DE102014203550A1

DE102014203550A1 - Elektrisches Antriebssystem

Info

Publication number: DE102014203550A1
Application number: DE102014203550.3A
Authority: DE
Inventors: Carsten Schroeder; Martin Braun; Stefan Butzmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-08-27
Also published as: CN106031018A; WO2015128104A1; US20170070176A1; EP3111549A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem, mit einer n-phasigen elektrischen Maschine, n > 1, welche mindestens zwei einphasige Wicklungsstränge aufweist, einem ersten Wechselrichter, dessen Ausgangsanschluss mit dem Phasenanschluss eines ersten der einphasigen Wicklungsstränge der elektrischen Maschine verbunden ist, mindestens einem zweiten Wechselrichter, dessen Ausgangsanschluss mit dem Phasenanschluss eines zweiten der einphasigen Wicklungsstränge der elektrischen Maschine verbunden ist, und einer Gleichspannungsquelle, die eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen aufweist und deren Ausgangsanschlüsse jeweils mit den Eingangsanschlüssen des ersten Wechselrichters und mit den Eingangsanschlüssen des zweiten Wechselrichters verbunden sind, so dass der erste Wechselrichter und der zweite Wechselrichter in Parallelschaltung angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem, insbesondere für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug wie ein Elektroauto oder ein Hybridfahrzeug.
Stand der Technik
Wie in 1 beispielhaft dargestellt, erfolgt in einem elektrischen Antriebssystem 100 die Einspeisung einer elektrischen Maschine 101 üblicherweise durch einen Wechselrichter 102 in Form eines Pulswechselrichters. Dazu kann eine von einem Gleichspannungszwischenkreis 103 bereitgestellte Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet werden. Der Gleichspannungszwischenkreis 103 wird dabei von einem Strang 104 aus seriell verschalteten Batteriemodulen 105 oder beliebigen Gleichspannungsquellen gespeist.
Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule oder Batteriezellen in einem Energiespeichersystem in Serie geschaltet. Wenn jedoch hohe Leistungen an der elektrischen Maschine benötigt werden, kann es notwendig werden, Maßnahmen in der Implementierung des elektrischen Antriebssystems 100 zu treffen, die den erhöhten Leistungsanforderungen gerecht werden.
Beispielsweise kann es möglich sein, mehrere Stränge 104 aus seriell verschalteten Batteriemodulen 105 parallel zu schalten. Dies kann jedoch zu unerwünschten Ausgleichsströmen zwischen den Strängen 104 führen. Zusätzlich dazu kann es auch notwendig sein, die Stromtragfähigkeit der Komponenten des Wechselrichters 102 und der elektrischen Maschine 101 zu erhöhen. Alternativ könnte auch die Zwischenkreisspannung angehoben werden. In jedem Fall werden umfangreiche Anpassungsentwicklungen und Änderungen in der Implementierung des elektrischen Antriebssystems nötig, die wiederum zu erhöhtem Implementierungsaufwand und -kosten führen.
Die Druckschrift US 2007/0070667 A1 offenbart ein Antriebssystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit mehrfach parallel geschalteten Wechselrichtern, die einen mehrphasigen Motor mit Wechselspannung versorgen. Die Druckschrift DE 10 2011 085 731 A1 offenbart ein elektrisches Antriebssystem für einen sechsphasigen Motor mit zwei parallel geschalteten Wechselrichtern. Die Druckschrift DE 10 2008 008 978 A1 offenbart modulare Antriebsstromrichter. Die Druckschrift DE 10 2010 001 250 A1 offenbart ein elektrisches Antriebssystem für eine elektrische Maschine mit zwei Phasensystemen, die über getrennte Wechselrichter gespeist werden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt ein elektrisches Antriebssystem, mit einer n-phasigen elektrischen Maschine, n > 1, welche mindestens zwei einphasige Wicklungsstränge aufweist, einem ersten Wechselrichter, dessen Ausgangsanschluss mit dem Phasenanschluss eines ersten der einphasigen Wicklungsstränge der elektrischen Maschine verbunden ist, mindestens einem zweiten Wechselrichter, dessen Ausgangsanschluss mit dem Phasenanschluss eines zweiten der einphasigen Wicklungsstränge der elektrischen Maschine verbunden ist, und einer Gleichspannungsquelle, die eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen aufweist und deren Ausgangsanschlüsse jeweils mit den Eingangsanschlüssen des ersten Wechselrichters und mit den Eingangsanschlüssen des zweiten Wechselrichters verbunden sind, so dass der erste Wechselrichter und der zweite Wechselrichter in Parallelschaltung angeordnet sind.
Vorteile der Erfindung
Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, elektrische Maschinen mithilfe von standardisierten Leistungsbaugruppen, wie etwa Wechselrichtern, beispielsweise in B6-Topologie, anzusteuern. Derartige Wechselrichter sind als standardisierte Modultypen verfügbar, die durch Skaleneffekte kostengünstig zu beschaffen und implementieren sind. Durch die Modularisierung der Leistungsbaugruppen wird die Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebssystems vorteilhafterweise erhöht, ohne dass die Ausführung der elektrischen Maschine oder der einzelnen Leistungsbaugruppen an sich aufwändiger oder kostenintensiver wird. Für alle Leistungsbaugruppen können zudem einfache mechanische Verbindungsmittel vorgesehen werden, durch die die Systemmodule zusammengeschaltet werden können. Außerdem kann eine zentrale Steuereinrichtung, beispielsweise auf einer zentralen Steuerplatine, für alle Leistungsbaugruppen gleichermaßen vorgesehen werden.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems können der erste und der zweite Wechselrichter jeweils einen einphasigen selbstgeführten Wechselrichter aufweisen, der eine symmetrische Halbbrücke aus jeweils zwei Leistungshalbleiterschaltern in Serienschaltung umfasst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems können die Schaltelemente jeweils Leistungshalbleiterschalter, vorzugsweise MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter, aufweisen. Diese Schalter sind besonders belastbar und zuverlässig anzusteuern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin eine Steuereinrichtung aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, die Leistungshalbleiterschalter des ersten Wechselrichters und des zweiten Wechselrichters anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung auf einer zentralen Steuerplatine für den ersten Wechselrichter und den zweiten Wechselrichter angeordnet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften konventionellen elektrischen Antriebssystems; und
