WO2006105840A1 - Schalteinrichtung zur verknüpfung verschiedener elektrischer spannungsebenen in einem kraftfahrzeug - Google Patents

Schalteinrichtung zur verknüpfung verschiedener elektrischer spannungsebenen in einem kraftfahrzeug Download PDF

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Definitions

  • Switching device for linking different electrical voltage levels in a motor vehicle
  • the invention relates to a switching device for linking various electrical voltage levels in a motor vehicle, in which a drive voltage level has an electric drive machine that can be controlled via a power converter and a drive energy storage assigned to a DC link, and where the drive voltage level is connected to an on-board network via an electrical converter. Voltage level is interconnected.
  • Object of the present invention is therefore to provide a switching device for linking different voltage levels in a motor vehicle, which is at least the same functionality as a DC / DC converter, easier and less expensive.
  • the electrical converter is designed as a coupling circuit, the drive side with at least one node of a winding circuit of the electric drive machine and related to the intermediate circuit
  • Voltage potential is connected, and the on-board network side via a switching unit having at least one non-vanishing finite impedance is connected to the electrical system.
  • the electric machine itself is used to link the voltage levels of the electric machine and the vehicle electrical system.
  • the electrical system is coupled via the coupling circuit directly to the electric machine.
  • the potential of the node point can be adjusted by the control of the power converter, at least in stages between the potentials of the intermediate circuit.
  • the frequency of the node voltage related to the intermediate circuit is independent of the frequency of the resulting field at the electrical machine to be controlled.
  • about this additional degree of freedom of the power flow in the coupling circuit in a wide range is independent of the mechanical power of the electric machine adjustable. The adjustability is limited only by the effective impedances of the original circuit and additional circuitry.
  • the coupling circuit can be used for monodirectional or bidirectional power flow are designed, ie it is both a supply of the DC link (including the connected drive energy storage) from the electrical system as well as the electrical system from the DC bus possible.
  • the functionality of the coupling circuit is given in each workspace of the electrical machine. In particular, the direction of the power flow within the coupling circuit is not dependent on the working quadrant (magnetization curve) of the electrical machine.
  • the switching device minimizes the cost of coupling the various voltage levels. Specifically, this means no additional magnetic elements, fewer semiconductor components, less
  • controls less costs for the connection technology and lower design costs for cooling and housing.
  • the additional elements can be integrated into the converter or inverter part of the drive using the technologies already used there.
  • Functionality reduces complexity, space, weight and cost by more than two-thirds.
  • the coupling circuit according to the invention can be interconnected in particular as little effort as a bidirectional converter. This is achieved as an additional functionality over conventional circuits with DC / DC converters, that the drive energy storage with a higher voltage compared to a vehicle electrical system, or on-board energy storage (vehicle battery), in unused vehicle does not need to be powered from the electrical system. As a result, the memory losses of the drive energy storage can be minimized. In particular, when the vehicle is shut down, the drive energy store can be actively discharged into the vehicle electrical system and charged again in a very short time when the vehicle is put into service.
  • the electric machine can be supplied by a corresponding control of the individual switches also directly from the electrical system with drive power, or directly as a regenerative power converter between mechanical downforce and Vehicle electrical system can act.
  • the efficiency chain of the energy conversion compared to a conventional circuit with DC / DC converter is shortened, which is why the overall system has a correspondingly higher efficiency for the conversion between electrical energy and mechanical energy.
  • Due to the possibility of direct power conversion between the electrical system and the mechanical output, emergency operation with a defective energy store can still be represented in the plane of higher voltage, or in the case of (partially) defective current or inverter.
  • Both a starter and a generator function can be represented by the direct coupling of electrical system and electrical system.
  • the electric drive machine is designed as a multi-strand three-phase machine, which is connected to a configured as a star connection winding circuit and controlled by a converter designed as an inverter, and the coupling circuit is the drive side with at least one node formed as a star point Star connection of the three-phase machine connected.
  • the coupling circuit can be particularly efficiently connected to a star connection.
  • the electrical system is connected via the coupling circuit with the star point (node) of the star-connected multi-strand machine and the related to the intermediate circuit, or the energy storage potential.
