WO2018069098A1 - Schaltvorrichtung für eine elektrische maschine, klima-kompressoranordnung mit elektrischer maschine und verfahren zum betreiben einer elektrischen maschine und eines heizelements - Google Patents

Schaltvorrichtung für eine elektrische maschine, klima-kompressoranordnung mit elektrischer maschine und verfahren zum betreiben einer elektrischen maschine und eines heizelements Download PDF

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WO2018069098A1
WO2018069098A1 PCT/EP2017/075149 EP2017075149W WO2018069098A1 WO 2018069098 A1 WO2018069098 A1 WO 2018069098A1 EP 2017075149 W EP2017075149 W EP 2017075149W WO 2018069098 A1 WO2018069098 A1 WO 2018069098A1
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WO
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switching device
power
compressor
control circuit
electric machine
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/075149
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Brüll
Egor SAWAZKI
Christoph Baumgärtner
Franz Pfeilschifter
Klaus Mühlbauer
Philip Brockerhoff
Joris Fokkelman
Original Assignee
Continental Automotive Gmbh
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Publication date
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/0252—Domestic applications
    • H05B1/0275—Heating of spaces, e.g. rooms, wardrobes
    • H05B1/028—Airconditioning
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/30—Control or safety arrangements for purposes related to the operation of the system, e.g. for safety or monitoring
    • F24F11/41—Defrosting; Preventing freezing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/89—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks

Definitions

  • Switching device for an electric machine air conditioning compressor arrangement with electrical machine and method for operating an electric machine and a heating element
  • the invention relates to a switching device for an electrical machine.
  • the switching device has an inverter for operating the electric machine, which is controlled by a control circuit.
  • the invention also includes an air conditioning compressor assembly and a method of operating an electric machine and a heating element, both of which may be provided in said air conditioning compressor assembly.
  • an operation of the heating element can be combined with an electric motor operation, for example in a roll stabilization, an electric steering or a control drive of a rudder in a ship to ensure, for example, a mobility of components at temperatures below 0 ° C, if otherwise by icing a Blockade of mobility would be possible.
  • an electric machine and a heating element results in the vehicle air conditioning by means of electric air conditioning compressor.
  • Such an air conditioning compressor may provide an electric machine for providing the compressor power - both for a cooling effect and for a heat pump function.
  • at least one electric heating element may be provided in addition to or as an alternative to the heat pump function of the refrigerant circuit of the air conditioning compressor.
  • Both an electric machine and an electric heating element require power control, which represents a technically complex control electronics.
  • this is the inverter along with its control circuit.
  • the power control may be effected, for example, by a chopper control.
  • an inverter for an electric drive motor is known, which is supplied via an electrical DC link with electrical energy.
  • a further inverter is additionally connected, via which alternately an air conditioning compressor or an electric heater can be operated.
  • the invention has for its object to realize a small operation of an electrical machine together with an electric heating element with low tech ⁇ nischem effort.
  • the invention provides a switching device for an electrical machine.
  • the switching device has an inverter or inverter, which is set up in the electric machine in the
  • the inverter can have, for example, H-bridge circuits in a manner known per se.
  • the electrical power is received by the inverter via a supply terminal of the switching device, via which the total electrical power can be fed.
  • the supply connection can therefore have electrical contacts for connecting an electrical voltage source.
  • the inverter may be controlled by a control circuit configured to control the inverter in response to an external request signal.
  • the Anforde approximately ⁇ signal specifies which service is to be provided by means of the electric machine or implemented.
  • the switching device also provides at least one heater connection for connecting a respective passive heating element. Passive means here that the heating element does not have its own electronics for setting or regulating the heating power of the heating element.
  • the passive heating element may be, for example, a
  • Heating element the speech.
  • the invention also includes the operation of several heating elements.
  • the heater connection may, for example, comprise electrical contacts via which electrical power is transmitted to the heating element in a manner suitable for the heating power to be generated by the heating element.
  • the electric power is supplied from the supply terminal.
  • the heater connection is for this purpose connected via a scarf ⁇ territt to the supply terminal or ge coupled ⁇ .
  • Said control circuit capable of controlling the inverter is further arranged, also shield the emitted via the heater heating current terminal by switching of the switch unit in response to the request signal ⁇ .
  • the same control circuit provides or regulates both the electric machine and the heating element. Thus, no two independent controls are needed, which reduces the circuit complexity of the switching device redu ⁇ .
  • the switching device may, for example, be configured to control or operate as an electric machine a roll stabilizer or an electric steering or an actuator of a truck or a construction machine. It can also be a cooling ventilation of a passenger train or freight train ge ⁇ controls. Also a control drive for a rudder at a Ship can be controlled as an electrical machine by the switching device. In the manner described, a blockage can be prevented by icing by means of the heating element.
  • the invention also includes optional features that provide additional benefits.
  • the switching device is preferably realized as a compact elekt ⁇ tronic circuit in which the control circuit, the switch unit and the inverter are provided on a common circuit board.
  • the control circuit as a single microcontroller for controlling both the inverter and the switch unit to design.
  • the switching device can be realized or provided with a single common cooling and / or with a common power supply for the control circuit, which reduces component costs.
  • the said switch unit for regulating or setting the
  • Heating current or the power flow for the heating power of the heating element is preferably realized as a chopper circuit.