2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleich wirkende Komponenten. Die in den Figuren gezeigten schematischen Darstellungen sind nur beispielhafter Natur, die aus Gründen der Übersichtlichkeit idealisiert abgebildet sind. Es versteht sich, dass die dargestellten Komponenten lediglich zur Veranschaulichung von Prinzipien und funktionellen Aspekten der vorliegenden Erfindung dienen.
2 zeigt schließlich eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 40 mit einer n-phasigen elektrischen Maschine 6, n > 1, welche beispielsweise eine geschaltete Reluktanzmaschine oder eine Drehfeldmaschine sein kann. Die elektrische Maschine 6 weist beispielhaft vier einphasige Wicklungsstränge 6a bis 6d auf, die in ihrem Sternpunkt miteinander gekoppelt sein können. Das elektrische Antriebssystem 40 weist zudem ein Wechselrichtersystem aus vier parallel gekoppelten Wechselrichtern 7a bis 7d auf. Dabei speist jeder der vier Wechselrichter 7a bis 7d an seinen Ausgangsanschlüssen jeweils einen der einphasigen Wicklungsstränge 6a bis 6d der elektrischen Maschine 6.
Die Wechselrichter 7a bis 7d weisen dabei jeweils eine Halbbrückentopologie auf, das heißt, jeder der Wechselrichter weist einen einphasigen selbstgeführten Wechselrichter auf, der ein symmetrische Halbbrücke aus jeweils zwei Leistungshalbleiterschaltern H1 und H2 in Serienschaltung umfasst. Die Leistungshalbleiterschalter können beispielsweise MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter sein. Es ist dabei jedoch auch möglich, jede andere Art von Schaltelementen als Schalter H1 und H2 zu verwenden und dabei parallel zu jedem Schaltelement H1 und H2 eine Freilaufdiode zu schalten. An einem Mittelabgriff der Halbbrücke der Wechselrichter 7a bis 7d ist jeweils die Phase der einphasigen Wicklungsstränge 6a bis 6d gekoppelt.
Die Wechselrichter 7a bis 7d können dabei entweder als separate Wechselrichtereinheiten oder auch in einem gemeinsamen Wechselrichtermodul implementiert sein. In letzterem Fall kann ein einziges Wechselrichtermodul mit vier symmetrischen Halbbrücken vorgesehen werden, dass in entsprechender Weise mit der elektrischen Maschine 6 gekoppelt wird. Für die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter H1, H2 kann eine (nicht explizit dargestellte) Steuereinrichtung eingesetzt werden, welche beispielsweise auf einer gemeinsamen Steuerplatine implementiert werden kann.
Die Wechselrichter 7a bis 7d können beispielsweise durch eine gemeinsame Gleichspannungsquelle 1, beispielsweise eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs mit elektrischer Gleichspannung versorgt werden. Die Gleichspannungsquelle 1 kann dazu beispielsweise eine Serienschaltung aus Batteriemodulen 5 aufweisen, deren Anzahl in 2 nur beispielhaft mit 3 dargestellt ist – jede andere Anzahl an Batteriemodulen 5 kann ebenso möglich sein. Ebenso ist es möglich, mehr als vier Wechselrichter 7a bis 7d parallel zu schalten, insbesondere wenn die elektrische Maschine 6 mehr als vier Wicklungsstränge 6a bis 6d aufweist. Dazu kann jeder der Wechselrichter einem der Wicklungsstränge zugeordnet und mit selbigem elektrisch verbunden werden.
Durch den Einsatz von mehreren prinzipiell gleichartigen Wechselrichtern 7a bis 7d könnnen die Phasenströme durch jeden der Wechselrichter 7a bis 7d gleich gehalten werden, auch wenn die Zahl der Wechselrichter größer als eins ist. Dadurch muss die Stromtragfähigkeit der Leistungshalbleiterschalter H1, H2 der Wechselrichter 7a bis 7d gegenüber herkömmlichen Leistungshalbleiterschaltern nicht erhöht werden. Darüber hinaus kann jeder der Wechselrichter 7a bis 7d auch aus einer separaten Gleichspannungsquelle 1 gespeist werden. Beispielsweise kann eine Speisung einer vierphasigen elektrischen Maschine 6 wie in 2 dargestellt, auch durch zwei getrennte Gleichspannungsquellen 1 erfolgen, die in dieser Variante vorteilhafterweise benachbarte Wechselrichter jeweils alternierend speisen können, das heißt, benachbarte Wicklungsstränge der elektrischen Maschine 6 werden jeweils durch unterschiedliche Gleichspannungsquellen 1 bedient.
In dem gezeigten Antriebssystem 40 der 2 kann die elektrische Maschine 6 beispielsweise eine Synchron- oder Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine oder ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC, „brushless DC motor“) sein. Es kann dabei auch möglich sein, das elektrische Antriebssystem 40 der 2 in stationären Systemen einzusetzen, beispielsweise in Kraftwerken, in elektrischen Energiegewinnungsanlagen wie zum Beispiel Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder Kraftwärmekopplungsanlagen, in Energiespeicheranlagen wie zum Beispiel Druckluftspeicherkraftwerken, Batteriespeicherkraftwerken, Schwungradspeichern, Pumpspeichern oder ähnlichen Systemen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit des elektrischen Antriebssystems 40 der 2 sind Personen- oder Gütertransportfahrzeuge, welche zur Fortbewegung auf oder unter dem Wasser ausgelegt sind, beispielsweise Schiffe, Motorboote oder dergleichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2007/0070667 A1 [0005]
DE 102011085731 A1 [0005]
DE 102008008978 A1 [0005]
DE 102010001250 A1 [0005]

