WO2022106338A1 - Elektromotoranordnung sowie kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2022106338A1
WO2022106338A1 PCT/EP2021/081642 EP2021081642W WO2022106338A1 WO 2022106338 A1 WO2022106338 A1 WO 2022106338A1 EP 2021081642 W EP2021081642 W EP 2021081642W WO 2022106338 A1 WO2022106338 A1 WO 2022106338A1
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inverter
inverters
power
motor arrangement
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PCT/EP2021/081642
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Stefan Hain
Matthias Lochner
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to an electric motor arrangement for an electric axle of a motor vehicle, the electric motor arrangement having at least one electric motor and an inverter arrangement with at least one inverter.
  • Inverters also known as power converters, require a power module to convert the direct current from a battery into alternating current.
  • the power module has power transistors used to control the currents and generate the AC power.
  • Different configurations of power transistors are known.
  • MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • the semiconductor material used can be silicon (Si), silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).
  • the power modules have different transmission characteristics.
  • Semiconductor transistors with silicon for example, have better conductivity at higher voltages and semiconductor transistors with silicon carbide at lower currents.
  • the use of the semiconductor materials of the semiconductor transistors can be matched to this.
  • the inverter arrangement has at least one first power transistor with a first semiconductor material and at least one second semiconductor transistor with a second semiconductor material.
  • the core of the invention is considered to be having power transistors with at least two different semiconductor materials available for an electric axle when generating alternating current, and thereby realizing the power supply of the electric motor driving the axle in a performance-optimized manner.
  • the electric motor arrangement has at least one electric motor.
  • the inverter arrangement of the electric motor arrangement has at least one inverter. At least two different power transistors for generating the alternating current for the electric motor are located in the inverter arrangement. Depending on the operating range, only those power transistors can be used for which the operating range is optimal. Alternatively, some of the power transistors can also be used to be switched on in certain operating ranges.
  • the inverter arrangement can have at least two inverters, with the power transistors of the inverters consisting of different semiconductor materials. Each inverter therefore exclusively has power transistors with a semiconductor material. This means that the inverters are, so to speak, of a single type. Then not only is a power transistor optimal for a specific operating range, but also the inverter equipped with it.
  • the inverter arrangement can preferably have exactly two inverters. Precisely two semiconductor materials are then preferably also present, one in the first inverter and the second semiconductor material in the second inverter. However, it is also conceivable for a third, fourth or even more semiconductor material to be used in one or both inverters.
  • This arrangement can have different configurations depending on the number of electric motors.
  • the electric motor arrangement can have more inverters than electric motors. Then the inverters can be interconnected at least partially in front of the electric motor or the electric motors. If the electric motor arrangement has, for example, two inverters and one electric motor, the output of the inverters can be combined. The electric motor then does not notice, so to speak, that it is being supplied with electricity from more than one inverter. Depending on the amount of electricity required, either one of the inverters or both inverters are used to supply the electric motor with electricity.
  • the power supply of the inverters associated with an electric motor can remain separate even up to the electric motor. Then the electric motor can have just as many phases as the inverters together. For example, if an inverter has three phases, the electric motor coupled to two inverters can have six phases. Here the electric motor has to be upgraded. However, there are already configurations of electric motors with six phases; accordingly, two different inverters can also be coupled to such an electric motor.
  • more electric motors and inverters can also be provided in this configuration. If two inverters are to be assigned to one electric motor, four inverters and two electric motors can also be provided per axle. It is also conceivable for two motors to be arranged on the electric axle, with each electric motor being assigned to a wheel on one side of the axle, so to speak. An inverter with power diodes with a first semiconductor material can then be assigned to each of the electric motors, and a third inverter, which has power diodes with a second semiconductor material, can be assigned to both electric motors. The third inverter can be used for boosting, for example, for short-term acceleration processes.
  • the electric motor arrangement can have just as many inverters as there are electric motors and each inverter can be assigned to exactly one electric motor.
  • the power transistors can be divided, for example, in such a way that the first power transistors are assigned to a first printed circuit board and the second power transistors are assigned to a second printed circuit board.
  • the current flow in the inverter can then be regulated as required. This will make the single inverter though a little more expensive, but it can be operated in an optimized manner during operation. As will be described further below, the increase in costs can also be kept within reasonable limits by skillful selection of the power transistors, so that the overall benefit is greater than the increased expense.
  • the electric motor arrangement can have exactly two inverters and exactly two electric motors. Then each inverter has power transistors with different semiconductor materials.
  • a semiconductor material can preferably be silicon. Silicon is a semiconductor material that has better conductivity at higher voltages.