  • the circuit arrangement described at the outset can be used from the prior art.
  • the switching device is particularly designed before ⁇ geous in combination with an electric air conditioning compressor, said electric machine can then drive a compressor.
  • the control circuit is set up in this case, not always exclusively by means of the air conditioning compressor, but by dividing the requested air conditioning capacity on the air conditioning compressor on the one hand and the heating element to provide a demanded by the request signal conditioning, if this is technically performance or energy technology cheaper.
  • a distribution device is provided in the control circuit, which can be realized, for example, on the basis of a program code for a microcontroller.
  • the splitting device the requested air-conditioning power is divided by the control circuit into a first component and a second component.
  • the first component determines the electric heating power that is generated in the heating element by adjusting the heating current by means of
  • the Switch unit is set.
  • the second component determines the compressor power to be set in the electric air conditioning compressor by adjusting the phase currents of the electric machine by means of the inverter.
  • the proportions together provide the requested air conditioning capacity.
  • a share, ie the first share or the second share, may also be 0.
  • the two parts can also be unequal to 0 at the same time.
  • the control circuit is adapted to operate the scarf ⁇ unit (for the heating element) and the inverter (for the electric machine of the air compressor) for outputting the heating power and the compressor power.
  • the inverter and the switch unit may also be provided separately from the switching device and connected to it via electrical control cables.
  • both the electric air conditioning compressor and the heating element can each be configured without its own control electronics, since these are provided by the switching device in the form of the control circuit.
  • control circuit is adapted to receive at least one sensor signal via a signal input and the heating power and the compressor power, ie the two components of the requested air-conditioning power, as a function of to set the at least one sensor signal.
  • control circuit is preferably set up to detect an external temperature and / or a humidity and / or a time by means of a respective sensor signal and to determine the two components (compressor output and heating output) as a function of a performance characteristic of the air conditioning compressor.
  • the performance characteristic for different operating points on external temperature and / or humidity and / or duration, or be provided by means of the power curve, an optimal operation according to the optimization criterion ⁇ approximately ensured.
  • the characteristic map or performance curve required for this purpose can be determined on the basis of simple tests. In this case, a construction type or construction model of the heating element can be taken into account. Thus, the total input power needed to provide the requested air conditioning power and / or a start-up time or set-up time for providing the air conditioning power can be minimized.
  • the switching device can be provided by a housing is provided having at least one heater connection for a respective heating element and the versor ⁇ supply terminal for receiving the input power or overall performance and in which the control circuit and the inverters are integrated.
  • the inventive air compressor assembly having the compressor, an electric machine for driving the compressor and an embodiment of the switching device according to the invention.
  • the inverter of the switching circuit according to the invention Device is connected to phase conductors of the electrical machine. These phase conductors represent the ends of electrical coils of the electric machine.
  • the inventive air compressor compressor assembly provides an electric see air compressor with integrated electric motor and associated inverter or inverter, in addition, a power output is provided in the form of at least one heater terminal for each passive heating element. Particularly preferred is the compressor for both
  • the switching device is preferably configured to operate the compressor for generating a heating power and a cooling power / drying power.
  • the drying power an excess amount of drying power can result, which is needed to dry the ambient air to be conditioned.
  • the conditioned ambient air is then colder than predetermined or desired.
  • the switching device is adapted to compensate for the relative to the requested by the request signal Ge ⁇ felkühl in excess and needed to dry the ambient air portion of the drying capacity by outputting a heating current to the heater connection.
  • the climate Makompressor invention is operated as a cascade of cold source and electrical heating source.
  • said passive heating element is connected to the heater port, wherein the heating element may be integrated into a housing of the compressor.
  • an electric heating element and a ⁇ air compressor are provided in a common housing. This has the advantage that the ambient air to be conditioned when passing or flowing through the housing with the desired or requested air conditioning capacity is applied without having to be redirected to an external heating element.
  • the method according to the invention serves for operating an electric machine and a heating element by means of a single control circuit of a switching device, as provided by the invention.
  • a single control circuit of a switching device Through the supply terminal of the switching device, the total electric power is received and divided by the control circuit in response to the external request signal (for an air conditioning performance and / or a humidity and / or a target temperature).
  • the external request signal for an air conditioning performance and / or a humidity and / or a target temperature.
  • an inverter coupled to the supply connection
  • a respective phase current is switched in electrical phase lines of the electrical machine.
  • the electric machine is operated and can, for example, drive a compressor.
  • the control circuit is additionally connected to a heater connection by means of a likewise coupled to the supply connection
  • Switch unit for example, the said chopper circuit, a set over the Schueran gleich heating current set by switching the switch unit in response to the request ⁇ tion signal.
  • the invention also includes developments of the method according to the invention, which have features as they have already been described in connection with the developments of the switching device according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described again here.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment of the air conditioning compressor assembly according to the invention
  • FIG. 2 shows a characteristic diagram by means of which an optimization criterion for the operation of the air-conditioning compressor arrangement from FIG. 1 is fulfilled.
  • the exemplary embodiment explained below is a preferred embodiment of the invention.
  • the described components of the embodiment each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another, which also each independently further develop the invention and thus also individually or in a different combination than the one shown as part of the invention.
  • the described embodiment can also be supplemented by further features of the invention already described.