  • the inverter inverter
  • the potential of the star point between the potentials of the DC link can be set.
  • the coupling circuit according to the invention is not only suitable for a "conventional" three-phase three-phase machine or a three-phase machine with more than three lines, but can also be applied to a single-brushless DC machine or a single-phase motor ,
  • the voltage potential related to the intermediate circuit is predetermined by the midpoint of an intermediate circuit voltage.
  • voltage limiting means are provided with the aid of which occurring overvoltages can be limited at one or more nodes of the winding circuit.
  • the voltage limiting means may be designed as electrical clamping elements. Due to the fact that the node or star point is clamped in relation to the intermediate circuit, overvoltages caused by a regulator of the vehicle electrical system voltage can be limited at the neutral point. With a corresponding utilization of the magnetic flux coupling in the electric machine, or a control of the individual inductances in a flux equilibrium, additional clamping elements, such as clamping diodes, are dispensable. Clamping can also be done by capacitive relief of the star point.
  • the intermediate circuit is not claimed with the occurring Rippeistrom (charging and discharging) of the coupling circuit in an appropriate control.
  • a control of the coupling of the voltage levels is integrated into a control device of the electric machine.
  • the electrical system and the winding circuit are coupled via an isolating transformer.
  • an energy exchange between the circuit areas in a safe electrical (galvanic) separation allows.
  • Another advantage is that the capacitive load of the star point is minimized and the current absorbed by the electrical system only transforms in drive energy storage, inverter and electric machine occurs. As a result, the design of the individual components of the circuit device can be optimized.
  • FIG. 1a is a block diagram for a coupling between a vehicle electrical system and a drive energy storage
  • Figure 1 b a second block diagram for the coupling between electrical system
  • FIG. 2 shows a block diagram for the direct coupling between an electrical machine and the vehicle electrical system
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a coupling circuit between the electrical machine and the vehicle electrical system
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the coupling circuit
  • FIG. 5 shows a third embodiment of the coupling circuit
  • FIG. 6 shows a fourth embodiment of the coupling circuit
  • FIG. 7 shows a fifth embodiment of the coupling circuit
  • FIG. 8 shows a sixth embodiment of the coupling circuit
  • Figure 9 a seventh embodiment of the coupling circuit
  • Figure 10 an eighth embodiment of the coupling circuit.
  • a switching device for linking different voltage levels in a motor vehicle consists essentially of a coupling circuit 4, via which an electrical machine 3 is connected directly to a vehicle electrical system 5.
  • Fig. 1 shows two possible circuit structures of the coupling of the electrical system 5 and a drive energy storage 1 in a vehicle with an electric drive (hybrid vehicle with an internal combustion engine and an electric motor or electric vehicle).
  • the drive energy storage 1, an inverter 2, the electrical machine 3 and the electrical system 5 can be arranged in circuit terms behind one another, wherein a neutral point converter, which is represented by the coupling circuit 4, an integral part of the electrical system switching components (Fig. 1a).
  • the neutral point converter can also be designed as an integral part of the inverter 2.
  • the electrical system 5 is a 12V electrical system with a power consumption below 4kW
  • the drive energy storage 1 a 200V memory
  • the inverter 2 is designed for a power of 10OkVA and the electric machine 3 makes about 5OkW. Accordingly, a 12V voltage level and a 200V voltage level are formed.
  • Fig. 2 shows the basic circuit structure with a three-stranded electric machine.
  • the vehicle electrical system 5 is coupled via an impedance 7 (equivalent impedance) into a star point 8 (terminal point) of a star connection 10 (winding circuit).
  • the three-phase machine 3 is preceded by the inverter 2 as a power electronics, via which the machine 3 can be controlled.
  • the inverter 2 is connected to a DC link 6 to which the drive energy storage 1 is assigned.
  • the machine 3 can be operated as a motor and as a generator.
  • the coupling circuit 4 is advantageously designed as a bidirectional circuit, so that both the intermediate circuit 6 from the Vehicle electrical system 5 and vice versa, the electrical system 5 from the intermediate circuit 6 can be fed.