  • a semiconductor material can be silicon carbide. This is more efficient at lower voltages.
  • two types of power transistors are provided, namely power transistors with silicon and power transistors with silicon carbide.
  • the power transistors that have the silicon are designed as IGBTs and/or the power transistors that have the silicon carbide are designed as MOSFETs.
  • the power transistors can preferably be in the form of power semiconductor switches.
  • the power transistors can be designed as active switches.
  • the claimed power transistors can be arranged for use in the positive current direction, ie in the current direction towards the electric motor.
  • the electric motor arrangement therefore preferably has at least two different active switches for the positive current direction.
  • the reverse direction or negative current direction can be configured differently depending on the power transistor in the positive current direction.
  • silicon carbide power transistors in particular silicon carbide MOSFETs
  • the reverse direction can go through the same power transistors.
  • IGBTs with silicon it can be provided, for example, that a diode is arranged in the negative current direction.
  • gallium nitride GaN
  • gallium oxide Ga2Ü3
  • gallium arsenide GaAs
  • carbon C
  • any semiconductor material can be used as the first semiconductor material and any other semiconductor material can be used as the second semiconductor material.
  • a third semiconductor material and a fourth semiconductor material can also be used if further optimization can be achieved as a result.
  • the complexity also increases with each additional semiconductor material, since either further inverters or further printed circuit boards have to be provided and the control is also becoming more and more complex.
  • the power transistors with the better efficiency in the power line provide at least 30% of the inverter power. It can preferably be provided that the power transistors with the better efficiency in the power line provide at least 40% of the inverter power. Furthermore, it can be provided that the power transistors with the better efficiency in terms of current output provide at least 50% of the inverter output. Furthermore, at least 60% can be provided.
  • silicon carbide is more efficient at lower voltages. This correlates with low accelerations and/or low driving speeds. It is therefore advantageous for a city car if a larger proportion of the power transistors have silicon carbide, since those primarily intended for operation are more efficient than, for example, power transistors with silicon.
  • the second power transistors are only used for large accelerations, they are a kind of booster in the event of an overtaking maneuver or a driveway situation. Depending on the configuration, a large amount of inverter power can nevertheless be provided for this. For example, it is conceivable that the proportion of second power transistors will increase in sports cars because a large capacity is to be provided for acceleration. The actual amount of current that is made available via the first power transistors can then be even greater than in the city car just mentioned. However, since there should be a very large margin for acceleration, an even greater number of second power diodes is provided in proportion.
  • the inverter power to which reference is made in this case is preferably the peak power. This is usually set as a 10-second value. So it is the maximum power that the inverter can provide for ten seconds.
  • the ratio of the power diodes can also be related to one another by other variables.
  • the invention relates to a motor vehicle with an electric motor arrangement.
  • the electric motor arrangement is characterized in that it is designed as described.
  • the motor vehicle can advantageously have an electric axle and the electric motor arrangement can be arranged on the electric axle.
  • the motor vehicle can be designed as a hybrid vehicle. It can also have at least one internal combustion engine. The electric motor arrangement can then be arranged on the same or a different axis as the internal combustion engine.
  • the electric motor arrangement can preferably be arranged in a motor vehicle with a single electric axle.
  • the efficiency can be further increased, for example in hybrid vehicles, since power transistors with an optimum operating point are always available in all driving situations in a wide range of different driving situations.
  • the inverters can be designed for voltage classes of 48V, 400V or 800V. Accordingly, the power diodes can have ratings of 80 V or 120 V or 650 V or 750 V or 1200 V. The maximum blocking voltage is indicated here.
  • the inverters can also have intermediate circuit capacitors, a driver control and other customary components.
  • the motor vehicle also includes a direct current source, for example at least one battery. This feeds the inverter with direct current and/or is charged via the inverter.
  • a direct current source for example at least one battery. This feeds the inverter with direct current and/or is charged via the inverter.
  • the motor vehicle can also have a fuel cell.
  • FIG. 7 shows an electric motor arrangement in a fourth embodiment.
  • Fig. 1 shows a motor vehicle 1 with power electronics 2, for example in the form of an inverter 3.
  • the motor vehicle 1 can in particular have an electric axle 5 .
  • the motor vehicle 1 can basically be embodied as a hybrid motor vehicle or as an electric vehicle.
  • the motor vehicle 1 particularly preferably has a single electrical axle.
  • FIG. 2 shows the conduction characteristics of a silicon carbide MOSFET and a silicon IGBT.
  • the ratio of the voltages LJas to Uce is plotted on the axis 8 and the ratio of the currents Id to Ic is plotted on the axis 9.