  • Fig. 1 shows an air conditioning compressor assembly 10, a
  • Compressor 11 (COMP), an electric machine 12 (ENG), an inverter 13 (INV), a switch unit 14 (CHOPPER) and a control circuit 15 may have.
  • the control circuit 15 may be provided on the basis of a microcontroller ( ⁇ ) as a processor device 17.
  • a passive heating element 16 may be connected to the air conditioning compressor assembly 10.
  • the heating element 16 may be a PTC element, for example a heating coil or a heating rod.
  • the heating element 16 may be connected via a heater terminal 18, for example via a two-core cable or two electrical contacts for transmitting a heating current (DC - DC).
  • To the inverter 13 may be connected 12 via phase lines 12 ⁇ , the electric machine.
  • the switch unit 14, the inverter 13 and the STEU ⁇ erscrien 15 may be provided on a common circuit board 19.
  • the circuit board 19 represents a Switching device according to the invention. Switching elements of the inverter 13 and the switch unit 14 may be provided as transistors mounted on the circuit board
  • the switch unit 15 may include the inverter 13 and the switch unit 14 in response to a request signal
  • the compressor power 22 may include a cooling power / heat pump power 24 and a dry power 25 for adjusting a humidity of air conditioned by the air conditioning compressor assembly 10.
  • the compressor 11 and the electronic components 12, 13, 14, 15 may be ⁇ arranged in a common housing 10 which the supply terminal POW and the heater terminal may have ⁇ 18th
  • FIG. 2 illustrates how the control unit 15 can divide the requested air-conditioning capacity 20 into the compressor capacity 22 on the one hand and the heating power 23 on the other hand in order to correspondingly control the inverter 13 on the one hand and the switch unit 14 on the other hand.
  • Fig. 2 illustrates how over the requested air-conditioning capacity 20 into the compressor capacity 22 on the one hand and the heating power 23 on the other hand.
  • the heating power 23 on the one hand and the compressor power 22 on the other hand can be set.
  • the requested air conditioning line 26 may include a heating request 27 and a cooling request 28.
  • the characteristic curves shown in FIG. 2 in this case have the effect that the total power POW recorded or received in total for providing the requested air-conditioning power 26 is minimized and / or can be provided within a predetermined maximum start-up time tmax.
  • the air compressor assembly 10 is preferably in one
  • Motor vehicle provided having the air conditioning compressor assembly 10 as an electrified heating and cooling source, as may be provided for example in an electrically driven vehicle or a hybrid vehicle. Even in a motor vehicle with internal combustion engine, the air conditioning compressor assembly 10 as an electrified heating and cooling source, as may be provided for example in an electrically driven vehicle or a hybrid vehicle. Even in a motor vehicle with internal combustion engine, the air conditioning compressor assembly 10 as an electrified heating and cooling source, as may be provided for example in an electrically driven vehicle or a hybrid vehicle. Even in a motor vehicle with internal combustion engine, the
  • the heating element 16 is housed in the same housing 10 ⁇ of Klimakom ⁇ pressor. Additionally or alternatively, the inverter 13 may be provided with the switch unit 14 in a separate box which controls the electric compressor (machine 12 and compressor 11) and the heating element 16 via cables or busbars without having their own electronics.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltvorrichtung (19) für eine elektrische Maschine (12), aufweisend: einen Versorgungsanschluss (21) zum Empfangen von elektrischer Gesamtleistung (POW), einen mit dem Versorgungsanschluss (21) gekoppelten Wechselrichter (13) zum Schalten eines jeweiligen Phasenstromes in elektrischen Phasenleitungen (12') der elektrischen Maschine (12) und eine Steuerschaltung (15), die dazu eingerichtet ist, den Wechselrichter (13) in Abhängigkeit von einem externen Anforderungssignal (20) zu steuern. Die Erfindung sieht vor, dass ein Heizeranschluss (18) zum Anschließen eines passiven Heizelements (16) bereitgestellt und über eine Schaltereinheit (14) mit dem Versorgungsanschluss (21) gekoppelt ist, und dass die Steuerschaltung (15) dazu eingerichtet ist, einen über den Heizeranschluss (18) abgegebenen Heizstrom durch Schalten der Schaltereinheit (14) ebenfalls in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal (20) einzustellen.

Description

Schaltvorrichtung für eine elektrische Maschine, Klima- kom- pressoranordnung mit elektrischer Maschine und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine und eines Heizelements
Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für eine elektrische Maschine. Die Schaltvorrichtung weist zum Betreiben der elektrischen Maschine einen Wechselrichter auf, der durch eine Steuerschaltung gesteuert wird. Zu der Erfindung gehören auch eine Klimakompressoranordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine und eines Heizelements, wie sie beide in der besagten Klimakompressoranordnung bereitgestellt sein können.
Der Betrieb einer elektrischen Maschine kann in einigen Fällen einhergehen mit der Notwendigkeit des Betriebs eines Heiz¬ elements. So kann ein Betrieb des Heizelements mit einem elektrischen Motorbetrieb kombiniert werden, beispielsweise bei einer Wankstabilisierung, einer elektrischen Lenkung oder einem Steuerantrieb eines Ruders bei einem Schiff, um beispielsweise eine Beweglichkeit von Bauteilen bei Temperaturen unter 0°C zu gewährleisten, wenn ansonsten durch Vereisung eine Blockade der Beweglichkeit möglich wäre.
