals of the electric machine 3.
  • the structure of the electrical energy source 2 and the voltage converter 1 used is analogous to the embodiments described above.
  • Figure 5 shows a schematic representation of a motor vehicle with an electric drive. The electric drive from electrical energy storage 2, the voltage converters 1 and the electric machine 3 can be carried out, for example, according to one of the embodiments described above.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a flowchart on which a method 100 for converting an electrical voltage according to an exemplary embodiment is based.
  • a step 110 first a previously described voltage converter 1 is provided. Subsequently, an operation mode is selected in step 120. In this mode of operation it can For example, the above-described operating modes boost converter inverter, the buck converter inverter, boost converter rectifier, buck converter rectifier act.
  • the safe operating mode in the form of an active short circuit or free-running mode is possible.
  • step 130 the voltage converter 1 is driven in dependence on the selected operating mode.
  • the selection of the operating mode can, in accordance with the previously received setpoint specifications for a torque of the electric
  • an electrical current in the phase or phases of the electric machine 3 can be predetermined, which is to be set by providing the output voltage at the motor terminal 12 of the voltage converter. If the electric machine 3 is to be decelerated in order, for example, to decelerate an electrically driven motor vehicle, a corresponding braking torque can also be preset. Furthermore, the operating mode of the active short circuit or of the freewheeling mode can also be specified for setting a safe operating mode. Furthermore, the
  • DC voltage connection 11 can be determined. In this way it is in particular possible to determine whether the voltage converter 1 in
  • step 115 the size of the DC voltage at the DC voltage terminal 11 of the voltage converter 1 can be determined. Additionally or alternatively, the size of the phase voltage at the motor terminal 12 of the voltage converter 1 can be determined. Based on the determined voltages, the operating mode can then be determined in step 130 using the determined DC voltage and / or the determined
  • Phase voltage can be selected.
  • the present invention relates to a bidirectional voltage converter.
  • the voltage converter comprises at least four operating modes for converting a DC voltage into a voltage for controlling an electrical machine or for converting a
  • Voltage is smoothed and provided with significantly reduced noise component than with conventional current regulators.
  • the circuit construction in particular allows operation with high switching frequencies. Thus, the switching frequency can be shifted to an area beyond the human hearing range. In addition, high switching frequencies also allow one

Abstract

The present invention provides a bidirectional voltage converter. The voltage converter comprises at least four modes of operation for converting a DC voltage into a voltage for actuating an electric machine or for converting a generator voltage into a DC voltage. In this case, the respective converted voltage is smoothed and is provided so as to have a much lower noise component than in the case of conventional power controllers. The circuit design particularly allows operation at high switching frequencies. Hence, the switching frequency can be moved to a range outside the range of human hearing. Furthermore, high switching frequencies also allow a reduction in weight and required installation space for the voltage converter.

Description

Beschreibung Titel  Description title
HOCH TIEFSETZSTELLER ALS PHASENUMRICHTER FÜR ELEKTRISCHE MASCHINE HIGH RESILIARY AS A PHASE CONVERTER FOR ELECTRICAL MACHINE
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungskonverter und ein Verfahren zum Konvertieren einer elektrischen Spannung. The present invention relates to a voltage converter and a method for converting an electrical voltage.
Elektrische Antriebssysteme, wie sie zum Beispiel in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen verwendet werden, können beispielsweise von einer Electric drive systems, as used for example in electrically powered vehicles, for example, from a
Gleichspannungsquelle, wie einer Hochleistungs-Traktionsbatterie gespeist werden. Die von dieser Batterie bereitgestellte Gleichspannung muss dabei mittels eines Spannungskonverters (Inverter) in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung konvertiert werden, um an der elektrischen Maschine das gewünschte Drehmoment erzeugen zu können. Aktuelle Inverter für elektrische Antriebssysteme verwenden hierbei das Prinzip der Pulsbreitenmodulation (PWM) über Thyristor-, IGBT- oder MOSFET-Leistungs-Halbbrücken mit einer entsprechenden Anzahl von zu realisierenden Phasen. Durch Modulation des Tastverhältnisses der zu den Phasen zugeordneten Halbbrücken wird im Zusammenspiel mit den Motorinduktivitäten ein Stromwert durch die DC power source, such as a high-power traction battery are fed. The DC voltage provided by this battery must be converted by means of a voltage converter (inverter) into a single-phase or multi-phase AC voltage in order to be able to generate the desired torque on the electric machine. Current inverters for electric drive systems in this case use the principle of pulse width modulation (PWM) via thyristor, IGBT or MOSFET power half-bridges with a corresponding number of phases to be realized. By modulating the duty cycle of the half-bridges assigned to the phases, in conjunction with the motor inductances, a current value through the
Maschinenwicklungen erzeugt, der im Maschinenrotor ein entsprechendes Moment hervorruft. Durch eine geeignete Ansteuerung der Halbbrücken können somit Ansteuermuster mit Drehfeldcharakter mit variablen Grundfrequenzen, Phasenbeziehungen und Modulationsgraden erzeugt werden. Aufgrund der Einbeziehung der Motorinduktivität erreicht man damit eine Anordnung mit geringer Anzahl von Bauelementen bei hohem Wirkungsgrad. Machine windings generated, which causes a corresponding moment in the machine rotor. By a suitable control of the half bridges thus driving pattern can be generated with rotating field character with variable fundamental frequencies, phase relationships and modulation degrees. Due to the inclusion of the motor inductance is achieved so that an arrangement with a low number of components with high efficiency.
Bei derartigen Schaltungstopologien wird von dem Inverter ein In such circuit topologies is of the inverter
pulsbreitenmoduliertes Signal zu der elektrischen Maschine geführt. Zur Vermeidung elektromagnetischer Störungen müssen die dabei empfangenen Kabelverbindungen ausreichend abgeschirmt werden. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften und der Verlustleistungsgrenze der verwendeten Schaltelemente in den aktuellen Invertern sind die PWM-Schaltfrequenzen typischerweise auf niedere Frequenzen im Hörbereich des Menschen (bis zu 20 kHz) begrenzt. Pulse width modulated signal led to the electric machine. To avoid electromagnetic interference, the cable connections received must be sufficiently shielded. Due to the physical characteristics and power dissipation limit of the switching elements used in the current inverters, the PWM switching frequencies are typically limited to lower frequencies in the human hearing range (up to 20kHz).
Die Deutsche Patentanmeldung DE 10 2013 201 538 AI offenbart ein The German patent application DE 10 2013 201 538 AI discloses a
Wechselrichtersystem zur Reduzierung von unerwünschten Nebengeräuschen, die aufgrund einer PWM-Ansteuerung in einem Elektrofahrzeug entstehen. Hierzu wird der Elektromotor mit einem optimierten, pseudozufälligen Inverter system to reduce unwanted noise caused by PWM control in an electric vehicle. For this purpose, the electric motor with an optimized, pseudo-random
Periodenraster angesteuert. Periodic grid activated.
Das Spannungsangebot eines konventionellen Inverters ist dabei in der Regel zunächst auf die momentane Batterie- oder Quellenspannung begrenzt. Sind höhere Spannungen, beispielsweise zur Erweiterung des Drehzahlbereichs erforderlich, so muss die Gleichspannung über eine Hochsetzsteller-Schaltung angepasst werden. The voltage supply of a conventional inverter is usually initially limited to the current battery or source voltage. If higher voltages are required, for example, to expand the speed range, then the DC voltage must be adjusted via a step-up converter circuit.