  • Line 10 shows the forward characteristic of a silicon carbide MOSFET and line 12 shows the forward characteristic of a silicon IGBT. It can be seen that at the break-even point 14 the conductivity of the silicon IGBT becomes better than that of the silicon carbide MOSFET.
  • FIG. 3 shows a motor vehicle 18 in a second embodiment. This has two electrical axes 20 and 22 . Both can have an electric motor arrangement 6 .
  • FIG. 4 shows an electric motor arrangement 6 in a first embodiment.
  • This has a first inverter 24 which is operatively connected to a first electric motor 26 and a second inverter 28 which is operatively connected to a second electric motor 30 . Both electric motors can drive an axle 32 .
  • the first inverter 24 has first power diodes 34 which have a first semiconductor material 36 .
  • the first power diodes 34 are shown purely schematically, as is the first semiconductor material 36. Configurations of the first power diodes as MOSFETs or IGBTs are generally known.
  • the second inverter 28 has second power transistors 38 comprising a second semi-material 40 .
  • the first semiconductor material 36 can be silicon, for example, and the second semiconductor material 40 can be silicon carbide, for example. Furthermore, each inverter has more than a single first power diode, and for the sake of clarity only one power diode is shown in each case.
  • the axle 32 can be driven either by one of the electric motors 26 or 30 alone or by both electric motors 26 and 30 simultaneously.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of an electric motor arrangement 6.
  • both the first inverter 24 and the second inverter 28 are electrically connected to a single electric motor 42. If one assumes that both the first inverter 24 and the second inverter 28 have a three-phase output, then the electric motor 42 has a six-phase design. The superimposition of the currents of the inverters thus takes place in the electric motor 42 .
  • FIG. 6 shows an alternative configuration of an arrangement consisting of two inverters 24 and 28 and an electric motor 26.
  • the output currents of the inverters 24 and 28 are combined outside of the electric motor 26 and this instead, so that the electric motor can be designed as if it were connected to a single inverter.
  • FIG. 7 shows a further configuration of an electric motor arrangement 6.
  • An inverter 44 is provided which has both first power transistors 34 with a first semiconductor material 36 and second power transistors 38 with a second semiconductor material 40. The inverter 44 is then operatively connected to an electric motor 26 . This allows the number of inverters to be reduced to one.
  • the inverter 44 has a somewhat more complex structure than one of the inverters 24 or 28, since it should have two printed circuit boards, for example, with each printed circuit board being assigned a type of power transistor. There is therefore also a first printed circuit board, which is equipped with first power transistors, and a second printed circuit board, which is equipped with second power transistors.
  • the power transistors 34 and 38 can also be arranged on a single circuit board.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektromotoranordnung (6) für eine elektrische Achse (5, 20, 22) eines Kraftfahrzeuges (1, 18), wobei die Elektromotoranordnung (6) wenigstens einen Elektromotor (26, 30, 42) und eine Inverteranordnung (3) mit wenigstens einem Inverter (24, 28, 44) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Inverteranordnung (3) wenigstens einen ersten Leistungstransistor (34) mit einem ersten Halbleitermaterial (36) und wenigstens einen zweiten Leistungstransistor (38) mit einem zweiten Halbleitermaterial (40) aufweist. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.

Description

Elektromotoranordnung sowie Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Elektromotoranordnung für eine elektrische Achse eines Kraftfahrzeuges, wobei die Elektromotoranordnung wenigstens einen Elektromotor und eine Inverteranordnung mit wenigstens einem Inverter aufweist.
Inverter, auch Stromrichter genannt, benötigen ein Leistungsmodul, damit der aus ei- ner Batterie stammende Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird. Das Leis- tungsmodul weist Leistungstransistoren auf, die zum Steuern der Ströme und zur Er- zeugung des Wechselstroms verwendet werden. Dabei sind unterschiedliche Ausge- staltungen von Leistungstransistoren bekannt. Unter anderem ist es bekannt, soge- nannte MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) zu verwenden. Das dabei verwendete Halbleitermaterial kann Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC) oder auch Galliumnitrid (GaN) sein. Je nach Ausgestaltung des Leistungstransistors und des Halbleitermaterials weisen die Leis- tungsmodule unterschiedliche Durchlasskennlinien auf.
Halbleitertransistoren mit Silizium weisen beispielsweise bei größeren Spannungen eine bessere Leitfähigkeit auf und Halbleitertransistoren mit Siliziumcarbid bei kleine- ren Strömen. Je nachdem, wo der Hauptbetriebsbereich des Inverters gesehen wird, kann die Verwendung der Halbleitermaterialien der Halbleitertransistoren darauf ab- gestimmt werden.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektromotoran- ordnung anzugeben, bei der demgegenüber die Effizienz weiter gesteigert ist und die dabei kostengünstig zu realisieren ist.