  • FIGS. 3 to 10 show various embodiments of the switching device.
  • substantially the inverter 2 and a switching unit 11 of the coupling circuit 4 are designed differently.
  • the individual switching elements are to be dimensioned differently on the basis of the applied voltages and currents, resulting in different optima for the semiconductor consumption.
  • the specification of the circuit examples is not exhaustive. Among other things, by stepwise transfer of the individual circuits into each other and taking into account restrictive tax conditions, further circuit variants with the properties according to the invention are conceivable.
  • the circuit of Figure 3 enables bi-directional power flow between the energy stores (drive energy storage 1 and on-board energy storage, i.e. vehicle battery) of the voltage levels.
  • the electric machine 3 can be fed from both energy stores.
  • the function of the circuit is in principle not dependent on the type of individual switch of the switching part 11. Two further exemplary embodiments with the same properties are shown in FIGS. 6 and 7.
  • circuit diagram in Fig. 4 shows a circuit using (commercially available) transistors as switching elements with otherwise the same function as in Figure 3.
  • FIG. 5 shows a circuit for a monodirectional power flow from the drive energy storage 1 and the electric machine 3 to the electrical system 5. This circuit enables the operation of the machine 3 on the drive energy storage 1.
  • FIG. 8 shows a circuit with a divided star circuit 10, ie with two neutral points 8.
  • the coupling circuit 4 or the switching unit 11 is here between arranged the account points 8. Otherwise, this circuit corresponds to the operation of the circuits of Figures 3, 6 and 7.
  • the circuit in FIG. 9 has an isolating transformer 9 which separates the star connection 10 and the switching unit 11. This circuit enables bidirectional power flow as well as potential separation between the energy stores.
  • the machine 3 can also be operated here from two energy stores (drive and vehicle electrical system).
  • the circuit in FIG. 10 again has a divided star connection 10 and otherwise corresponds to the embodiment according to FIG. 9.

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Abstract

Schalteinrichtung zur Verknüpfung verschiedener elektrischer Spannungsebenen in einem Kraftfahrzeug, bei der eine Antriebs-Spannungsebene eine über einen Stromrichter ansteuerbare elektrische Antriebsmaschine und einen einem Zwischenkreis zugeordneten Antriebsenergiespeicher aufweist, und bei der die Antriebs-Spannungsebene über einen elektrischen Wandler mit einer Bordnetz-Spannungsebene verschaltet ist, wobei der elektrische Wandler als eine Koppelschaltung ausgebildet ist, die antriebsseitig mit wenigstens einem Knotenpunkt einer Wicklungsschaltung der elektrischen Antriebsmaschine und einem auf den Zwischenkreis bezogenen Spannungspotential verbunden ist, und die bordnetzseitig über eine Schalteinheit, die wenigstens eine nicht verschwindende endliche Impedanz aufweist, mit dem Bordnetz verbunden ist.

Description

Schalteinrichtung zur Verknüpfung verschiedener elektrischer Spannungsebenen in einem Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zur Verknüpfung verschiedener elektrischer Spannungsebenen in einem Kraftfahrzeug, bei der eine Antriebs- Spannungsebene eine über einen Stromrichter ansteuerbare elektrische Antriebsmaschine und einen einem Zwischenkreis zugeordneten Antriebsenergiespeicher aufweist, und bei der die Antriebs-Spannungsebene über einen elektrischen Wandler mit einer Bordnetz-Spannungsebene verschaltet ist.