Es besteht ein Bedarf nach einer effizienten und kostengünstigen There is a need for an efficient and cost effective one
Spannungskonvertierung, die dazu geeignet ist, eine elektrische Maschine anzusteuern. Voltage conversion suitable for driving an electric machine.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Hierzu schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt einen To this end, according to one aspect, the present invention provides a
Spannungskonverter mit einem Gleichspannungsanschluss, der ein erstes Anschlusselement und ein zweites Anschlusselement umfasst; einem A voltage converter having a DC voltage terminal comprising a first terminal member and a second terminal member; one
Maschinenanschluss, der ein drittes Anschlusselement und ein viertes Machine connection, which has a third connection element and a fourth
Anschlusselement umfasst; einer Konvertierungsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement in eine Phasenspannung für eine elektrische Connection element comprises; a conversion device, which is adapted to a DC voltage between the first connection element and the second connection element in a phase voltage for an electrical
Maschine zu konvertieren und die konvertierte Phasenspannung zwischen dem dritten Anschlusselement und dem vierten Anschlusselement bereitzustellen, und die ferner dazu auslegt ist, eine von der elektrischen Maschine zwischen dem dritten Anschlusselement und dem vierten Anschlusselement bereitgestellte Phasenspannung in eine vorbestimmte Gleichspannung zu konvertieren und die konvertierte Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement bereitzustellen; wobei die Konvertierungsvorrichtung in einem ersten Betriebsmodus die Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement in eine Phasenspannung konvertiert, deren Maximalwert größer ist als die Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement, in einem zweiten Betriebsmodus die Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement in eine Phasenspannung konvertiert, deren Maximalwert kleiner ist als die Gleichspannung zwischen dem ersten Machine to convert and provide the converted phase voltage between the third terminal and the fourth terminal, and is further configured to convert a provided by the electric machine between the third terminal and the fourth terminal phase voltage in a predetermined DC voltage and the DC voltage converted between to provide the first connection element and the second connection element; the conversion device in a first operating mode, the DC voltage between the first terminal element and the second terminal element is converted into a phase voltage whose maximum value is greater than the DC voltage between the first terminal element and the second terminal element, in a second operating mode the DC voltage between the first terminal element and the second terminal element in FIG converts a phase voltage whose maximum value is smaller than the DC voltage between the first
Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement, in einem dritten Terminal element and the second connection element, in a third
Betriebsmodus die Phasenspannung zwischen dem dritten Anschlusselement und dem vierten Anschlusselement in die vorbestimmte Gleichspannung konvertiert, wobei der Maximalwert der Phasenspannung kleiner ist als die vorbestimmte Gleichspannung, und in einem vierten Betriebsmodus die Operating mode converts the phase voltage between the third terminal and the fourth terminal into the predetermined DC voltage, wherein the maximum value of the phase voltage is smaller than the predetermined DC voltage, and in a fourth mode of operation
Phasenspannung zwischen dem dritten Anschlusselement und dem vierten Anschlusselement in die vorbestimmte Gleichspannung konvertiert, wobei der Maximalwert der Phasenspannung größer ist als die vorbestimmte Phase voltage between the third terminal and the fourth terminal element converted into the predetermined DC voltage, wherein the maximum value of the phase voltage is greater than the predetermined
Gleichspannung. DC.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Konvertieren einer elektrischen Spannung mit den Schritten des In another aspect, the present invention provides a method of converting electrical voltage with the steps of
Bereitstellens eines erfindungsgemäßen Spannungskonverters; des Auswählens eines Betriebsmodus; und des Ansteuerns des Spannungskonverters in Providing a voltage converter according to the invention; selecting an operating mode; and driving the voltage converter in
Abhängigkeit von dem ausgewählten Betriebsmodus. Dependence on the selected operating mode.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, einen Spannungskonverter zwischen einer Gleichspannungsquelle und einer elektrischen Maschine derart It is an idea of the present invention to provide a voltage converter between a DC voltage source and an electrical machine
auszuführen, dass eine bidirektionale Spannungskonvertierung zwischen beiden Seiten erfolgen kann. Gleichzeitig stellt der erfindungsgemäße execute that a bidirectional voltage conversion between both sides can take place. At the same time provides the invention
Spannungskonverter sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung jeweils Hoch- bzw. Tiefsetzfunktionalitäten bereit. Auf diese Weise wird ein kompakter und sehr effizienter Spannungskonverter für einen sehr breiten Einsatzbereich bereitgestellt. Durch die Integration von Hoch- und Tiefsetzstellerfunktionalitäten zur Voltage converters in both the forward and in the reverse direction each Hoch- or Tiefsetzfunktionalitäten ready. This provides a compact and highly efficient voltage converter for a very wide range of applications. Through the integration of up- and down-converter functionality for
Erweiterung des Spannungsniveaus der Quellspannung kann der Extension of the voltage level of the source voltage can be
Spannungskonverter in einem sehr breiten Anwendungsfeld eingesetzt werden. Auf diese Weise sind Ausgangsspannungen über den gesamten Voltage converters can be used in a very wide range of applications. In this way, output voltages are over the entire
Betriebsspannungsbereich bis hin zu einer minimalen Spannung von 0 Volt möglich. Dies ermöglicht den Betrieb einer elektrischen Maschine in einem sehr weiten Drehzahlbereich aufgrund der hohen Variabilität der Ausgangsspannung des Spannungskonverters unabhängig von der Quellenspannung der Operating voltage range up to a minimum voltage of 0 volts possible. This allows the operation of an electric machine in a very wide speed range due to the high variability of the output voltage of the voltage converter, regardless of the source voltage of
Gleichspannungsquelle. DC voltage source.
Die bidirektionale Spannungskonvertierung in Kombination mit dem Hoch- bzw. Tiefsetzen des Spannungsniveaus erlaubt es auch, die kinetische Energie während eines Abbremsvorgangs mittels einer generatorisch wirkenden elektrischen Maschine in eine Gleichspannungsbatterie zurückzuspeisen. Dabei kann insbesondere aufgrund der integrierten Hochsetzstellerfunktionalität auch bei geringen Ausgangsspannungen der generatorisch wirkenden elektrischen Maschine noch eine Rückspeisung der Energie in die Batterie erfolgen. Somit kann während Bremsvorgängen eine besonders effiziente Rückgewinnung der kinetischen Energie erfolgen. The bidirectional voltage conversion in combination with the stepping up or down of the voltage level also allows the kinetic energy to be fed back into a DC battery during a deceleration process by means of a regenerative electric machine. In this case, in particular due to the integrated boost converter functionality, even with low output voltages of the regenerative electric machine, there is still a return of the energy into the battery. Thus, during braking, a particularly efficient recovery of kinetic energy can take place.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Konvertierungsvorrichtung ein erstes Schaltelement, das zwischen dem ersten Anschlusspunkt und einem ersten Knotenpunkt angeordnet ist und ein zweites Schaltelement, das zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Anschlusselement angeordnet ist. Die Konvertierungsvorrichtung umfasst ferner ein drittes Schaltelement, das zwischen dem dritten Anschlusselement und einem zweiten Knotenpunkt angeordnet ist und ein viertes Schaltelement, das zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem vierten Anschlusselement angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Konvertierungsvorrichtung eine Induktivität, die zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Knotenpunkt angeordnet ist. Durch die Integration einer Induktivität in der Konvertierungsvorrichtung ist es nicht weiter erforderlich, die Motorinduktivität für die Spannungskonvertierung mit einzubeziehen. Somit kann die Spannungskonvertierung vollständig innerhalb der According to one embodiment, the conversion device comprises a first switching element, which is arranged between the first connection point and a first node, and a second switching element, which is arranged between the first node point and the second connection element. The conversion device further includes a third switching element disposed between the third terminal and a second node and a fourth switching element disposed between the second node and the fourth terminal. Furthermore, the conversion device comprises an inductance, which is arranged between the first node and the second node. By integrating an inductance in the conversion device, it is not necessary to include the motor inductance for the voltage conversion. Thus, the voltage conversion completely within the
Konvertierungsvorrichtung erfolgen. Daher liegt am Maschinenanschluss des Spannungskonverters ein störungsfreies, oder zumindest deutlich störungsärmeres Ausgangssignal an. Eine Abschirmung der elektrischen Verbindung zwischen Maschinenanschluss des Spannungskonverters und elektrischer Maschine ist daher in der Regel nicht erforderlich. Am Conversion device done. Therefore, there is a trouble-free, or at least clearly, at the machine connection of the voltage converter poorer output signal on. A shielding of the electrical connection between the machine connection of the voltage converter and electrical machine is therefore generally not required. At the
Maschinenanschluss des Spannungskonverters liegt vielmehr eine bereits geglättete Ausgangsspannung mit der Maschinen-Grundfrequenz bereit. Machine connection of the voltage converter is rather an already smoothed output voltage with the machine base frequency ready.