Zur Lösung dieses Problems wird bei einer Elektromotoranordnung der eingangs ge- nannten Art vorgeschlagen, dass die Inverteranordnung wenigstens einen ersten Leistungstransistor mit einem ersten Halbleitermaterial und wenigstens einen zweiten Halbleitertransistor mit einem zweiten Halbleitermaterial aufweist. Als Kern der Erfindung wird angesehen, für eine elektrische Achse bei der Wechsel- stromerzeugung Leistungstransistoren mit wenigstens zwei unterschiedlichen Halb- leitermaterialien zur Verfügung zu haben und dadurch die Stromversorgung des die Achse antreibenden Elektromotors leistungsoptimiert zu realisieren. Wie beschrieben weist die Elektromotoranordnung wenigstens einen Elektromotor auf. Die Inverteran- ordnung der Elektromotoranordnung weist wenigstens einen Inverter auf. In der In- verteranordnung befinden sich wenigstens zwei unterschiedliche Leistungstransisto- ren zur Erzeugung des Wechselstroms für den Elektromotor. Je nach Betriebsbe- reich können dabei entweder ausschließlich diejenigen Leistungstransistoren ver- wendet werden, für die der Betriebsbereich optimal ist. Alternativ kann ein Teil der Leistungstransistoren auch verwendet werden, um in bestimmten Betriebsbereichen zugeschaltet zu werden.
In einer ersten Ausgestaltung kann die Inverteranordnung wenigstens zwei Inverter aufweisen, wobei die Leistungstransistoren der Inverter aus unterschiedlichen Halb- leitermaterialien bestehen. Jeder Inverter weist also ausschließlich Leistungstransis- toren mit einem Halbleitermaterial auf. Das heißt, dass die Inverter sozusagen sor- tenrein ausgestaltet sind. Dann ist nicht nur ein Leistungstransistor für einen be- stimmten Betriebsbereich optimal, sondern auch der damit ausgestattete Inverter.
Bevorzugt kann die Inverteranordnung genau zwei Inverter aufweisen. Dann sind be- vorzugt auch genau zwei Halbleitermaterialien vorhanden, eines im ersten Inverter und das zweite Halbleitermaterial im zweiten Inverter. Es ist aber auch denkbar, dass in einem oder beiden Invertern ein drittes, viertes oder noch mehr Halbleitermateria- lien verwendet werden.
Bei dieser Anordnung kann es je nach Anzahl der Elektromotoren unterschiedliche Konfigurationen geben. Beispielsweise kann die Elektromotoranordnung mehr Inver- ter als Elektromotoren aufweisen. Dann können die Inverter zumindest teilweise vor dem Elektromotor oder den Elektromotoren zusammengeschaltet sein. Weist die Elektromotoranordnung beispielsweise zwei Inverter und einen Elektromotor auf, kann der Ausgang der Inverter zusammengelegt sein. Der Elektromotor merkt dann sozusagen nicht, dass er von mehr als einem Inverter mit Strom beaufschlagt wird. Je nach angeforderter Strommenge wird entweder einer der Inverter oder beide In- verter eingesetzt, um den Elektromotor mit Strom zu versorgen.
Alternativ kann die Stromführung der Inverter, die einem Elektromotor zugeordnet sind, selbst bis zum Elektromotor getrennt bleiben. Dann kann der Elektromotor ge- nauso viele Phasen aufweisen wie die Inverter zusammen. Weist ein Inverter bei- spielsweise drei Phasen auf, kann der Elektromotor, der mit zwei Invertern gekoppelt ist, sechs Phasen aufweisen. Hierbei ist der Elektromotor aufzurüsten. Allerdings gibt es bereits Ausgestaltungen von Elektromotoren mit sechs Phasen, dementsprechend können an einem derartigen Elektromotor auch zwei unterschiedliche Inverter ange- koppelt werden.
Grundsätzlich können bei dieser Ausgestaltung auch mehr Elektromotoren und Inver- ter vorgesehen sein. Sollen jeweils zwei Inverter einem Elektromotor zugeordnet sein, können auch vier Inverter und zwei Elektromotoren pro Achse vorgesehen wer- den. Weiterhin ist es denkbar, dass zwei Motoren an der elektrischen Achse ange- ordnet sind, wobei jeder Elektromotor auf einer Seite der Achse sozusagen einem Rad zugeordnet ist. Dann kann den Elektromotoren jeweils ein Inverter mit Leis- tungsdioden mit einem ersten Halbleitermaterial zugeordnet sein und ein dritter Inver- ter, der Leistungsdioden mit einem zweiten Halbleitermaterial aufweist, kann beiden Elektromotoren zugeordnet sein. Der dritte Inverter kann beispielsweise für kurzfris- tige Beschleunigungsvorgänge zum Boosten eingesetzt werden.