Im Automobilbau werden für Elektro- und Hybridfahrzeuge elektrische Maschinen eingesetzt. Aufgrund ihrer guten Steuerbarkeit und Performance setzen sich zunehmend Drehstromantriebe unterschiedlicher Strang- und Polpaarzahl sowie in asynchroner und synchroner Bauform als Antriebe durch. Aus konstruktiven Gesichtspunkten ist dabei eine möglichst hohe elektrische Spannung (200 - 300V) am Antrieb vorzusehen, um bei hoher Leistungsdichte ein Verlustleistungsminimum zu erreichen. Die gewöhnlich im Fahrzeug verwendete Spannungsebene von 12V oder zukünftig 42V ist für einen Antrieb hoher Leistung nicht vorteilhaft einsetzbar. Zur Kopplung der Spannungsebenen von Hochleistungsantrieb und Bordnetz sind deshalb zusätzliche Anpasseinrichtungen notwendig. Insbesondere wenn die Speisung des Bordnetzes durch den Hochleistungsantrieb (Generatorfunktion) übernommen werden soll, ist die Realisierung dieser Anpasselemente sehr aufwendig.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 103 13 752 A1 , ist es bekannt, verschiedene Spannungsebenen in Mehrspannungsbordnetzen in Kraftfahrzeugen durch einen (bidirektionalen) DC/DC-Wandler (Gleichspannungswandler) zu verschalten. Insbesondere bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen ist es bekannt, einen DC/DC-Wandler zwischen einem Antriebsenergiespeicher, bzw. einem Zwischenkreis, und dem Bordnetz anzuordnen. Nachteilig bei der bekannten Technik wirkt sich aus, dass sie zu hoher Systemkomplexität, hohen Systemkosten, hohem Bauraumbedarf sowie einem zusätzlichen Gewicht führt. Beispielsweise beansprucht ein DC/DC-Wandler bei einer Bordnetzleistung von 4kW ein Bauvolumen von wenigstens 51, bei einem Gewicht von mehr als 10kg. Weitere Aufwendungen entstehen durch zusätzliche Einrichtungen, wie Kühlung und Überwachung, die für einen zuverlässigen Betrieb des DC/DC-Wandlers erforderlich sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schalteinrichtung zur Verknüpfung unterschiedlicher Spannungsebenen in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, die bei wenigstens gleicher Funktionalität wie ein DC/DC-Wandler, einfacher und kostengünstiger ist.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass der elektrische Wandler als eine Koppelschaltung ausgebildet ist, die antriebsseitig mit wenigstens einem Knotenpunkt einer Wicklungsschaltung der elektrischen Antriebsmaschine und einem auf den Zwischenkreis bezogenen
Spannungspotential verbunden ist, und die bordnetzseitig über eine Schalteinheit, die wenigstens eine nicht verschwindende endliche Impedanz aufweist, mit dem Bordnetz verbunden ist.
Erfindungsgemäß wird die elektrische Maschine selbst zur Verknüpfung der Spannungsebenen von Elektromaschine und Bordnetz genutzt. Dabei wird das Bordnetz über die Koppelschaltung direkt mit der elektrischen Maschine gekoppelt. Durch diese Schaltung wird der Umstand ausgenutzt, dass das Potential des Kontenpunktes durch die Ansteuerung des Stromrichters zumindest stufenweise zwischen den Potentialen des Zwischenkreises eingestellt werden kann. Die Frequenz der auf den Zwischenkreis bezogenen Knotenpunktspannung ist dabei unabhängig von der Frequenz des resultierenden Feldes an der zu steuernden elektrischen Maschine. Über diesen zusätzlichen Freiheitsgrad ist der Leistungsfluss in der Koppelschaltung in einem weiten Bereich unabhängig von der mechanischen Leistung der elektrischen Maschine einstellbar. Die Einsteilbarkeit wird lediglich durch die wirksamen Impedanzen von ursprünglicher Schaltung und zusätzlicher Schaltung begrenzt. Die Koppelschaltung kann dabei für monodirektionalen oder bidirektionalen Leistungsfluss ausgelegt werden, d.h. es ist sowohl eine Speisung des Zwischenkreises (inklusive des verbundenen Antriebsenergiespeichers) aus dem Bordnetz als auch des Bordnetzes aus dem Zwischenkreis möglich. Die Funktionstüchtigkeit der Koppelschaltung ist in jedem Arbeitsbereich der elektrischen Maschine gegeben. Insbesondere ist die Richtung des Leistungsflusses innerhalb der Koppelschaltung vom Arbeitsquadranten (Magnetisierungskurve) der elektrischen Maschine nicht abhängig.