Vorzugsweise wird die Konvertierungsvorrichtung mit einer Schaltfrequenz von mindestens 20 kHz betrieben. Derartige Schaltfrequenzen liegen oberhalb des menschlichen Hörbereichs. Somit kann die akustische Beeinträchtigung durch hörbare Schwingungen vermieden oder sie wird zumindest signifikant herabgesetzt werden. Weiterhin erlauben derart hohe Schaltfrequenzen eine Miniaturisierung des Schaltungsaufbaus. Insbesondere die verwendeten Induktivitäten können bei höheren Schaltfrequenzen kleiner ausgeführt werden. Preferably, the conversion device is operated at a switching frequency of at least 20 kHz. Such switching frequencies are above the human audible range. Thus, the acoustic interference by audible vibrations can be avoided or at least significantly reduced. Furthermore, such high switching frequencies allow miniaturization of the circuitry. In particular, the inductances used can be made smaller at higher switching frequencies.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Spannungskonverter ferner eine Steuervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, das erste, das zweite, das dritte und das vierte Schaltelement in Abhängigkeit von einem ausgewählten According to one embodiment, the voltage converter further comprises a control device, which is adapted to the first, the second, the third and the fourth switching element in dependence on a selected one
Betriebsmodus anzusteuern. Dies ermöglicht die flexible Ansteuerung des Spannungskonverters in allen Betriebsmodi. To control operating mode. This allows flexible control of the voltage converter in all operating modes.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Konvertierungsvorrichtung ferner dazu ausgelegt, in einem fünften Betriebsmodus das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement zu schließen. Hierdurch werden das dritte According to another embodiment, the conversion device is further configured to close the third switching element and the fourth switching element in a fifth operating mode. This will be the third
Anschlusselement und das vierte Anschlusselement am Maschinenanschluss elektrisch miteinander verbunden. Somit kann eine angeschlossene elektrische Maschine in diesem Betriebsmodus in einen aktiven Kurzschluss geschaltet werden. Der Spannungskonverter kann darüber hinaus auch in einem weiteren Betriebsmodus das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement öffnen, um eine angeschlossene elektrische Maschine in den Betriebsmodus des Freilaufs zu schalten. Connection element and the fourth connection element electrically connected to each other at the machine connection. Thus, a connected electric machine can be switched into an active short circuit in this operating mode. The voltage converter can also open in a further operating mode, the third switching element and the fourth switching element, in order to switch a connected electric machine in the operating mode of the freewheel.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zwischen dem dritten According to another embodiment, that between the third
Anschlusselement und dem vierten Anschlusselement bereitgestellte Connection element and the fourth connection element provided
Phasenspannung eine Wechselspannung, insbesondere eine sinusförmige Spannung zwischen dem Potential des dritten Anschlusselements und einem, aus den Betriebsmodus und einem vorbestimmten PWM-Verhältnis Phase voltage an alternating voltage, in particular a sinusoidal voltage between the potential of the third terminal element and a, from the operating mode and a predetermined PWM ratio
resultierenden Maximalpotential des vierten Anschlusselements. resulting maximum potential of the fourth connection element.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ermittelt das erfindungsgemäße According to another embodiment, the invention determines
Verfahren an dem Gleichspannungsanschluss des Spannungskonverters eine Gleichspannung und/oder an dem Motoranschluss des Spannungskonverters eine Phasenspannung. Der Schritt zum Auswählen des Betriebsmodus wählt daraufhin den Betriebsmodus unter Verwendung der ermittelten Gleichspannung und/oder der ermittelten Phasenspannung aus. Method at the DC voltage terminal of the voltage converter, a DC voltage and / or at the motor terminal of the voltage converter, a phase voltage. The step of selecting the operation mode then selects the operation mode using the detected DC voltage and / or the detected phase voltage.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein In another aspect, the present invention includes a
elektrisches Antriebssystem mit einem erfindungsgemäßen Spannungskonverter. Das elektrische Antriebssystem kann ferner eine elektrische Maschine mit einem Phasenanschluss umfassen, wobei der Phasenanschluss mit dem electric drive system with a voltage converter according to the invention. The electric drive system may further comprise an electrical machine with a phase connection, wherein the phase connection with the
Maschinenanschluss des Spannungskonverters elektrisch gekoppelt ist. Ferner kann das elektrische Antriebssystem einen elektrischen Energiespeicher umfassen, der mit dem Gleichspannungsanschluss des Spannungskonverters elektrisch gekoppelt ist. Machine connection of the voltage converter is electrically coupled. Further, the electric drive system may include an electrical energy storage, which is electrically coupled to the DC voltage terminal of the voltage converter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Maschine eine mehrphasige elektrische Maschine, insbesondere eine mindestens zweiphasige Maschine. Das elektrische Antriebssystem umfasst in diesem Fall für jede Phase der elektrischen Maschine mindestens einen Spannungskonverter. According to a further embodiment, the electric machine is a multi-phase electric machine, in particular an at least two-phase machine. In this case, the electric drive system comprises at least one voltage converter for each phase of the electric machine.
Gemäß einer Ausführungsform kann das elektrische Antriebssystem für jede Phase einer elektrischen Maschine eine Mehrzahl von parallelgeschalteten Spannungskonvertern umfassen. According to one embodiment, the electrical drive system may comprise a plurality of voltage converters connected in parallel for each phase of an electrical machine.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein In another aspect, the present invention includes a
Kraftfahrzeug, Flugzeug oder Schiff mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem. Motor vehicle, aircraft or ship with an electric drive system according to the invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnun Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen: eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung eines Spannungskonverters gemäß einem Ausführungsbeispiel; eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Spannungskonverter gemäß einem Ausführungsbeispiel; eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Spannungskonverter gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Spannungskonverter gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel; eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Antriebssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel; und eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Konvertieren einer elektrischen Spannung, wie es einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt. Short description of the drawing Further embodiments and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings. 1 shows a schematic representation of a circuit arrangement of a voltage converter according to an exemplary embodiment; a schematic representation of an electric drive system with a voltage converter according to an embodiment; a schematic representation of an electric drive system with a voltage converter according to another embodiment; a schematic representation of an electric drive system with a voltage converter according to yet another embodiment; a schematic representation of a motor vehicle with an electric drive system according to an embodiment; and a schematic representation of a method for converting an electrical voltage, as it is based on an embodiment.
Beschreibung von Ausführungsformen Description of embodiments
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für einen Spannungskonverter 1, wie er einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt.Figure 1 shows a schematic representation of a circuit arrangement for a voltage converter 1, as it is based on an embodiment.
Der Spannungskonverter 1 umfasst einen Gleichspannungsanschluss 11, einen Maschinenanschluss 12, eine Konvertierungsvorrichtung 13 und eine The voltage converter 1 comprises a DC voltage connection 11, a machine connection 12, a conversion device 13 and a
Steuervorrichtung 14. Der Gleichspannungsanschluss 11 kann mit einer Gleichspannungsquelle 2, beispielsweise einer Batterie, verbunden sein. Dabei ist ein erstes Anschlusselement AI mit einem Pol der Gleichspannungsquelle 2 verbunden und ein zweiter Anschlusspunkt A2 mit dem anderen Pol der Control device 14. The DC voltage terminal 11 may be connected to a DC voltage source 2, for example a battery. In this case, a first connection element AI with a pole of the DC voltage source. 2 connected and a second connection point A2 with the other pole of the
Gleichspannungsquelle verbunden. Ferner verfügt der Spannungskonverter 1 über einen Maschinenanschluss 12 mit einem dritten Anschlusselement A3 und einem vierten Anschlusselement A4. In dem hier dargestellten einphasigen Ausführungsbeispiel können die beiden Anschlusselemente A3 und A4 des Maschinenanschlusses 12 mit den Phasenanschlüssen einer elektrischen Maschine 3 verbunden werden. Der Spannungskonverter 1 umfasst ferner eine Konvertierungsvorrichtung 13 mit den vier Schaltelementen Sl bis S4, sowie einer Induktivität L. Bei den Schaltelementen Sl bis S4 kann es sich DC voltage source connected. Furthermore, the voltage converter 1 has a machine connection 12 with a third connection element A3 and a fourth connection element A4. In the single-phase embodiment shown here, the two connection elements A3 and A4 of the machine connection 12 can be connected to the phase connections of an electrical machine 3. The voltage converter 1 further comprises a conversion device 13 with the four switching elements Sl to S4, as well as an inductance L. The switching elements S1 to S4 may be
beispielsweise um Halbleiterschalter Tl bis T4 handeln, denen vorzugsweise eine Freilaufdiode Dl bis D4 parallelgeschaltet ist. Als Halbleiterschalter sind beispielsweise Thyristoren, bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate (IGBT) oder MOSFET möglich. Für hohe Schaltfrequenzen sind dabei insbesondere Siliziumkarbit-Schalter (SiC) oder Super-Junction-MOSFET besonders geeignet, in denen sich auch Schaltfrequenzen von 20 kHz und mehr bei nur sehr geringen Schaltverlusten realisieren lassen. For example, semiconductor switches Tl to T4 act, which is preferably a freewheeling diode Dl to D4 connected in parallel. As a semiconductor switch, for example, thyristors, bipolar transistors with an insulated gate (IGBT) or MOSFET are possible. In particular silicon carbide switches (SiC) or super junction MOSFETs are particularly suitable for high switching frequencies, in which switching frequencies of 20 kHz and more can be realized with only very low switching losses.