Weiterhin kann die Elektromotoranordnung genauso viele Inverter wie Elektromoto- ren aufweisen und jeder Inverter genau einem Elektromotor zugeordnet sein. Bei die- ser Ausgestaltung ist bevorzugt vorgesehen, dass genau ein Inverter und genau ein Elektromotor vorgesehen sind. Dann weist der einzige Inverter selbst die ersten und zweiten Leistungstransistoren auf.
Die Leistungstransistoren können beispielsweise derart aufgeteilt sein, dass einer ersten Leiterplatte die ersten Leistungstransistoren zugeordnet sind und einer zwei- ten Leiterplatte die zweiten Leistungstransistoren. Dann kann die Stromführung im Inverter bedarfsgerecht geregelt werden. Dadurch wird der einzelne Inverter zwar etwas teurer, jedoch ist er im Betrieb optimiert betreibbar. Auch kann, wie weiter un- ten noch beschrieben wird, durch eine geschickte Auswahl der Leistungstransistoren die Kostensteigerung im Rahmen gehalten werden, sodass der Nutzen insgesamt höher ist als der erhöhte Aufwand.
Alternativ kann die Elektromotoranordnung genau zwei Inverter und genau zwei Elektromotoren aufweisen. Dann weist jeder Inverter Leistungstransistoren mit unter- schiedlichen Halbleitermaterialien auf.
Bevorzugt kann ein Halbleitermaterial Silizium sein. Silizium ist ein Halbleitermaterial, das bei höheren Spannungen eine bessere Leitfähigkeit aufweist.
Weiterhin kann ein Halbleitermaterial Siliziumcarbid sein. Dieses ist bei niedrigeren Spannungen effizienter.
In einer Ausgestaltung kann also vorgesehen sein, dass zwei Arten von Leistungs- transistoren vorgesehen sind, nämlich Leistungstransistoren mit Silizium und Leis- tungstransistoren mit Siliziumcarbid. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Leistungstransistoren, die das Silizium aufweisen, als IGBTs ausgestaltet sind und / oder die Leistungstransistoren, die das Siliziumcarbid aufweisen als MOS- FETs ausgestaltet sind.
Die Leistungstransistoren können, unabhängig vom verwendeten Halbleitermaterial, bevorzugt als Leistungshalbleiterschalter ausgebildet sein. Insbesondere können die Leistungstransistoren als aktive Schalter ausgestaltet sein. Es kann zwar auch pas- sive Schalter, beispielsweise in Form von Dioden, in einem Inverter geben, jedoch sind zumindest zwei unterschiedliche Arten von aktiven Schaltern vorzusehen.
Insbesondere können die beanspruchten Leistungstransistoren zur Verwendung in der positiven Stromrichtung, also in der Stromrichtung zum Elektromotor hin, ange- ordnet sein. Die Elektromotoranordnung weist also bevorzugt für die positive Strom- richtung wenigstens zwei unterschiedliche aktive Schalter auf. Die Rückwärtsrichtung oder negative Stromrichtung kann je nach Leistungstransistor in positiver Stromrichtung unterschiedlich ausgestaltet sein. Bei Leistungstransistoren mit Siliziumcarbid, insbesondere MOSFETs mit Siliziumcarbid, kann die Rückwärts- richtung durch dieselben Leistungstransistoren gehen. Bei IGBTs mit Silizium kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in der negativen Stromrichtung eine Diode an- geordnet ist.
Weiterhin kann als Halbleitermaterial Galliumnitrid (GaN) verwendet werden. Weiter oder alternativ kann als Halbleitermaterial Galliumoxid (Ga2Ü3) verwendet werden. Weiter oder alternativ kann als Halbleitermaterial Galliumarsenid (GaAs) verwendet werden. Weiter oder alternativ kann Kohlenstoff (C) als Halbleitermaterial verwendet werden.