Durch die erfindungsgemäße Schalteinrichtung wird der Aufwand für die Kopplung der verschiedenen Spannungsebenen minimiert. Das bedeutet im Einzelnen: keine zusätzlichen magnetischen Elemente, weniger Halbleiterkomponenten, weniger
Ansteuerungen, weniger Aufwendungen für die Anschlusstechnik und geringere konstruktive Aufwendungen für Kühlung und Gehäuse. Die zusätzlichen Elemente können in den Stromrichter-, bzw. Wechselrichterteil des Antriebs, unter Verwendung der dort bereits eingesetzten Technologien, integriert werden. Mit der
Reduktion des Aufwandes ist eine Verminderung der Kosten des Systems, des
Bauraumes und des Gewichts verbunden. Verglichen mit einem klassischen, zwischen den Spannungsebenen verschalteten DC/DC-Wandler gleicher
Funktionalität, reduziert sich der Aufwand für Komplexität, Bauraum, Gewicht und Kosten um mehr als zwei Drittel.
Die erfindungsgemäße Koppelschaltung lässt sich insbesondere aufwandsarm als bidirektionaler Wandler verschalten. Dadurch wird als zusätzliche Funktionalität gegenüber herkömmlichen Schaltungen mit DC/DC-Wandlem erreicht, dass der Antriebsenergiespeicher mit einer höherer Spannung gegenüber einem Bordnetz, bzw. Bordnetzenergiespeicher (Fahrzeugbatterie), bei unbenutztem Fahrzeug nicht aus dem Bordnetz versorgt werden muss. Dadurch lassen sich die Speicherverluste des Antriebsenergiespeichers minimieren. Insbesondere kann der Antriebsenergiespeicher bei Stillsetzung des Fahrzeuges aktiv in das Bordnetz entladen und bei Inbetriebnahme des Fahrzeuges in sehr kurzer Zeit wieder geladen werden. Als ein weiterer Vorteil ergibt sich, dass die elektrische Maschine durch eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen Schalter auch direkt aus dem Bordnetz mit Antriebsleistung versorgt werden kann, beziehungsweise auch direkt als generatorischer Leistungswandler zwischen mechanischem Abtrieb und Bordnetz wirken kann. Dadurch wird die Wirkungsgradkette der Energiewandlung gegenüber einer herkömmlichen Schaltung mit DC/DC-Wandler verkürzt, weshalb das Gesamtsystem einen entsprechend höheren Wirkungsgrad für die Wandlung zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie aufweist. Durch die Möglichkeit einer direkten Leistungswandlung zwischen Bordnetz und mechanischem Abtrieb lässt sich weiterhin ein Notbetrieb bei defektem Energiespeicher in der Ebene höherer Spannung, bzw. bei (teilweise) defektem Strom-, bzw. Wechselrichter darstellen. Sowohl ein Starter- als auch eine Generatorfunktion lassen sich durch die direkte Kopplung von Bordnetz und elektrischer Maschine darstellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Antriebsmaschine als eine mehrsträngige Drehstrommaschine ausgebildet, die mit einer als eine Sternschaltung ausgebildeten Wicklungsschaltung verschaltet und über einen als ein Wechselrichter ausgebildeten Stromrichter ansteuerbar ist, und ist die Koppelschaltung antriebsseitig mit wenigstens einem als ein Sternpunkt ausgebildeten Knotenpunkt der Sternschaltung der Drehstrommaschine verbunden.
Die Koppelschaltung lässt sich besonders effizient mit einer Sternschaltung verbinden. Das Bordnetz wird dabei über die Koppelschaltung mit dem Sternpunkt (Knotenpunkt) der im Stern geschalteten mehrsträngigen Maschine sowie dem auf den Zwischenkreis, bzw. den Energiespeicher bezogenen Potential verbunden. Durch die Ansteuerung des Wechselrichters (Umrichters) kann das Potential des Sternpunktes zwischen den Potentialen des Zwischenkreises eingestellt werden.
Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Koppelschaltung nicht nur für eine „klassische" dreisträngige Drehstrommaschine oder eine Drehstrommaschine mit mehr als drei Strängen geeignet, sondern auch auf eine einsträngige bürstenlose Gleichstrommaschine, bzw. einen Einphasenmotor übertragbar. Entscheidend dabei ist, dass die Maschine eine Wicklungsanzapfung einer Motorspule erlaubt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das auf den Zwischenkreis bezogene Spannungspotential durch den Mittelpunkt einer Zwischenkreisspannung vorgegeben. Dadurch kann sowohl die Koppeleinrichtung zum Bordnetz als auch die elektrische Maschine in elektrischer Symmetrie betrieben werden, wodurch sich wiederum einfachere Regelungs- und Steuerungsstrukturen ergeben als bei einer Anordnung mit direkt auf ein Zwischenkreispotential bezogener Koppelspannung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Spannungsbegrenzungsmittel vorgesehen, mit deren Hilfe auftretende Überspannungen an einem oder mehreren Knotenpunkten der Wicklungsschaltung begrenzbar sind. Die Spannungsbegrenzungsmittel können als elektrische Klemmelemente ausgebildet sein. Dadurch, dass der Knotenpunkt, bzw. Stempunkt gegenüber dem Zwischenkreis geklemmt, ist können, durch einen Regler der Bordnetzspannung verursachte, Überspannungen am Sternpunkt begrenzt werden. Bei einer entsprechenden Ausnutzung der magnetischen Flusskopplung in der elektrischen Maschine, bzw. einer Ansteuerung der einzelnen Induktivitäten in einem Flussgleichgewicht, sind zusätzliche Klemmelemente, beispielsweise Clampingdioden, verzichtbar. Das Klemmen (Clamping) kann auch durch eine kapazitive Entlastung des Sternpunktes vorgenommen werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist bei einer elektrischen Maschine mit mehreren der Sternschaltung zugeordneten
Knotenpunkten, die Koppelschaltung zwischen den Knotenpunkten angeordnet.
Dadurch wird bei einer zweckmäßigen Ansteuerung, der Zwischenkreis nicht mit dem auftretenden Rippeistrom (Lade- und Entladestrom) der Koppelschaltung beansprucht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Regelung der Kopplung der Spannungsebenen in eine Regeleinrichtung der elektrischen Maschine integriert. Dadurch wird bei einer relativ geringen Systemkomplexität eine gute Regelbarkeit auch im Grenzleistungsbereich der Anordnung ermöglicht.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das Bordnetz und die Wicklungsschaltung über einen Trenntransformator gekoppelt. Dadurch wird ein Energieaustausch zwischen den Schaltungsbereichen bei einer sicheren elektrischen (galvanischen) Trennung ermöglicht. Als weiterer Vorteil ergibt sich, dass die kapazitive Belastung des Sternpunktes minimiert wird und der durch das Bordnetz aufgenommene Strom nur noch transformiert in Antriebsenergiespeicher, Wechselrichter und Elektromaschine auftritt. Dadurch lässt sich die Auslegung der einzelnen Bauteile der Schaltungseinrichtung optimieren.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft veranschaulicht sind.
In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1a: Ein Blockschema für eine Kopplung zwischen einem Bordnetz und einem Antriebsenergiespeicher,
Figur 1 b: ein zweites Blockschema für die Kopplung zwischen Bordnetz und
Antriebsenergiespeicher,
Figur 2: ein Prinzipschaltbild zur direkten Kopplung zwischen einer elektrischen Maschine und dem Bordnetz,
Figur 3: eine erste Ausführungsform einer Koppelschaltung zwischen der elektrischen Maschine und dem Bordnetz,
Figur 4: eine zweite Ausführungsform der Koppelschaltung,
Figur 5: eine dritte Ausführungsform der Koppelschaltung,
Figur 6: eine vierte Ausführungsform der Koppelschaltung,
Figur 7: eine fünfte Ausführungsform der Koppelschaltung,
Figur 8: eine sechste Ausführungsform der Koppelschaltung, Figur 9: eine siebte Ausführungsform der Koppelschaltung und
Figur 10: eine achte Ausführungsform der Koppelschaltung.
Eine Schalteinrichtung zur Verknüpfung verschiedener elektrischer Spannungsebenen in einem Kraftfahrzeug besteht im Wesentlichen aus einer Koppelschaltung 4, über die eine elektrische Maschine 3 mit einem Bordnetz 5 direkt verschaltet ist.