Das erste Schaltelement Sl ist dabei zwischen dem ersten Anschlusselement AI des Gleichspannungsanschlusses 11 und einem ersten Knotenpunkt Kl angeordnet. Das zweite Schaltelement S2 ist zwischen diesem ersten The first switching element Sl is arranged between the first connection element AI of the DC voltage terminal 11 and a first node Kl. The second switching element S2 is between this first
Knotenpunkt Kl und dem zweiten Anschlusselement AI des Node Kl and the second terminal AI of
Gleichspannungsanschlusses 11 angeordnet. Weiterhin ist das dritte DC voltage terminal 11 is arranged. Furthermore, the third one
Schaltelement S3 zwischen dem dritten Anschlusselement A3 des Switching element S3 between the third connection element A3 of the
Maschinenanschlusses 12 und einem zweiten Knotenpunkt K2 angeordnet. Das vierte Schaltelement S4 ist zwischen dem zweiten Knotenpunkt K2 und dem vierten Anschlusselement A4 des Maschinenanschlusses 12 angeordnet. Machine connection 12 and a second node K2 arranged. The fourth switching element S4 is arranged between the second node K2 and the fourth connection element A4 of the machine connection 12.
Zwischen dem ersten Knotenpunkt Kl und dem zweiten Knotenpunkt K2 ist eine Induktivität L angeordnet. Der zweite Anschlusspunkt A2 des Between the first node Kl and the second node K2, an inductance L is arranged. The second connection point A2 of the
Gleichspannungsanschlusses 11 und das vierte Anschlusselement A4 des Maschinenanschlusses 12 können ebenfalls elektrisch miteinander verbunden werden und liegen vorzugsweise auf dem Bezugspotential des DC terminal 11 and the fourth terminal A4 of the machine terminal 12 can also be electrically connected to each other and are preferably at the reference potential of
Spannungskonverters 1. ur Ansteuerung der Schaltelemente Sl bis S4 können die Steueranschlüsse ieser Schaltelemente Sl bis S4 mit einer Steuervorrichtung 14 verbunden werden. Die Steuervorrichtung 14 kann dabei dazu ausgelegt werden, Voltage Converter 1. ur control of the switching elements Sl to S4, the control terminals of these switching elements Sl to S4 connected to a control device 14 become. The control device 14 can be designed to
Steuersignale und/oder Sollwerte für den Betrieb der elektrischen Maschine 3 zu empfangen. Basierend auf diesen Steuersignalen und/oder Sollwerten gibt die Steuervorrichtung 14 Schaltsignale an die Schaltelemente Sl bis S4 aus, um die entsprechenden Schaltelemente Sl bis S4 zu öffnen bzw. zu schließen. Die Steuersignale bzw. Sollwerte können dabei über analoge oder digitale Signale an der Steuervorrichtung 14 bereitgestellt werden. Beispielsweise können die entsprechenden Steuersignale oder Sollwerte über ein Bussystem übertragen und von der Steuervorrichtung 14 empfangen werden. Receive control signals and / or setpoints for the operation of the electric machine 3. Based on these control signals and / or set values, the control device 14 outputs switching signals to the switching elements S1 to S4 in order to open or close the corresponding switching elements S1 to S4. The control signals or desired values can be provided to the control device 14 via analog or digital signals. For example, the corresponding control signals or setpoint values can be transmitted via a bus system and received by the control device 14.
Ferner kann die Steuervorrichtung 14 auch Messwerte über die Spannung am Gleichspannungsanschluss 11 und/oder am Maschinenanschluss 12 empfangen. Beispielsweise können hierzu Spannungssensoren 15, 16 am Furthermore, the control device 14 can also receive measured values via the voltage at the DC voltage connection 11 and / or at the machine connection 12. For example, this voltage sensors 15, 16 am
Gleichspannungsanschluss 11 und/oder am Maschinenanschluss 12 angeordnet werden, die die entsprechenden Spannungen ermitteln und die Messwerte der ermittelten Spannungen an die Steuervorrichtung 14 übertragen. Alternativ können auch bereits vorhandene Sensoren ihre Messwerte an die DC voltage connection 11 and / or are arranged on the machine connection 12, which determine the corresponding voltages and transmit the measured values of the determined voltages to the control device 14. Alternatively, existing sensors can transmit their measured values to the
Steuervorrichtung 14 übertragen, um Informationen über die Spannung am Gleichspannungsanschluss 11 und/oder am Maschinenanschluss 12 der Steuervorrichtung 14 bereitzustellen. Control device 14 transmitted to provide information about the voltage at the DC voltage port 11 and / or at the machine port 12 of the control device 14.
Je nach Ansteuerung der Schaltelemente Sl bis S4 in der Depending on the control of the switching elements Sl to S4 in the
Konvertierungsvorrichtung 13 des Spannungskonverters 1 können somit verschiedene Betriebsmodi realisiert werden. In einem ersten Betriebsmodus arbeitet der Spannungskonverter 1 dabei als kombinierter Hochsetzsteller- Wechselrichter. Die am Gleichspannungsanschluss 11 anliegende Conversion device 13 of the voltage converter 1 thus different operating modes can be realized. In a first operating mode, the voltage converter 1 operates as a combined boost converter inverter. The voltage applied to the DC voltage terminal 11
Gleichspannung wird dabei angehoben und gleichzeitig in eine Spannung konvertiert, die dazu geeignet ist eine elektrische Maschine am DC voltage is thereby raised and simultaneously converted into a voltage which is suitable for an electric machine on
Maschienenanschluss 12 anzusteuern. Im Hochsetzstellerbetrieb ist dabei der Maximalwert, also die Amplitude der Spannung am Maschinenanschluss 12 größer als die Gleichspannung, die am Gleichspannungsanschluss 11 anliegt. Control machine connection 12. In boost converter mode, the maximum value, that is to say the amplitude of the voltage at the machine connection 12, is greater than the DC voltage which is present at the DC voltage connection 11.
Hierzu wird das erste Schaltelement Sl durch die Steuervorrichtung 14 derart angesteuert, dass es dauerhaft geschlossen ist. Ferner wird das zweite For this purpose, the first switching element Sl is controlled by the control device 14 such that it is permanently closed. Furthermore, the second
Schaltelement S2 dauerhaft geöffnet. Das dritte Schaltelement S3 wird als aktiver Gleichrichter angesteuert, so dass durch die Freilaufdiode D3 und gegebenenfalls auch durch den Halbleiterschalter T3 der Strom nur in eine Richtung fließt. Das vierte Schaltelement S4 schließlich wird mit einer vorgegebenen Schaltfrequenz angesteuert. Dabei wird gemäß dem Prinzip der Pulsbreitenmodulation entsprechend dem Tastverhältnis die Spannung auf der Seite des Maschinenanschlusses 12 eingestellt. Dabei besteht zwischen Switching element S2 permanently open. The third switching element S3 is called activated active rectifier, so that flows through the freewheeling diode D3 and possibly also by the semiconductor switch T3, the current only in one direction. Finally, the fourth switching element S4 is driven with a predetermined switching frequency. In this case, according to the pulse width modulation principle, the voltage on the side of the machine connection 12 is set in accordance with the duty cycle. It exists between
Eingangsspannung Ul am Gleichspannungsanschluss 11 und Input voltage Ul at the DC voltage terminal 11 and
Ausgangsspannung U2 am Maschinenanschluss 12 die folgende Beziehung:
Figure imgf000012_0001
Output voltage U2 at the machine terminal 12 the following relationship:
Figure imgf000012_0001
Dabei ist T die Periodendauer der vorgegebenen Schaltfrequenz f mit der die Steuervorrichtung 14 das vierte Schaltelement S4 ansteuert und tem jeweils die Zeitspanne innerhalb einer Periodendauer T, während der das Schaltelement S4 geschlossen ist. Wie dabei zu erkennen ist, kann bereits bei einem Tastverhältnis tein : T von 50 % eine Ausgangsspannung U2 in doppelter Höhe der In this case, T is the period of the predetermined switching frequency f with which the control device 14 controls the fourth switching element S4 and t e m respectively the period of time within a period T, during which the switching element S4 is closed. As can be seen, already at a duty cycle tein: T of 50%, an output voltage U2 twice the magnitude of
Eingangsspannung Ul erreicht werden. Input voltage Ul can be achieved.