Grundsätzlich kann jedes Halbleitermaterial zur Verwendung als erstes Halbleiterma- terial verwendet werden und jedes andere Halbleitermaterial als zweites Halbleiter- material. Auch können ein drittes Halbleitermaterial und ein viertes Halbleitermaterial eingesetzt werden, wenn eine weitere Optimierung dadurch erreicht werden kann. Al- lerdings steigt auch mit jedem zusätzlichen Halbleitermaterial die Komplexität, da entweder weitere Inverter oder weitere Leiterplatten vorzusehen sind und auch die Ansteuerung immer aufwendiger wird.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Leistungstransistoren mit der besseren Effizienz in der Stromleitung wenigstens 30 % der Inverterleistung stellen. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Leistungstransistoren mit der besseren Effizient in der Stromleitung wenigstens 40 % der Inverterleistung stellen. Weiterhin kann vorge- sehen sein, dass die Leistungstransistoren mit der besseren Effizienz in der Strom- leistung wenigstens 50 % der Inverterleistung stellen. Weiterhin können wenigstens 60 % vorgesehen sein.
Die bessere Effizienz bemisst sich dabei daran, dass bei der durchschnittlich erwar- teten Verwendung des Inverters eines der verwendeten Halbleitermaterialien einen optimalen Betriebspunkt hat. Beispielsweise ist Siliziumcarbid bei niedrigeren Span- nungen effizienter. Dies korreliert mit niedrigen Beschleunigungen und / oder niedrigen Fahrgeschwindigkeiten. Für ein Stadtauto ist es also vorteilhaft, wenn ein größerer Anteil der Leistungstransistoren Siliziumcarbid aufweist, da die für den hauptsächlich vorgesehenen Betrieb effizienter sind als beispielsweise Leistungstran- sistoren mit Silizium.
Werden die zweiten Leistungstransistoren nur bei großen Beschleunigungen verwen- det sind diese eine Art Booster für den Fall eines Überholvorgangs oder einer Auf- fahrt-Fahrsituation. Je nach Ausgestaltung kann für diese trotzdem eine große Menge an der Inverterleistung vorgesehen sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass bei Sportwagen der Anteil der zweiten Leistungstransistoren steigt, weil für die Be- schleunigung eine große Kapazität vorgesehen sein soll. Dann kann die eigentliche Strommenge, die über die ersten Leistungstransistoren zur Verfügung gestellt wird, sogar größer sein als bei dem gerade erwähnten Stadtauto. Da für die Beschleuni- gung aber ein sehr großer Spielraum bestehen soll wird im Verhältnis eine noch grö- ßere Anzahl an zweiten Leistungsdioden vorgesehen.
Insbesondere kann man dabei neben der reinen Effizienz auch Kostengesichts- punkte berücksichtigen. So kann man diejenigen Leistungstransistoren, die sozusa- gen nur kurzzeitig verwendet werden, möglichst kostengünstig ausgestalten. Auch wenn diese in der Effizienz eher schlecht ausgebildet sind, kann so ein kurzfristiger Leistungshub kostengünstig realisiert werden. Die Gesamtbilanz wird dadurch aber auch nur unwesentlich verschlechtert.
Die Inverterleistung, auf die dabei referenziell wird, ist bevorzugt die Peakleistung. Diese ist üblicherweise als 10-Sekunden-Wert festgelegt. Es ist also diejenige maxi- male Leistung, die der Inverter für zehn Sekunden zur Verfügung stellen kann. Natür- lich kann das Verhältnis der Leistungsdioden auch durch andere Größen zueinander in Bezug gesetzt werden.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Elektromotoranordnung. Die Elektromotoranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass sie wie beschrieben ausgebildet ist. Das Kraftfahrzeug kann vorteilhafterweise eine elektrische Achse aufweisen und die Elektromotoranordnung an der elektrischen Achse angeordnet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Es kann also auch wenigstens einen Verbrennungsmotor aufweisen. Dann kann die Elektromotoranordnung an derselben oder einer anderen Achse angeordnet sein wie der Verbrennungsmotor.
Bevorzugt kann die Elektromotoranordnung in einem Kraftfahrzeug mit einer einzigen elektrischen Achse angeordnet sein. Dadurch kann die Effizienz beispielsweise in Hybrid-Fahrzeugen weiter gesteigert werden, da bei rein elektrischer Fahrt bei unter- schiedlichsten Fahrsituationen immer Leistungstransistoren mit einem optimalen Be- triebspunkt zur Verfügung stehen.
Die Inverter können dabei für Spannungsklassen von 48 V, 400 V oder 800 V ausge- bildet sein. Die Leistungsdioden können dementsprechend Raitings von 80 V oder 120 V oder 650 V oder 750 V oder 1200 V aufweisen. Dabei ist die maximale Sperr- spannung bezeichnet.
Die Inverter können weiterhin Zwischenkreiskondensatoren aufweisen, eine Treiber- ansteuerung und sonstige übliche Bestandteile.