Eine weitere Kombination aus einer elektrischen Maschine und einem Heizelement ergibt sich bei der Fahrzeugklimatisierung mittels elektrischem Klimakompressor. Ein solcher Klimakompressor kann eine elektrische Maschine zum Bereitstellen der Kompressorleistung vorsehen - und zwar sowohl für eine Kühlwirkung also auch für eine Wärmepumpenfunktion. Zur Wärmeproduktion kann zusätzlich oder alternativ zur Wärmepumpenfunktion des Kältemittelkreises des Klimakompressors auch zumindest ein elektrisches Heizelement vorgesehen sein.
Sowohl eine elektrische Maschine als auch ein elektrisches Heizelement benötigen eine Leistungsregelung, die eine technisch aufwendige Ansteuerelektronik darstellt. Im Falle einer elektrischen Maschine ist dies der Wechselrichter zusammen mit seiner Steuerschaltung. Im Falle eines Heizelements kann die Leistungsregelung zum Beispiel durch eine Chopper-Steuerung bewirkt sein.
Aus der WO 2015/071045 AI ist ein Inverter für einen elektrischer Antriebsmotor bekannt, der über einen elektrischen Zwischenkreis mit elektrischer Energie versorgt wird. An diesem Zwischenkreis ist zusätzlich ein weiterer Inverter angeschlossen, über welchen abwechselnd ein Klimakompressor oder ein elektrischer Heizer betrieben werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem tech¬ nischem Aufwand einen Doppelbetrieb einer elektrischen Maschine zusammen mit einem elektrischen Heizelement zu realisieren.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Pa¬ tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er¬ findung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
Durch die Erfindung ist eine Schaltvorrichtung für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die Schaltvorrichtung weist einen Inverter oder Wechselrichter auf, der dazu ein- gerichtet ist, bei der elektrischen Maschine in deren
elektrischen Phasenleitungen einen jeweiligen Phasenstrom zu schalten. Der Wechselrichter kann hierzu in an sich bekannter Weise beispielsweise H-Brückenschaltungen aufweisen. Die elektrische Leistung empfängt der Wechselrichter über einen Versorgungsanschluss der Schaltvorrichtung, über welchen elektrische Gesamtleistung eingespeist werden kann. Der Versorgungsanschluss kann also elektrische Kontakte zum Anschließen einer elektrischen Spannungsquelle aufweisen. Der Wechselrichter kann durch eine Steuerschaltung gesteuert werden, die dazu eingerichtet ist, den Wechselrichter in Abhängigkeit von einem externen Anforderungssignal zu steuern. Das Anforde¬ rungssignal gibt vor, welche Leistung mittels der elektrischen Maschine bereitgestellt oder umgesetzt werden soll. Um nun parallel zur elektrischen Maschine mit geringem Aufwand auch eine zusätzliche Heizfunktion bereitzustellen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schaltvorrichtung auch zumindest einen Heizeranschluss zum Anschließen eines jeweiligen passiven Heizelements vorsieht. Mit passiv ist hierbei gemeint, dass das Heizelement keine eigene Elektronik zum Einstellen oder Regeln der Heizleistung des Heizelements aufweist. Bei dem passiven Heizelement kann es sich beispielsweise um ein
PTC-Element (PCT - Positive Temperature Coefficient) handeln. Im Folgenden ist zum einfacheren Verständnis nur von einem
Heizelement die Rede. Die Erfindung umfasst aber auch den Betrieb mehrerer Heizelemente.
Der Heizeranschluss kann z.B. elektrische Kontakte aufweisen, über welche elektrische Leistung passend für die vom Heizelement zu erzeugende Heizleistung an das Heizelement übertragen wird. Die elektrische Leistung wird von dem Versorgungsanschluss geliefert. Der Heizeranschluss ist hierzu über eine Schal¬ tereinheit mit dem Versorgungsanschluss verschaltet oder ge¬ koppelt. Mittels der Schaltereinheit kann der elektrische Heizstrom an dem Heizeranschluss geschaltet werden kann. Die besagte Steuerschaltung, die den Wechselrichter steuern kann, ist des Weiteren dazu eingerichtet, den über den Heizeranschluss abgegebenen Heizstrom durch Schalten der Schaltereinheit ebenfalls in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal einzu¬ stellen. Mit anderen Worten stellt oder regelt ein und dieselbe Steuerschaltung sowohl die elektrische Maschine als auch das Heizelement. Damit sind keine zwei unabhängigen Steuerungen nötig, was den Schaltungsaufwand der Schaltvorrichtung redu¬ ziert .