In einem zweiten Betriebsmodus arbeitet der Spannungskonverter 1 als kombinierter Tiefsetzsteller-Wechselrichter. Die am Gleichspannungsanschluss 11 anliegende Gleichspannung wird dabei verringert und gleichzeitig in eine Spannung konvertiert, die dazu geeignet ist eine elektrische Maschine am Maschinenanschluss 12 anzusteuern. Im Tiefsetzstellerbetrieb ist dabei der Maximalwert, also die Amplitude der Spannung am Maschinenanschluss 12 kleiner als die Gleichspannung, die am Gleichspannungsanschluss 11 anliegt. In a second operating mode, the voltage converter 1 operates as a combined buck converter inverter. The voltage applied to the DC voltage terminal 11 DC voltage is thereby reduced and simultaneously converted into a voltage which is suitable to drive an electrical machine on the machine connection 12. In the buck converter mode, the maximum value, that is to say the amplitude of the voltage at the machine terminal 12, is smaller than the DC voltage which is applied to the DC voltage terminal 11.
Dabei ist das dritte Schaltelement S3 dauerhaft geschlossen und das vierte Schaltelement S4 dauerhaft geöffnet. Das zweite Schaltelement S2 wird als aktiver Gleichrichter angesteuert, das in diesem Modus nur ein Stromfluss in eine Richtung zulässt. Das erste Schaltelement Sl wird schließlich mit der vorbestimmten Schaltfrequenz f = 1/T derart angesteuert, dass sich am In this case, the third switching element S3 is permanently closed and the fourth switching element S4 permanently open. The second switching element S2 is driven as an active rectifier, which allows only a current flow in one direction in this mode. The first switching element Sl is finally driven with the predetermined switching frequency f = 1 / T such that on
Maschinenanschluss 12 die gewünschte Ausgangsspannung U2 einstellt. Dabei ist das Verhältnis von Ausgangsspannung U2 zur Eingangsspannung Ul wie folgt:
Figure imgf000013_0001
Machine connection 12 sets the desired output voltage U2. The ratio of output voltage U2 to input voltage Ul is as follows:
Figure imgf000013_0001
Es ist anhand dieser Formel einfach zu erkennen, dass im Tiefsetzstellermodus die Ausgangsspannung U2 bis auf 0 Volt herabgesenkt werden kann, wenn tem gegen Null geht. It can easily be seen from this formula that in buck converter mode the output voltage U2 can be lowered down to 0 volts when t e m approaches zero.
Neben den zuvor beschriebenen Betriebsmodi, bei denen eine Gleichspannung an dem Gleichspannungsanschluss 11 in eine Spannung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine 3 konvertiert wird, ist ferner auch ein Konvertieren der am Maschinenanschluss 12 anliegenden Spannung einer in Generatorbetrieb betriebenen elektrischen Maschine 3 in eine Gleichspannung mit vorbestimmter Höhe möglich. Die Spannung U2, die von der elektrischen Maschine 3 am Maschinenanschluss 12 bereitgestellt wird, kann dabei variieren und größer oder kleiner sein als die Gleichspannung, die am Gleichspannungsanschluss 11 bereitgestellt werden soll, um dort einen elektrischen Energiespeicher 2 zu speisen und beispielsweise eine Batterie aufzuladen. In addition to the operating modes described above, in which a DC voltage is converted to the DC voltage terminal 11 in a voltage for driving an electric machine 3, is also a converting the voltage applied to the machine terminal 12 voltage of a generator operated electric machine 3 in a DC voltage of predetermined height possible. The voltage U2, which is provided by the electric machine 3 at the machine terminal 12, may vary and be greater or smaller than the DC voltage to be provided at the DC voltage terminal 11, there to feed an electrical energy storage 2 and, for example, to charge a battery.
Ist die Amplitude bzw. der Maximalwert der Spannung U2 am Is the amplitude or the maximum value of the voltage U2 am
Maschinenanschluss 12 des Spannungskonverters 1 kleiner als die zum Machine connection 12 of the voltage converter 1 smaller than that for
Aufladen des elektrischen Energiespeichers 2 erforderliche Gleichspannung Ul, so arbeitet der Spannungskonverter 1 in einem weiteren Betriebsmodus als kombinierter Gleichrichter und Hochsetzsteller. Hierzu ist das dritte Charging the electrical energy storage 2 required DC voltage Ul, so the voltage converter 1 operates in a further operating mode as a combined rectifier and boost converter. This is the third
Schaltelement S3 dauerhaft geschlossen und das vierte Schaltelement S4 dauerhaft geöffnet. Das erste Schaltelement Sl arbeitet als aktiver Gleichrichter, das den Strom nur in eine Richtung durchlässt, und das zweite Schaltelement S2 wird mit einer vorgegebenen Schaltfrequenz getaktet. Somit stellt sich am Gleichspannungsanschluss 11 eine Spannung Ul gemäß folgender Formel ein:
Figure imgf000013_0002
Switching element S3 permanently closed and the fourth switching element S4 permanently open. The first switching element Sl operates as an active rectifier, which transmits the current in one direction only, and the second switching element S2 is clocked at a predetermined switching frequency. Thus, a voltage Ul is established at the DC voltage terminal 11 according to the following formula:
Figure imgf000013_0002
Ist der Maximalwert bzw. die Amplituder der von der elektrischen Maschine 3 bereitgestellten Spannung U2 am Maschinenanschluss 12 größer als die Spannung Ul, mit der der elektrische Energiespeicher 2 aufgeladen werden soll, so arbeitet der Spannungskonverter 1 in einem weiteren Betriebsmodus als kombinierter Gleichrichter und Tiefsetzsteller. Hierzu ist das erste Schaltelement Sl dauerhaft geschlossen und das zweite Schaltelement dauerhaft geöffnet. Das vierte Schaltelement S4 arbeitet als aktiver Gleichrichter, der den Strom nur in eine Richtung durchlässt, während das dritte Schaltelement S3 mit der vorgegebenen Schaltfrequenz f = 1/T getaktet wird. Hiermit stellen sich die Spannungsverhältnisse gemäß der folgenden Formel ein: If the maximum value or the amplitudes of the voltage U2 provided by the electric machine 3 at the machine connection 12 are greater than the voltage U1 with which the electrical energy store 2 is to be charged, the voltage converter 1 operates in a further operating mode as a combined rectifier and step-down converter. For this purpose, the first switching element Sl permanently closed and the second switching element permanently open. The fourth switching element S4 operates as an active rectifier, which only transmits the current in one direction, while the third switching element S3 is clocked at the predetermined switching frequency f = 1 / T. This adjusts the stress ratios according to the following formula:
U1 / U2 = W T. U1 / U2 = W T.
Darüber hinaus ist es mit dem zuvor beschriebenen Spannungskonverter 1 auch möglich, die elektrische Maschine 3 in einen sicheren Betriebszustand, wie den aktiven Kurzschluss oder einen Freilaufmodus zu schalten. Moreover, with the voltage converter 1 described above, it is also possible to switch the electric machine 3 to a safe operating state such as the active short circuit or a freewheeling mode.