Das Kraftfahrzeug umfasst ferner eine Gleichstromquelle, bspw. wenigstens eine Batterie. Diese speist den Inverter mit Gleichstrom und/oder wird über den Inverter geladen.
Alternativ kann das Kraftfahrzeug auch eine Brennstoffzelle aufweisen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der fol- genden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und Figuren. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Kraftfahrzeug, Fig. 2 Durchlasskennlinien,
Fig. 3 ein Kraftfahrzeug in einer zweiten Ausgestaltung,
Fig. 4 eine Elektromotoranordnung in einer ersten Ausgestaltung,
Fig. 5 eine Elektromotoranordnung in einer zweiten Ausgestaltung,
Fig. 6 eine Elektromotoranordnung in einer dritten Ausgestaltung und
Fig. 7 eine Elektromotoranordnung in einer vierten Ausgestaltung.
Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Leistungselektronik 2, beispielsweise in Form eines Inverters 3. Dieser umfasst u.a. ein Leistungsmodul 4.
Das Kraftfahrzeug 1 kann insbesondere eine elektrische Achse 5 aufweisen. Das Kraftfahrzeug 1 kann grundsätzlich als Hybrid-Kraftfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein. Besonders bevorzugt weist das Kraftfahrzeug 1 eine einzige elektri- sche Achse auf.
Fig. 2 zeigt die Durchlasskennlinien eines Siliziumcarbid-MOSFETs und eines Sili- zium-IGBTs. Auf der Achse 8 ist das Verhältnis der Spannungen LJas gegen Uce auf- getragen und auf der Achse 9 das Verhältnis der Ströme Id zu lc. Dabei zeigt die Linie 10 die Durchlasskennlinie eines Siliziumcarbid-MOSFETs und die Linie 12 die Durch- lasskennlinie eines Silizium-IGBTs. Man erkennt, dass am Break-Even-Punkt 14 die Leitfähigkeit des Silizium-IGBTs besser wird als die des Siliziumcarbid-MOSFETs.
Derartige Kennlinien existieren selbstverständlich auch für andere Halbleitermateria- lien und Transistorentypen. Dabei erkennt man auch, dass der maximale Ausgangs- strom 16 beim Silizium-IGBT bei geringeren Spannungen erreicht wird als beim Silizi- umcarbid-MOSFET. Fig. 3 zeigt ein Kraftfahrzeug 18 in einer zweiten Ausgestaltung. Dieses weist zwei elektrische Achsen 20 und 22 auf. Beide können eine Elektromotoranordnung 6 auf- weisen.
Fig. 4 zeigt eine Elektromotoranordnung 6 in einer ersten Ausgestaltung. Diese weist einen ersten Inverter 24 auf, der mit einem ersten Elektromotor 26 wirkverbunden ist sowie einen zweiten Inverter 28, der mit einem zweiten Elektromotor 30 wirkverbun- den ist. Beide Elektromotoren können eine Achse 32 antreiben. Der erste Inverter 24 weist erste Leistungsdioden 34 auf, die ein erstes Halbleitermaterial 36 aufweisen. Die ersten Leistungsdioden 34 sind dabei rein schematisch dargestellt, wie auch das erste Halbleitermaterial 36. Ausgestaltungen der ersten Leistungsdioden als MOS- FET oder IGBT sind allgemein bekannt.
Der zweite Inverter 28 weist zweite Leistungstransistoren 38 auf, die ein zweites Halbmaterial 40 umfassen.
Bei dem ersten Halbleitermaterial 36 kann es sich beispielsweise um Silizium han- deln und bei dem zweiten Halbleitermaterial 40 beispielsweise um Siliziumcarbid. Weiterhin weist jeder Inverter mehr als eine einzige erste Leistungsdiode auf und der Übersichtlichkeit halber ist aber lediglich jeweils eine Leistungsdiode dargestellt. Die Achse 32 kann dabei entweder durch einen der Elektromotoren 26 oder 30 alleine o- der auch durch beide Elektromotoren 26 und 30 gleichzeitig angetrieben werden.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer Elektromotoranordnung 6. Im Unter- schied zu Fig. 4 sind sowohl der erste Inverter 24 als auch der zweite Inverter 28 mit einem einzigen Elektromotor 42 elektrisch verbunden. Geht man davon aus, dass so- wohl der erste Inverter 24 als auch der zweite Inverter 28 einen dreiphasigen Aus- gang aufweisen, so ist der Elektromotor 42 sechsphasig ausgebildet. Die Überlage- rung der Ströme der Inverter findet damit im Elektromotor 42 statt.