Die Fig. 1 zeigt zwei mögliche Schaltungsstrukturen der Kopplung des Bordnetzes 5 und eines Antriebsenergiespeichers 1 in einem Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb (Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor oder Elektrofahrzeug). Dabei können der Antriebsenergiespeicher 1 , ein Wechselrichter 2, die elektrische Maschine 3 und das Bordnetz 5 schaltungstechnisch hintereinander angeordnet sein, wobei ein Sternpunktwandler, der durch die Koppelschaltung 4 dargestellt wird, ein integraler Bestandteil der Bordnetz-Schaltbauteile ist (Fig. 1a). Der Sternpunktwandler kann auch als ein integraler Bestandteil des Wechselrichters 2 ausgebildet sein. Beispielsweise ist das Bordnetz 5 ein 12V-Bordnetz mit einem Leistungsbedarf unterhalb 4kW, der Antriebsenergiespeicher 1 ein 200V-Speicher, der Wechselrichter 2 ist für eine Leistung von 10OkVA ausgelegt und die elektrische Maschine 3 leistet etwa 5OkW. Entsprechend ist eine 12V-Spannungsebene und ein 200V-Spannungsebene ausgebildet.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Schaltungsaufbau mit einer dreisträngigen elektrischen Maschine. Dabei ist das Bordnetz 5 über eine Impedanz 7 (Ersatzimpedanz) in einen Sternpunkt 8 (Kontenpunkt) einer Sternschaltung 10 (Wicklungsschaltung) eingekoppelt. Der dreisträngigen Maschine 3 ist der Wechselrichter 2 als eine Leistungselektronik vorgeschaltet, über die die Maschine 3 ansteuerbar ist. Der Wechselrichter 2 ist mit einem Zwischenkreis 6 verbunden, dem der Antriebsenergiespeicher 1 zugeordnet ist. Die Maschine 3 kann als Motor und als Generator betrieben werden. Die Koppelschaltung 4 ist vorteilhaft als eine bidirektionale Schaltung ausgelegt, so dass sowohl der Zwischenkreis 6 aus dem Bordnetz 5 als auch umgekehrt das Bordnetz 5 aus dem Zwischenkreis 6 speisbar ist.
Die Figuren 3 bis 10 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Schalteinrichtung. Darin sind im Wesentlichen der Wechselrichter 2 und eine Schalteinheit 11 der Koppelschaltung 4 unterschiedlich ausgeführt. Anhand der Schaltungsbeispiele wird ersichtlich, dass die einzelnen Schaltelemente auf Basis der angreifenden Spannungen und Ströme verschieden zu dimensionieren sind, sodass sich unterschiedliche Optima für den Halbleiteraufwand ergeben. Die Angabe der Schaltungsbeispiele ist nicht erschöpfend. Unter anderem sind durch schrittweise Überführung der einzelnen Schaltungen ineinander und unter Berücksichtigung einschränkender Steuerbedingungen weitere Schaltungsvarianten mit den erfindungsgemäßen Eigenschaften denkbar.
Die Schaltung nach Fig. 3 ermöglicht einen bidirektionalen Leistungsfluss zwischen den Energiespeichern (Antriebsenergiespeicher 1 und Bordnetzenergiespeicher, d.h. Fahrzeugbatterie) der Spannungsebenen. Die elektrische Maschine 3 kann aus beiden Energiespeichern gespeist werden. Die Funktion der Schaltung ist vom Prinzip her nicht vom Typ der Einzelschalter des Schaltteils 11 abhängig. Zwei weitere Ausführungsbeispiele mit den gleichen Eigenschaften zeigen die Fig. 6 und 7.
Das Schaltbild in Fig. 4 zeigt eine Schaltung unter Verwendung von (handelsüblichen) Transistoren als Schaltelemente mit ansonsten gleicher Funktion wie in Fig.3.
Das Ausführungsbeispiel in Fig. 5 zeigt eine Schaltung für einen monodirektionalen Leistungsfluss vom Antriebsenergiespeicher 1 und der elektrischen Maschine 3 ins Bordnetz 5. Diese Schaltung ermöglicht den Betrieb der Maschine 3 am Antriebsenergiespeicher 1.