Die Schaltvorrichtung kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, als elektrische Maschine einen Wankstabilisator oder eine elektrische Lenkung oder einen Aktuator eines Lastkraftwagens oder einer Baumaschine zu steuern oder zu betreiben. Es kann auch eine Kühlerlüftung eines Passagierzuges oder Güterzuges ge¬ steuert werden. Auch ein Steuerantrieb für ein Ruder bei einem Schiff kann als elektrische Maschine durch die Schaltvorrichtung gesteuert werden. In der beschriebenen Weise kann eine Blockade durch Vereisung mittels des Heizelements verhindert werden. Zu der Erfindung gehören auch optionale Merkmale, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Die Schaltvorrichtung ist bevorzugt als eine kompakte elekt¬ ronische Schaltung realisiert, bei welcher die Steuerschaltung, die Schaltereinheit und der Wechselrichter auf einer gemeinsamen Schaltungsplatine bereitgestellt sind. Insbesondere ist vor¬ gesehen, die Steuerschaltung als einzelnen MikroController zum Steuern sowohl des Wechselrichters als auch der Schaltereinheit auszugestalten. Durch Bereitstellen einer einzelnen Schal- tungsplatine kann die Schaltvorrichtung mit einer einzelnen gemeinsamen Kühlung und/oder mit einem gemeinsamen Netzteil für die Steuerschaltung realisiert oder bereitgestellt werden, was Bauteilkosten reduziert. Die besagte Schaltereinheit zum Regeln oder Stellen des
Heizstroms oder des Leistungsflusses für die Heizleistung des Heizelements ist bevorzugt als Chopper-Schaltung realisiert. Alternativ dazu kann die eingangs beschriebene Schaltungsan¬ ordnung aus dem Stand der Technik verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ist besonders vor¬ teilhaft in der Kombination mit einem elektrischen Klimakompressor ausgestaltet, wobei die besagte elektrische Maschine dann einen Kompressor antreiben kann. Die Steuerschaltung ist in diesem Fall dazu eingerichtet, eine durch das Anforderungssignal angeforderte Klimatisierungsleistung nicht immer ausschließlich mittels des Klimakompressors, sondern durch Aufteilen der angeforderten Klimatisierungsleistung auf den Klimakompressor einerseits und das Heizelement andererseits bereitzustellen, falls dies leistungstechnisch oder energietechnisch günstiger ist. Hierzu ist in der Steuerschaltung eine Aufteilungsein- richtung bereitgestellt, die zum Beispiel auf der Grundlage eines Programmcodes für einen MikroController realisiert sein kann. Mittels der Aufteilungseinrichtung wird durch die Steuerschaltung die angeforderte Klimatisierungsleistung in einen ersten Anteil und in einen zweiten Anteil aufgeteilt. Der erste Anteil legt die elektrische Heizleistung fest, die in dem Heizelement durch Einstellen des Heizstroms mittels der
Schaltereinheit einzustellen ist. Der zweite Anteil legt die Kompressorleistung fest, die in dem elektrischen Klimakompressor durch Einstellen der Phasenströme der elektrischen Maschine mittels des Wechselrichters einzustellen ist. Die Anteile ergeben zusammen die angeforderte Klimatisierungsleistung. Ein Anteil, d.h. der erste Anteil oder der zweite Anteil, kann auch 0 sein. Die beiden Anteile können auch gleichzeitig ungleich 0 sein. Die Steuerschaltung ist dazu eingerichtet, die Schal¬ tereinheit (für das Heizelement) und den Wechselrichter (für die elektrische Maschine des Klimakompressors) zum Ausgeben der Heizleistung und der Kompressorleistung zu betreiben.
Der Wechselrichter und die Schaltereinheit können auch getrennt von der Schaltvorrichtung bereitgestellt sein und mit dieser über elektrische Steuerkabel verbunden sein. Hierbei können aber sowohl der elektrische Klimakompressor also das Heizelement jeweils ohne eigene Steuerelektronik ausgestaltet sein, da diese ja durch die Schaltvorrichtung in Form der Steuerschaltung bereitgestellt wird.
Um eine Klimaregelung durch die Schaltvorrichtung bereitstellen zu können, ist bevorzugt vorgesehen, dass deren Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, über einen Signaleingang zumindest ein Sensorsignal zu empfangen und die Heizleistung und die Kom- pressorleistung, d.h. die beiden Anteile an der angeforderte Klimatisierungsleistung, in Abhängigkeit von dem zumindest einen Sensorsignal einzustellen. Somit ist eine einzige, kombinierte Regelung durch die Steuerschaltung realisiert, die zwei Klimatisierungselemente, nämlich das Heizelement und den Klima- kompressor, steuern und hierbei durch Aufteilen der angeforderten Klimatisierungsleistung einen nach einem Optimierungskriterium günstigen Betrieb der beiden Klimatisierungselemente bewirken kann. Bevorzugt ist die Steuerschaltung hierbei dazu eingerichtet, durch ein jeweiliges Sensorsignal eine Außentemperatur und/oder eine Luftfeuchtigkeit und/oder eine Uhrzeit zu erfassen und die beiden Anteile (Kompressorleistung und Heizleistung) in Abhängigkeit von einer Leistungskennlinie des Klimakompressors festzulegen. Somit kann durch die Leistungskennlinie für unterschiedliche Betriebspunkte betreffend Außentemperatur und/oder Luftfeuchtigkeit und/oder Zeitdauer, mittels der Leistungskennlinie ein optimaler Betrieb gemäß dem Optimie¬ rungskriterium vorgesehen oder gewährleistet werden. So kann beispielsweise als Optimierungskriterium vorgesehen sein, dass die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, die beiden Anteile dahingehend festzulegen, dass die über den Versorgungsanschluss empfangende elektrische Gesamtleistung und/oder eine Anfahrdauer, die bis zum endgültigen Bereitstellen der angeforderten Klimatisierungsleistung nötig ist, zu minimieren. Das hierzu nötige Kennfeld oder die Leistungskennlinie kann auf Grundlage einfacher Versuche ermittelt werden. Hierbei kann auch ein Bautyp oder Baumodell des Heizelements berücksichtigt werden. So kann die zum Bereitstellen der angeforderten Klimatisierungsleistung benötigte Gesamteingangsleistung und/oder eine Anfahrdauer oder Rüstzeit zum Bereitstellen der Klimatisierungsleistung minimiert werden.