Für den aktiven Kurzschluss werden hierzu das erste und das zweite For the active short circuit this will be the first and the second
Schaltelement Sl und S2 geöffnet und das dritte Schaltelement S3 und das vierte Schaltelement S4 geschlossen. Somit sind an dem Maschinenanschluss 12 das dritte Anschlusselement A3 und das vierte Anschlusselement A4 elektrisch miteinander verbunden und damit die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine 3 kurzgeschlossen. Switching element Sl and S2 open and the third switching element S3 and the fourth switching element S4 closed. Thus, the third connection element A3 and the fourth connection element A4 are electrically connected to one another at the machine connection 12, and thus the phase connections of the electrical machine 3 are short-circuited.
Sind dagegen das dritte Schaltelement S3 und das vierte Schaltelement S4 gleichzeitig geöffnet, so befindet sich die elektrische Maschine 3 im On the other hand, if the third switching element S3 and the fourth switching element S4 are open at the same time, then the electric machine 3 is in the
Freilaufmodus. Freewheel mode.
Die Ansteuerung der Schaltelemente Sl bis S4 der Konvertierungsvorrichtung 13 des Spannungskonverters 1 durch die Steuervorrichtung 14 anhand der zuvor beschriebenen Formel kann dabei mittels eines geeigneten Mikrocontrollers erfolgen. Bei entsprechender vorhandener Rechenleistung kann dabei das Tastverhältnis der zu schaltenden Schaltelemente Sl bis S4 über geeignete mathematische Algorithmen erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, die erforderlichen Tastverhältnisse vorab zu berechnen und in einem Speicher der Steuervorrichtung 14 abzuspeichern. Auf diese Weise kann die The control of the switching elements Sl to S4 of the conversion device 13 of the voltage converter 1 by the control device 14 based on the formula described above can take place by means of a suitable microcontroller. With appropriate existing computing power, the duty cycle of the switching elements S1 to S4 to be switched can take place via suitable mathematical algorithms. Alternatively, it is also possible to calculate the required duty cycles in advance and store them in a memory of the control device 14. In this way, the
Steuervorrichtung 14 entlastet werden. Control device 14 are relieved.
Die Schaltfrequenz, mit der die Schalterelemente Sl bis S4 angesteuert werden, kann in einem sehr breiten Frequenzbereich gewählt werden. Analog zu konventionellen Wechselrichtern sind beispielsweise auch Schaltfrequenzen im Bereich bis zu 10 kHz möglich. Relativ niedrige Schaltfrequenzen erfordern jedoch eine relativ große Induktivität L zwischen dem ersten Knotenpunkt Kl und dem zweiten Knotenpunkt K2. Durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz auf Frequenzen oberhalb von 20 kHz und mehr kann die erforderliche Induktivität L entsprechend verkleinert werden. Dies führt zu einer weiteren Reduktion des erforderlichen Bauraums und des Gewichts des Spannungskonverters 1. The switching frequency with which the switch elements S 1 to S 4 are driven can be selected in a very wide frequency range. Analogous to For example, switching frequencies in the range of up to 10 kHz are also possible with conventional inverters. However, relatively low switching frequencies require a relatively large inductance L between the first node K1 and the second node K2. By increasing the switching frequency to frequencies above 20 kHz and more, the required inductance L can be correspondingly reduced. This leads to a further reduction of the required installation space and the weight of the voltage converter. 1
Darüber hinaus führt die Verwendung von Schaltfrequenzen oberhalb des menschlichen Hörbereichs auch zu einer geringeren akustischen In addition, the use of switching frequencies above the human hearing range also leads to a lower acoustic
Beeinträchtigung. Für die Verwendung derart hoher Schaltfrequenzen von 20 kHz und mehr sind insbesondere moderne Siliziumkarbit (SiC)-Schalter vorteilhaft. Derartige SiC-Schalter weisen auch bei Schaltfrequenzen oberhalb von 20 kHz relativ geringe Schaltverluste auf. Alternativ können darüber hinaus auch Spannungskonverter mit Super-Junction MOSFET eingesetzt werden, die ebenfalls bei hohen Schaltfrequenzen nur geringe Schaltverluste aufweisen. Impairment. For the use of such high switching frequencies of 20 kHz and more, in particular modern silicon carbide (SiC) switches are advantageous. Such SiC switches have relatively low switching losses even at switching frequencies above 20 kHz. Alternatively, it is also possible to use voltage converters with a super-junction MOSFET, which also have only low switching losses at high switching frequencies.
Das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel beschreibt für ein besseres Verständnis einen elektrischen Antrieb aus Spannungskonverter 1, elektrischem Energiespeicher 2 und einer einphasigen elektrischen Maschine 3. Darüber hinaus kann der Spannungskonverter 1 auch für elektrische Antriebe mit mehrphasigen elektrischen Maschinen 3 verwendet werden. Im Nachfolgenden sind daher Schaltungskonfigurationen für eine dreiphasige elektrische Maschine 3 ausgeführt. Die Wahl von drei Phasen für eine mehrphasige elektrische Maschine 3 dient dabei nur zu Anschauungszwecken. Darüber hinaus sind auch elektrische Maschinen mit einer beliebigen anderen Anzahl von Phasen ebenso möglich. For a better understanding, the exemplary embodiment described above describes an electric drive comprising a voltage converter 1, an electrical energy store 2 and a single-phase electric machine 3. Moreover, the voltage converter 1 can also be used for electric drives with multi-phase electrical machines 3. In the following, therefore, circuit configurations for a three-phase electric machine 3 are executed. The choice of three phases for a multi-phase electric machine 3 serves only for illustrative purposes. In addition, electrical machines with any other number of phases are also possible.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltungskonzepts einer dreiphasigen elektrischen Maschine 3 mit Massensternpunkt. Jede der drei Phasen LI, L2, L3 ist dabei mit einem Anschlusselement, beispielsweise dem dritten Anschlusselement A3 des Maschinenanschlusses 12 einer zuvor beschriebenen Konvertierungsvorrichtung 13 elektrisch verbunden. Das jeweils andere Anschlusselement, also beispielsweise das vierte Anschlusselement A4 ist mit dem Bezugspotential elektrisch verbunden. Der Sternpunkt der elektrischen Maschine 3 ist darüber hinaus ebenfalls mit dem Bezugspotential elektrisch verbunden. Auf der Gleichspannungsseite werden alle Figure 2 shows a schematic representation of a circuit concept of a three-phase electric machine 3 with mass star point. Each of the three phases LI, L2, L3 is electrically connected to a connection element, for example the third connection element A3 of the machine connection 12 of a previously described conversion device 13. The respective other connection element, that is, for example, the fourth connection element A4 is electrically connected to the reference potential. The star point of the electric machine 3 is also also with the reference potential electrically connected. On the DC side are all
Gleichspannungsanschlüsse 11 von einem gemeinsamen elektrischen DC voltage terminals 11 of a common electrical
Energiespeicher 2 gespeist. Die Schaltelemente aller Energy storage 2 powered. The switching elements of all
Konvertierungsvorrichtungen 13 können dabei von einer gemeinsamen Conversion devices 13 can from a common
Steuervorrichtung 14 angesteuert werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass für jede Phase eine separate Steuervorrichtung 14 vorhanden ist. Control device 14 are controlled. Moreover, it is also possible that a separate control device 14 is present for each phase.