Fig. 6 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Anordnung bestehend aus zwei In- vertern 24 und 28 und einem Elektromotor 26. Dabei findet die Zusammenführung der Ausgangsströme der Inverter 24 und 28 außerhalb des Elektromotors 26 und vor diesem statt, sodass der Elektromotor so ausgebildet sein kann, als wäre er mit ei- nem einzigen Inverter verbunden.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Elektromotoranordnung 6. Dabei ist ein Inverter 44 vorgesehen, der sowohl erste Leistungstransistoren 34 mit einem ersten Halbleitermaterial 36 als auch zweite Leistungstransistoren 38 mit einem zweiten Halbleitermaterial 40 aufweist. Der Inverter 44 ist dann mit einem Elektromotor 26 wirkverbunden. Dadurch kann die Anzahl der Inverter auf Eins reduziert werden. Der Inverter 44 ist dabei etwas komplexer aufgebaut als einer der Inverter 24 oder 28, da er beispielsweise zwei Leiterplatten aufweisen sollte, wobei jede Leiterplatte eine Sorte Leistungstransistoren zugeordnet ist. Es gibt daher also auch eine erste Leiter- platte, die mit ersten Leistungstransistoren bestückt ist und eine zweite Leiterplatte, die mit zweiten Leistungstransistoren bestückt ist. Alternativ können die Leistungs- transistoren 34 und 38 auch auf einer einzigen Leiterplatte angeordnet sein.
Bezugszeichen
Kraftfahrzeug
Leistungselektronik
Inverteranordnung
Leistungsmodul elektrische Achse
Elektromotoranordnung
Elektromotor
Achse
Achse
Linie
Linie
Break-Even-Punkt
Ausgangsstrom
Kraftfahrzeug elektrische Achse elektrische Achse
Inverter
Elektromotor
Inverter
Elektromotor
Achse erster Leistungstransistor erstes Halbleitermaterial zweiter Leistungstransistor zweites Halbleitermaterial
Elektromotor
Inverter

Claims

Patentansprüche
1. Elektromotoranordnung (6) für ein Kraftfahrzeug (1 , 18), wobei die Elektromotoran- ordnung (6) wenigstens einen Elektromotor (26, 30, 42) und eine Inverteranordnung (3) mit wenigstens einem Inverter (24, 28, 44) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Inverteranordnung (3) wenigstens einen ersten Leistungstransistor (34) mit einem ersten Halbleitermaterial (36) und wenigstens einen zweiten Leistungstransis- tor (38) mit einem zweiten Halbleitermaterial (40) aufweist.
2. Elektromotoranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die In- verteranordnung (3) wenigstens zwei Inverter (24, 26) aufweist, wobei die Leistungs- transistoren (34, 38) der Inverter aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien (36, 38) bestehen.
3. Elektromotoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die In- verteranordnung (3) genau zwei Inverter (24, 26) aufweist.
4. Elektromotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Elektromotoranordnung (6) mehr Inverter (24, 28) als Elektro- motoren (26) aufweist die Inverter (24, 28) zumindest teilweise vor dem Elektromotor (26) oder den Elektromotoren zusammengeschaltet sind.
5. Elektromotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich- net, dass zwei Inverter (24, 28) einem Elektromotor (26) zugeordnet sind und der Elektromotor (26) genauso viele Phasen aufweist wie die Inverter (24, 28) zusam- men.
6. Elektromotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich- net, dass die Elektromotoranordnung (6) genauso viele Inverter (24, 26) wie Elektro- motoren (26, 30) aufweist und jeder Inverter (24, 26) genau einem Elektromotor (26, 30) zugeordnet ist.
7. Elektromotoranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die In- verteranordnung (3) genau einen Inverter (44) aufweist, wobei die Leistungstransistoren (34, 38) des Inverters (44) aus unterschiedlichen Halbleiterma- terialien (36, 40) bestehen.
8. Elektromotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass ein Halbleitermaterial (36) Silizium (Si) ist.
9. Elektromotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass ein Halbleitermaterial (40) Siliziumcarbid (SiC) ist.
10. Elektromotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Leistungstransistoren (40) mit der besseren Effizienz in der Stromleitung wenigstens 30% der Inverterleistung stellen.
11. Elektromotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Leistungstransistoren (34, 38) als aktive Schalter ausgebildet sind.
12. Elektromotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Leistungstransistoren (34, 38) für die positive Stromrichtung angeordnet sind.
13. Elektromotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Leistungstransistoren (34, 38) in einem
14. Kraftfahrzeug mit einer Elektromotoranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoranordnung (6) nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebil- det ist.
15. Kraftfahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es eine, insbe- sondere eine einzige, elektrische Achse (5) aufweist.
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