Besonders kompakt ist die Schaltvorrichtung bereitstellbar, indem ein Gehäuse vorgesehen ist, welches zumindest einen Heizeranschluss für jeweils ein Heizelement und den Versor¬ gungsanschluss zum Empfangen der Eingangsleistung oder Ge- samtleistung aufweist und in welches die Steuerschaltung und der Wechselrichter integriert sind.
Durch die Kombination der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung mit einem elektrischen Klimakompressor ergibt sich die er- findungsgemäße Klimakompressoranordnung, die den Kompressor, eine elektrische Maschine zum Antreiben des Kompressors sowie eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung aufweist. Der Wechselrichter der erfindungsgemäßen Schalt- Vorrichtung ist hierbei an Phasenleiter der elektrischen Maschine angeschlossen. Diese Phasenleiter stellen die Enden von elektrischen Spulen der elektrischen Maschine dar. Somit ergibt die erfindungsgemäße Klimakompressoranordnung einen elektri- sehen Klimakompressor mit integriertem Elektromotor und zugehörigem Inverter oder Wechselrichter, wobei zusätzlich ein Leistungsausgang in Form des zumindest einen Heizeranschlusses für jeweils ein passives Heizelement vorgesehen ist. Besonders bevorzugt ist der Kompressor sowohl für einen
Kühlbetrieb zum Kühlen als auch für eine Wärmepumpenfunktion zum Gewinnen von Wärme vorgesehen. Hierzu ist die Schaltvorrichtung bevorzugt dazu eingerichtet, den Kompressor zum Erzeugen einer Heizleistung und einer Kühlleistung/Trockenleistung zu be- treiben. Bei Erzeugen der Trockenleistung kann sich ein überschüssiger Anteil an Trockenleistung ergeben, der zum Trocken der zu klimatisierenden Umgebungsluft benötigt wird. Die klimatisierte Umgebungsluft ist dann kälter als vorgegeben oder gewünscht. Die Schaltvorrichtung ist dazu eingerichtet, den in Bezug auf die durch das Anforderungssignal angeforderte Ge¬ samtkühlleistung überschüssigen und zum Trocken der Umgebungsluft benötigten Anteil der Trockenleistung durch Ausgeben eines Heizstroms am Heizeranschluss zu kompensieren. Muss also die Umgebungsluft zunächst gekühlt werden, um eine durch das Anforderungssignal vorgegebene Luftfeuchtigkeit einzustellen, und kühlt hierbei die Umgebungsluft zu weit ab, so wird die getrocknete, gekühlte Umgebungsluft mittels des passiven Heizelements über den Heizeranschluss wieder auf die gewünschte Solltemperatur erwärmt. Somit wird der erfindungsgemäße Kli- makompressor als Kaskade aus Kältequelle und elektrischer Heizquelle betrieben.
Bei der Klimakompressoranordnung ist das besagte passive Heizelement an den Heizeranschluss angeschlossen, wobei das Heizelement in ein Gehäuse des Kompressors integriert sein kann. Somit sind dann ein elektrisches Heizelement und ein Klima¬ kompressor in einem gemeinsamen Gehäuse bereitgestellt. Dies weist den Vorteil auf, dass die zu klimatisierende Umgebungsluft bei Passieren oder Durchströmen des Gehäuses mit der gewünschten oder angeforderten Klimatisierungsleistung beaufschlagt wird, ohne noch zu einem externen Heizelement umgeleitet werden zu müssen .
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben einer elektrischen Maschine und eines Heizelements mittels einer einzigen Steuerschaltung einer Schaltvorrichtung, wie sie durch die Erfindung bereitgestellt ist. Über den Versorgungsanschluss der Schaltvorrichtung wird die elektrische Gesamtleistung empfangen und durch die Steuerschaltung in Abhängigkeit von dem externen Anforderungssignal (für eine Klimatisierungsleistung und/oder eine Luftfeuchtigkeit und/oder eine Solltemperatur) aufgeteilt. Mittels eines mit dem Versorgungsanschluss ge- koppelten Wechselrichters wird ein jeweiliger Phasenstrom in elektrischen Phasenleitungen der elektrischen Maschine geschaltet. Hierdurch wird die elektrische Maschine betrieben und kann beispielsweise einen Kompressor antreiben. Durch die Steuerschaltung wird zusätzlich an einem Heizeranschluss mittels einer ebenfalls mit dem Versorgungsanschluss gekoppelten
Schaltereinheit, beispielsweise der besagten Chopper-Schaltung, ein über den Heizeranschluss abgegebener Heizstrom durch Schalten der Schaltereinheit in Abhängigkeit von dem Anfor¬ derungssignal eingestellt.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klimakompressoranordnung; und Fig. 2 ein Kennfeld, mittels welchem ein Optimierungskriterium zum Betrieb der Klimakompressoranordnung von Fig. 1 erfüllt wird. Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine Klimakompressoranordnung 10, die einen
Kompressor 11 (COMP) , eine elektrische Maschine 12 (ENG) , einen Wechselrichter 13 (INV), eine Schaltereinheit 14 (CHOPPER) und eine Steuerschaltung 15 aufweisen kann. Die Steuerschaltung 15 kann auf der Grundlage eines MikroControllers (μθ) als Pro- zessoreinrichtung 17 bereitgestellt sein.