Claims

Elektrisches Antriebssystem (40), mit: einer n-phasigen elektrischen Maschine (6), n > 1, welche mindestens zwei einphasige Wicklungsstränge (6a, 6b) aufweist; einem ersten Wechselrichter (7a), dessen Ausgangsanschluss mit dem Phasenanschluss eines ersten der einphasigen Wicklungsstränge (6a) der elektrischen Maschine (6) verbunden ist; mindestens einem zweiten Wechselrichter (7b), dessen Ausgangsanschluss mit dem Phasenanschluss eines zweiten der einphasigen Wicklungsstränge (6b) der elektrischen Maschine (6) verbunden ist; und einer Gleichspannungsquelle (1), die jeweils eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen (5) aufweist und deren Ausgangsanschlüsse (1) jeweils mit den Eingangsanschlüssen des ersten Wechselrichters (7a) und mit den Eingangsanschlüssen des zweiten Wechselrichters (7b) verbunden sind, so dass der erste Umrichter (7a) und der zweite Umrichter (7b) in Parallelschaltung angeordnet sind.
Elektrisches Antriebssystem (40) nach Anspruch 1, wobei der erste und der mindestens zweite Wechselrichter (7a, 7b) jeweils einen einphasigen selbstgeführten Wechselrichter aufweisen, der eine symmetrische Halbbrücke aus jeweils zwei Leistungshalbleiterschaltern (H1, H2) in Serienschaltung umfasst.
Elektrisches Antriebssystem (40) nach Anspruch 2, wobei die Leistungshalbleiterschalter (H1, H2) MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter aufweisen.
Elektrisches Antriebssystem (40) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, weiterhin mit: einer Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die Leistungshalbleiterschalter (H1, H2) des ersten Wechselrichters (7a) und des zweiten Wechselrichters (7b) anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung auf einer zentralen Steuerplatine für den ersten Wechselrichter (7a) und den zweiten Wechselrichter (7b) angeordnet ist.