Figur 3 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines elektrischen Antriebs mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine 3. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine dreiphasige Systemstruktur mit einem virtuellen Massensternpunkt dargestellt. Das heißt, die Wicklungen aller Phasen der elektrischen Maschine 3 sind im Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden. Dieser Sternpunkt ist jedoch nicht mit einem Bezugspotential elektrisch verbunden. Ansonsten ist der Aufbau des elektrischen Antriebs mit virtuellen Massensternpunkt analog zu dem Aufbau des elektrischen Antriebs mit Massensternpunkt, bei dem der FIG. 3 shows a further schematic illustration of an electric drive with a three-phase electrical machine 3. In this exemplary embodiment, a three-phase system structure with a virtual mass star point is shown. That is, the windings of all phases of the electric machine 3 are electrically connected to each other at the neutral point. However, this star point is not electrically connected to a reference potential. Otherwise, the structure of the electric drive with virtual mass star point is analogous to the structure of the electric drive with mass star point, in which the
Massensternpunkt auf Bezugspotential liegt.  Mass star point is at reference potential.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebs mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine in Dreieckschaltung. Die Wicklungen der elektrischen Maschine 3 sind dabei jeweils zwischen zwei Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine 3 geschaltet. Darüber hinaus ist der Aufbau der elektrischen Energiequelle 2 sowie der verwendeten Spannungskonverter 1 analog zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen. Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb. Der elektrische Antrieb aus elektrischem Energiespeicher 2, den Spannungskonvertern 1 sowie der elektrischen Maschine 3 kann dabei beispielsweise gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgeführt sein. Figure 4 shows a schematic representation of an electric drive with a three-phase electric machine in delta connection. The windings of the electric machine 3 are each connected between two phase terminals of the electric machine 3. In addition, the structure of the electrical energy source 2 and the voltage converter 1 used is analogous to the embodiments described above. Figure 5 shows a schematic representation of a motor vehicle with an electric drive. The electric drive from electrical energy storage 2, the voltage converters 1 and the electric machine 3 can be carried out, for example, according to one of the embodiments described above.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren 100 zum Konvertieren einer elektrischen Spannung gemäß einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt. In einem Schritt 110 wird zunächst ein zuvor beschriebener Spannungskonverter 1 bereitgestellt. Daraufhin wird in Schritt 120 ein Betriebsmodus ausgewählt. Bei diesem Betriebsmodus kann es sich beispielsweise um die zuvor beschriebenen Betriebsmodi Hochsetzsteller- Wechselrichter, die Tiefsetzsteller-Wechselrichter, Hochsetzsteller-Gleichrichter, Tiefsetzsteller-Gleichrichter handeln. Darüber hinaus ist auch der sichere Betriebsmodus in Form eines aktiven Kurzschluss oder Freilaufmodus möglich. FIG. 6 shows a schematic representation of a flowchart on which a method 100 for converting an electrical voltage according to an exemplary embodiment is based. In a step 110, first a previously described voltage converter 1 is provided. Subsequently, an operation mode is selected in step 120. In this mode of operation it can For example, the above-described operating modes boost converter inverter, the buck converter inverter, boost converter rectifier, buck converter rectifier act. In addition, the safe operating mode in the form of an active short circuit or free-running mode is possible.
Daraufhin wird in Schritt 130 der Spannungskonverter 1 in Abhängigkeit von dem ausgewählten Betriebsmodus angesteuert. Subsequently, in step 130, the voltage converter 1 is driven in dependence on the selected operating mode.
Die Auswahl des Betriebsmodus kann dabei entsprechend zu den zuvor empfangenen Sollwertvorgaben für einen Drehmoment der elektrischen The selection of the operating mode can, in accordance with the previously received setpoint specifications for a torque of the electric
Maschine 3 bestimmt werden. Alternativ kann auch anstelle des Drehmoments ein elektrischer Strom in der oder den Phasen der elektrischen Maschine 3 vorgegeben werden, der durch das Bereitstellen der Ausgangsspannung am Motoranschluss 12 des Spannungskonverters eingestellt werden soll. Soll die elektrische Maschine 3 verzögert werden, um beispielsweise ein elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug abzubremsen, so kann auch ein entsprechendes Bremsmoment vorgegeben werden. Ferner kann auch für das Einstellen eines sicheren Betriebsmodus der Betriebsmodus des aktiven Kurzschlusses oder des Freilaufmodus vorgegeben werden. Ferner können auch die Machine 3 are determined. Alternatively, instead of the torque, an electrical current in the phase or phases of the electric machine 3 can be predetermined, which is to be set by providing the output voltage at the motor terminal 12 of the voltage converter. If the electric machine 3 is to be decelerated in order, for example, to decelerate an electrically driven motor vehicle, a corresponding braking torque can also be preset. Furthermore, the operating mode of the active short circuit or of the freewheeling mode can also be specified for setting a safe operating mode. Furthermore, the
Spannungsverhältnisse am Maschinenanschluss 12 bzw. dem Tension conditions at the machine connection 12 or the
Gleichspannungsanschluss 11 ermittelt werden. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, festzulegen, ob der Spannungskonverter 1 im DC voltage connection 11 can be determined. In this way it is in particular possible to determine whether the voltage converter 1 in
Hochsetzstellermodus oder im Tiefsetzstellermodus betrieben werden soll. Ferner ist somit auch eine präzise Regelung zur Einstellung der Hochsetzstellermodus or to operate in buck converter mode. Furthermore, therefore, a precise regulation for setting the
Spannungsverhältnisse am Gleichspannungsanschluss 11 bzw. am Voltage ratios at the DC voltage terminal 11 and am
Maschinenanschluss 12 möglich. Machine connection 12 possible.
Hierzu kann beispielsweise in Schritt 115 die Größe der Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss 11 des Spannungskonverters 1 ermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Größe der Phasenspannung am Motoranschluss 12 des Spannungskonverters 1 ermittelt werden. Basierend auf den ermittelten Spannungen kann in Schritt 130 dann der Betriebsmodus unter Verwendung der ermittelten Gleichspannung und/oder der ermittelten For this purpose, for example, in step 115, the size of the DC voltage at the DC voltage terminal 11 of the voltage converter 1 can be determined. Additionally or alternatively, the size of the phase voltage at the motor terminal 12 of the voltage converter 1 can be determined. Based on the determined voltages, the operating mode can then be determined in step 130 using the determined DC voltage and / or the determined
Phasenspannung ausgewählt werden. Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen bidirektionalen Spannungskonverter. Der Spannungskonverter umfasst mindestens vier Betriebsmodi zur Konvertierung einer Gleichspannung in eine Spannung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine bzw. zur Konvertierung einer Phase voltage can be selected. In summary, the present invention relates to a bidirectional voltage converter. The voltage converter comprises at least four operating modes for converting a DC voltage into a voltage for controlling an electrical machine or for converting a
Generatorspannung in eine Gleichspannung. Die jeweilige konvertierte Generator voltage in a DC voltage. The respective converted
Spannung wird dabei geglättet und mit deutlich verringertem Störanteil bereitgestellt als bei konventionellen Stromstellern. Der Schaltungsaufbau ermöglicht insbesondere einen Betrieb mit hohen Schaltfrequenzen. Somit kann die Schaltfrequenz auf einem Bereich jenseits des menschlichen Hörbereiches verlagert werden. Darüber hinaus ermöglichen hohe Schaltfrequenzen auch eine Voltage is smoothed and provided with significantly reduced noise component than with conventional current regulators. The circuit construction in particular allows operation with high switching frequencies. Thus, the switching frequency can be shifted to an area beyond the human hearing range. In addition, high switching frequencies also allow one
Reduktion des Gewichts und des erforderlichen Bauraums für den Reduction of weight and required installation space for the
Spannungskonverter. Voltage converter.