An die Klimakompressoranordnung 10 kann ein passives Heizelement 16 (HEATER) angeschlossen sein. Das Heizelement 16 kann ein PTC-Element sein, beispielsweise eine Heizwendel oder ein Heizstab. Das Heizelement 16 kann über einen Heizeranschluss 18 beispielsweise über ein zweiadriges Kabel oder zwei elektrische Kontakte zum Übertragen eines Heizstroms (DC - Gleichstrom) angeschlossen sein. An den Wechselrichter 13 kann über Phasenleitungen 12 λ die elektrische Maschine 12 angeschlossen sein.
Die Schaltereinheit 14, der Wechselrichter 13 und die Steu¬ erschaltung 15 können auf einer gemeinsamen Schaltungsplatine 19 bereitgestellt sein. Die Schaltungsplatine 19 repräsentiert eine Schaltvorrichtung im Sinne der Erfindung. Schaltelemente des Wechselrichters 13 und der Schaltereinheit 14 können als Transistoren bereitgestellt sein, die auf der Schaltungsplatine
19 aufgelötet sein können.
Die Schaltereinheit 15 kann den Wechselrichter 13 und die Schaltereinheit 14 in Abhängigkeit von einem Anforderungssignal
20 schalten, sodass eine über einen Versorgungsanschluss 21 empfangene elektrische Gesamtleistung POW zum einen mittels des Wechselrichters 13 an die elektrische Maschine 12 zum Erzeugen einer Kompressorleistung 22 und zum anderen mittels der
Schaltereinheit 14 zum Betreiben des Heizelements 16 zur Er¬ zeugung von Heizleistung 23 abgegeben wird. Die Kompressorleistung 22 kann eine Kühlleistung/Wärmepumpenleistung 24 und eine Trockenleistung 25 zum Einstellen einer Luftfeuchtigkeit einer durch die Klimakompressoranordnung 10 klimatisierten Luft umfassen .
Der Kompressor 11 und die elektronischen Komponenten 12, 13, 14, 15 können in einem gemeinsamen Gehäuse 10 λ angeordnet sein, welches den Versorgungsanschluss POW und den Heizeranschluss 18 auf¬ weisen kann.
Fig. 2 veranschaulicht, wie durch die Steuerschaltung 15 die angeforderte Klimatisierungsleistung 20 in die Kompressorleistung 22 einerseits und die Heizleistung 23 andererseits aufgeteilt werden kann, um den Wechselrichter 13 einerseits und die Schaltereinheit 14 andererseits entsprechend anzusteuern. Fig. 2 veranschaulicht hierbei, wie über der angeforderten
Solltemperatur T für eine angeforderte Klimatisierungsleistung 26 die Heizleistung 23 einerseits und die Kompressorleistung 22 andererseits festgelegt werden können. Für die Kompressorleistung 22 sind die Wärmepumpenleistung 24 und die Trocken- leistung 25 festgelegt. Die angeforderte Klimatisierungsleitung 26 kann eine Heizanforderung 27 und eine Kühlanforderung 28 aufweisen . Die Fig. 2 dargestellten Kennlinien bewirken dabei, dass die insgesamt zum Bereitstellen der angeforderten Klimatisierungsleistung 26 aufgenommene oder empfangene oder verbrauchte Gesamtleistung POW minimiert ist und/oder innerhalb einer vorbestimmten maximalen Anlaufzeit tmax bereitgestellt werden kann .
Durch die Integration der Regelung in die kombinierte Steuerschaltung 15 ergibt sich eine Senkung der Systemkosten und/oder Energiekosten bei Erfüllung der Klimatisierungsanforderungen.
Die Klimakompressoranordnung 10 ist bevorzugt in einem
Kraftfahrzeug bereitgestellt, das die Klimakompressoranordnung 10 als eine elektrifiziert Heiz-und Kältequelle aufweist, wie es beispielsweise in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug oder einem Hybridfahrzeug vorgesehen sein kann. Auch in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungskraftmaschine kann die
elektrifiziert Klimatisierung bereitgestellt sein. Weitere Integrationsmöglichkeiten sind denkbar, beispielsweise dass das Heizelement 16 im selben Gehäuse 10 λ des Klimakom¬ pressors mit untergebracht ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Wechselrichter 13 mit der Schaltereinheit 14 in einer separaten Box bereitgestellt sein, die den elektrischen Kom- pressor (Maschine 12 und Kompressor 11) und das Heizelement 16 über Kabel oder Stromschienen ansteuert, ohne dass diese eine eigene Elektronik aufweisen.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Koordinierung eines Klimakompressors und eines Heizelements bereitgestellt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltvorrichtung (19) für eine elektrische Maschine (12), aufweisend :
- einen Versorgungsanschluss (21) zum Empfangen von elektrischer Gesamtleistung (POW) ,
- einen mit dem Versorgungsanschluss (21) gekoppelten Wechselrichter (13) zum Schalten eines jeweiligen Phasenstromes in elektrischen Phasenleitungen (12 λ) der elektrischen Maschine (12),
- eine Steuerschaltung (15), die dazu eingerichtet ist, den Wechselrichter (13) in Abhängigkeit von einem externen Anforderungssignal (20) zu steuern,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
ein Heizeranschluss (18) zum Anschließen eines passiven
Heizelements (16) bereitgestellt und über eine Schaltereinheit (14) mit dem Versorgungsanschluss (21) gekoppelt ist, und dass die Steuerschaltung (15) dazu eingerichtet ist, einen über den Heizeranschluss (18) abgegebenen Heizstrom durch Schalten der Schaltereinheit (14) ebenfalls in Abhängigkeit von dem An¬ forderungssignal (20) einzustellen.