Die Fig. 8 zeigt eine Schaltung mit einer geteilten Sternschaltung 10, d.h. mit zwei Sternpunkten 8. Die Koppelschaltung 4, bzw. die Schalteinheit 11 ist hier zwischen den Kontenpunkten 8 angeordnet. Ansonsten entspricht diese Schaltung von der Funktionsweise den Schaltungen aus den Figuren 3, 6 und 7.
Die Schaltung in Fig. 9 weist einen Trenntransformator 9 auf, der die Sternschaltung 10 und die Schalteinheit 11 trennt. Diese Schaltung ermöglicht einen bidirektionalen Leistungsfluss sowie eine Potentialtrennung zwischen den Energiespeichern. Die Maschine 3 kann auch hier aus beiden Energiespeichern (Antrieb u. Bordnetz) betrieben werden. Schließlich weist die Schaltung in Fig. 10 wiederum eine geteilte Sternschaltung 10 auf und entspricht im Übrigen der Ausführung nach Fig. 9.
Bezugszeichenliste
1 Antriebsenergiespeicher
2 Stromrichter
3 Elektrische Maschine
4 Koppelschaltung
5 Bordnetz
6 Zwischenkreis
7 Impedanz
8 Knotenpunkt
9 Trenntransformator
10 Wicklungsschaltung
11 Schalteinheit

Claims

Patentansprüche
1. Schalteinrichtung zur Verknüpfung verschiedener elektrischer Spannungsebenen in einem Kraftfahrzeug, bei der eine Antriebs-
Spannungsebene eine über einen Stromrichter ansteuerbare elektrische Antriebsmaschine und einen einem Zwischenkreis zugeordneten Antriebsenergiespeicher aufweist, und bei der die Antriebs-Spannungsebene über einen elektrischen Wandler mit einer Bordnetz-Spannungsebene verschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Wandler als eine Koppelschaltung (4) ausgebildet ist, die antriebsseitig mit wenigstens einem Knotenpunkt (8) einer Wicklungsschaltung (10) der elektrischen Antriebsmaschine (3) und einem auf den Zwischenkreis (6) bezogenen Spannungspotential verbunden ist, und die bordnetzseitig über eine Schalteinheit (11), die wenigstens eine nicht verschwindende endliche Impedanz (7) aufweist, mit dem Bordnetz (5) verbunden ist.
2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebsmaschine (3) als eine mehrsträngige Drehstrommaschine ausgebildet ist, die mit einer als eine Sternschaltung ausgebildeten Wicklungsschaltung (10) verschaltet und über einen als ein Wechselrichter ausgebildete Stromrichter (2) ansteuerbar ist, und dass die
Koppelschaltung (4) antriebsseitig mit wenigstens einem als ein Sternpunkt ausgebildeten Knotenpunkt (8) der Sternschaltung der Drehstrommaschine verbunden ist.
3. Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das auf den Zwischenkreis (6) bezogene Spannungspotential, durch den Mittelpunkt einer Zwischenkreisspannung vorgegeben wird.
4. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Spannungsbegrenzungsmittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe auftretende Überspannungen an einem oder mehreren Knotenpunkten (8) der Wicklungsschaltung (10) begrenzbar sind.
5. Schalteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzungsmittel als elektrische Klemmelemente ausgebildet sind.
6. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer elektrischem Maschine (3) mit mehreren der Wicklungsschaltung (10) zugeordneten Knotenpunkten (8), die
Koppelschaltung (4) zwischen den Knotenpunkten (8) angeordnet ist.
7. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der Kopplung der Spannungsebenen in eine
Regeleinrichtung der elektrischen Maschine (3) integriert ist. ,
8. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz (5) und die Wicklungsschaltung (10) über einen
Trenntransformator (9) gekoppelt sind.
9. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelschaltung (4) als eine bidirektionale Schaltung ausgebildet ist.
10. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (3) als eine dreisträngige Drehstrommaschine ausgebildet ist.
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