Claims

Ansprüche claims
1. Spannungskonverter (1), mit: einem Gleichspannungsanschluss (11), der ein erstes AnschlusselementA voltage converter (1) comprising: a DC voltage terminal (11) having a first terminal
(AI) und ein zweites Anschlusselement (A2) umfasst; einem Maschinenanschluss (12), der ein drittes Anschlusselement (A3) und einen viertes Anschlusselement (A4) umfasst; und einer Konvertierungsvorrichtung (13), die dazu ausgelegt ist, eine vorbestimmte Gleichspannung (Ul) zwischen dem ersten (AI) and a second connection element (A2) comprises; a machine terminal (12) comprising a third terminal (A3) and a fourth terminal (A4); and a conversion device (13) configured to apply a predetermined DC voltage (Ul) between the first
Anschlusselement (AI) und dem zweiten Anschlusselement (A2) in eine Phasenspannung (U2) für eine elektrische Maschine (3) zu konvertieren und die konvertierte Phasenspannung (U2) zwischen dem dritten  Terminal element (AI) and the second connection element (A2) in a phase voltage (U2) for an electric machine (3) to convert and the converted phase voltage (U2) between the third
Anschlusselement (A3) und dem vierten Anschlusselement (A4) bereitzustellen, und die ferner dazu ausgelegt ist eine von der elektrischen Maschine (3) zwischen dem dritten Anschlusselement (A3) und dem vierten Anschlusselement (A4) bereitgestellte Phasenspannung (U2) in eine vorbestimmte Gleichspannung (Ul) zu konvertieren und die konvertierte Terminal element (A3) and the fourth connection element (A4) to provide, and further adapted to a of the electrical machine (3) between the third connection element (A3) and the fourth connection element (A4) provided phase voltage (U2) in a predetermined DC voltage (Ul) to convert and the converted
Gleichspannung (Ul) zwischen dem ersten Anschlusselement (AI) und dem zweiten Anschlusselement (A2) bereitzustellen; wobei die Konvertierungsvorrichtung (13) in einem ersten Betriebsmodus die Gleichspannung (Ul) zwischen dem ersten Anschlusselement AI) und dem zweiten Anschlusselement (A2) in eine Phasenspannung (U2) konvertiert, deren Maximalwert größer ist als die Gleichspannung (Ul) zwischen dem ersten Anschlusselement (AI) und dem zweiten DC voltage (Ul) between the first connection element (AI) and the second connection element (A2) to provide; wherein the conversion device (13) converts the DC voltage (U1) between the first connection element AI) and the second connection element (A2) into a phase voltage (U2) in a first operating mode whose maximum value is greater than the DC voltage (U1) between the first connection element (AI) and the second
Anschlusselement (A2), in einem zweiten Betriebsmodus die Gleichspannung (Ul) zwischen dem ersten Anschlusselement (AI) und dem zweiten Anschlusselement (A2) in eine Phasenspannung (U2) konvertiert, deren Maximalwert kleiner ist als die Gleichspannung (Ul) zwischen dem ersten Anschlusselement (AI) und dem zweiten Anschlusselement (A2), in einem dritten Betriebsmodus die Phasenspannung (U2) zwischen dem dritten Anschlusselement (A3) und dem vierten Anschlusselement (A4) in die vorbestimmte Gleichspannung (Ul) konvertiert, wobei der Maximalwert der Phasenspannung (U2) kleiner ist als die vorbestimmte Gleichspannung (Ul), und in einem vierten Betriebsmodus die Phasenspannung (U2) zwischen dem dritten Anschlusselement (A3) und dem vierten Anschlusselement (A4) in die vorbestimmte Gleichspannung (Ul) konvertiert, wobei der Maximalwert der Phasenspannung (U2) größer ist als die vorbestimmte Gleichspannung (Ul). Connection element (A2), in a second operating mode, the DC voltage (Ul) between the first connection element (AI) and the second connection element (A2) converted into a phase voltage (U2) whose maximum value is smaller than the DC voltage (Ul) between the first connection element (AI) and the second connection element (A2), in a third operation mode, the phase voltage (U2) between the third terminal element (A3) and the fourth terminal element (A4) is converted into the predetermined DC voltage (U1), the maximum value of the phase voltage (U2) being smaller than the predetermined DC voltage (U1), and in a fourth mode of operation, the phase voltage (U2) between the third terminal (A3) and the fourth terminal (A4) is converted into the predetermined DC voltage (Ul), the maximum value of the phase voltage (U2) being greater than the predetermined DC voltage (Ul) ,
Spannungskonverter (1) nach Anspruch 1, wobei die Voltage converter (1) according to claim 1, wherein the
Konvertierungsvorrichtung (13) folgendes umfasst: Conversion device (13) comprising:
ein erstes Schaltelement (Sl), das zwischen dem ersten Anschlusselement (AI) und einem ersten Knotenpunkt (Kl) angeordnet ist; ein zweites Schaltelement (S2), das zwischen dem ersten Knotenpunkt (Kl) und dem zweiten Anschlusselement (A2) angeordnet ist; ein drittes Schaltelement (S3), das zwischen dem dritten Anschlusselement (A3) und einem zweiten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist; ein viertes Schaltelement (S4), das zwischen dem zweiten Knotenpunkt (K2) und dem vierten Anschlusselement (A4) angeordnet ist; eine Induktivität (L), die zwischen dem ersten Knotenpunkt (Kl) und dem zweiten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist. a first switching element (Sl) disposed between the first terminal (AI) and a first node (Kl); a second switching element (S2) disposed between the first node (K1) and the second terminal (A2); a third switching element (S3) disposed between the third terminal (A3) and a second node (K2); a fourth switching element (S4) disposed between the second node (K2) and the fourth terminal (A4); an inductance (L) disposed between the first node (K1) and the second node (K2).
Spannungskonverter (1) nach Anspruch 2, wobei der Spannungskonverter (1) ferner eine Steuervorrichtung (14) umfasst, die dazu ausgelegt ist, das erste, das zweite, das dritte und das vierte Schaltelement (Sl - S4) in Abhängigkeit von einem ausgewählten Betriebsmodus anzusteuern. Spannungskonverter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Konvertierungsvorrichtung (13) ferner dazu ausgelegt ist, in einem fünften Betriebsmodus das dritte Schaltelement (S3) und das vierte Schaltelement (S4) zu schließen, um das dritte Anschlusselement (A3) und das vierte Anschlusselement (A4) elektrisch zu verbinden. The voltage converter (1) according to claim 2, wherein the voltage converter (1) further comprises a control device (14) adapted to configure the first, second, third and fourth switching elements (S1-S4) in accordance with a selected operating mode head for. A voltage converter (1) according to any one of claims 1 to 3, wherein the conversion device (13) is further configured to close the third switching element (S3) and the fourth switching element (S4) in a fifth operating mode to form the third terminal element (A3). and to electrically connect the fourth terminal (A4).
Spannungskonverter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zwischen dem dritten Anschlusselement (A3) und dem vierten Voltage converter (1) according to one of claims 1 to 4, wherein between the third connection element (A3) and the fourth
Anschlusselement (A4) bereitgestellte Phasenspannung (U2) eine Terminal element (A4) provided phase voltage (U2) a
Wechselspannung ist. AC voltage is.
Elektrisches Antriebssystem, mit: einem Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5; einem elektrischen Energiespeicher (2), der mit dem An electric drive system, comprising: a voltage converter according to any one of claims 1 to 5; an electrical energy store (2) connected to the
Gleichspannungsanschluss (11) des Spannungskonverters (1) elektrisch gekoppelt ist; und einer elektrischen Maschine (3), die einen Phasenanschluss umfasst, der mit dem Maschinenanschluss (12) des Spannungskonverters (1) elektrisch gekoppelt ist. DC terminal (11) of the voltage converter (1) is electrically coupled; and an electric machine (3) comprising a phase terminal electrically coupled to the machine terminal (12) of the voltage converter (1).
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 6, wobei die elektrische Maschine (3) eine mehrphasige elektrische Maschine umfasst, und das elektrische Antriebssystem für jede Phase der elektrischen Maschine (3) mindestens einen Spannungskonverter (1) umfasst. Electric drive system according to claim 6, wherein the electric machine (3) comprises a multi-phase electric machine, and the electric drive system for each phase of the electric machine (3) comprises at least one voltage converter (1).
Kraftfahrzeug, insbesondere, Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug, mit einem elektrischen Antriebssystem nach Anspruch 6 oder 7. Motor vehicle, in particular, air, water or land vehicle, with an electric drive system according to claim 6 or 7.
Verfahren (100) zum Konvertieren einer elektrischen Spannung, mit den Schritten: Bereitstellen (110) eines Spannungskonverters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; Method (100) for converting an electrical voltage, comprising the steps: Providing (110) a voltage converter (1) according to one of claims 1 to 5;
Auswählen (120) eines Betriebsmodus; und Selecting (120) an operating mode; and
Ansteuern (130) des Spannungskonverters (1) in Anhängigkeit von dem ausgewählten Betriebsmodus. Driving (130) the voltage converter (1) in dependence on the selected operating mode.
Verfahren (100) nach Anspruch 9, mit dem Schritt: The method (100) of claim 9, comprising the step:
Ermitteln (115) einer Gleichspannung an dem Gleichspannungsanschluss (11) des Spannungskonverters (1) und/oder Ermitteln einer Determining (115) a DC voltage at the DC voltage connection (11) of the voltage converter (1) and / or determining a DC voltage
Phasenspannung an dem Motoranschluss (12) des Spannungskonverters (1); wobei der Schritt (120) zum Auswählen des Betriebsmodus den Phase voltage at the motor terminal (12) of the voltage converter (1); wherein the step (120) of selecting the operation mode is
Betriebsmodus unter Verwendung der ermittelten Gleichspannung und/oder der ermittelten Phasenspannung auswählt. Operating mode using the determined DC voltage and / or the determined phase voltage selects.
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