2. Schaltvorrichtung (19) nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung (15), die Schaltereinheit (14) und der Wechselrichter (13) auf einer gemeinsamen Schaltungsplatine (19) bereitgestellt sind .
3. Schaltvorrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltereinheit (14) durch eine Chop- per-Schaltung gebildet ist.
4. Schaltvorrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (15) dazu eingerichtet ist, eine durch das Anforderungssignal (20) angeforderte Klimati- sierungsleistung (26) mittels einer Aufteilungseinrichtung in einen ersten Anteil, der als elektrische Heizleistung (23) durch Einstellen des Heizstroms mittels des Heizelements (16) be¬ reitzustellen ist, und in einen zweiten Anteil, der als Korn- pressorleistung (22) für einen elektrischen Kompressor (11) durch Einstellen der Phasenströme der elektrischen Maschine (12) bereitzustellen ist, aufzuteilen, und die Schaltereinheit (14) und den Wechselrichter (13) zum Ausgeben der Heizleistung (23) und der Kompressorleistung (22) zu betreiben.
5. Schaltvorrichtung (19) nach Anspruch 4, wobei ein Signaleingang zum Empfangen zumindest eines Sensorsignals bereit¬ gestellt ist und die Steuerschaltung (15) dazu eingerichtet ist, die Heizleistung (23) und die Kompressorleistung (22) in Abhängigkeit von dem zumindest einen Sensorsignal einzustellen.
6. Schaltvorrichtung (19) nach Anspruch 5, wobei die Steuerschaltung (15) dazu eingerichtet ist, durch ein jeweiliges Sensorsignal eine Außentemperatur und/oder eine Luftfeuchtigkeit und/oder eine Zeit zu erfassen und die beiden Anteile in Abhängigkeit von einer Leistungskennlinie des Kompressors (11) festzulegen .
7. Schaltvorrichtung (19) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Steuerschaltung (15) dazu eingerichtet ist, die Anteile gemäß einem vorgegebenen Optimierungskriterium, welches die über den Versorgungsanschluss (21) empfangene Gesamtleistung (POW) und/oder Anfahrdauer minimiert, festzulegen.
8. Schaltvorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Gehäuse (10 λ) vorgesehen ist, welches den Heizeranschluss (18) und den Versorgungsanschluss (21) aufweist und in welches die Steuerschaltung (15) und die Schaltereinheit (14) und der Wechselrichter (13) integriert sind.
9. Klimakompressoranordnung (10) aufweisend:
- einen Kompressor (11),
- eine elektrische Maschine (12), die dazu eingerichtet ist, den Kompressor (11) anzutreiben, und
- eine Schaltvorrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wechselrichter (13) der Schaltvorrichtung (19) an Phasenleitungen (12 λ) der elektrischen Maschine (12) angeschlossen ist.
10. Klimakompressoranordnung (10) nach Anspruch 9, wobei die Schaltvorrichtung (19) dazu eingerichtet ist, den Kompressor
(11) zum Erzeugen einer Wärmepumpenleistung (24) und einer Trockenleistung (25) zu betreiben und bei Erzeugen der Trockenleistung (28) einen in Bezug auf eine durch ein Anforderungssignal (20) angeforderte Gesamtkühlleistung überschüssigen und zum Trocken einer Umgebungsluft benötigten Anteil der
Trockenleistung (27) durch Ausgeben eines Heizstroms an einem Heizeranschluss (18) der Schaltvorrichtung (19) zu kompensieren .
11. Klimakompressoranordnung (10) nach Anspruch 9 oder 10, wobei an dem Heizeranschluss (18) ein passives Heizelement (16) angeschlossen ist, welches in einem Gehäuse (10 λ) des Kompressors (11) integriert ist.
12. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (12) und eines Heizelements (16) mittels einer einzigen Steuerschaltung
(15) einer Schaltvorrichtung (19), wobei
über einen Versorgungsanschluss (21) eine elektrische Ge¬ samtleistung (POW) empfangen wird und durch die Steuerschaltung (15) in Abhängigkeit von einem externen Anforderungssignal (20) mittels eines mit dem Versorgungsanschluss (21) gekoppelten
Wechselrichters (13) ein jeweiliger Phasenstrom in elektrischen Phasenleitungen (12 λ) der elektrischen Maschine (12) geschaltet wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
durch die Steuerschaltung (15) an einem Heizeranschluss (18) mittels einer mit dem Versorgungsanschluss (21) gekoppelten Schaltereinheit (14) ein über den Heizeranschluss (18) abge¬ gebener Heizstrom durch Schalten der Schaltereinheit (14) in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal (20) eingestellt wird.
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