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Die Erfindung betrifft eine Inverterschaltung zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Antriebsstrangs eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs sowie einen Wechselrichter mit wenigstens drei Inverterschaltungen.
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In batterieelektrischen Fahrzeugen werden üblicherweise zweistufige Inverter verwendet. Dreistufige Inverter sind bekannt und weisen signifikante Effizienzpotentiale im elektrischen Antrieb auf. Für eine Effizienzsteigerung in der elektrischen Maschine im zyklusrelevanten Bereich kann ein zweistufiger Inverter durch einen sogenannten T-Zweig zu einem dreistufigen Massepunkt-gekoppelten Inverter erweitert werden.
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Die
EP 2 975 756 A1 offenbart einen Inverter, um einen Gleichstrom (DC) eines Stromerzeugers in den dreiphasigen Wechselstrom (AC) eines Drehstromnetzes zu wandeln. Der Inverter umfasst eine Primärseite mit einer ersten DC-Eingangsleitung und einer zweiten DC-Eingangsleitung, eine Sekundärseite mit einer ersten AC-Ausgangsphase, einer zweiten AC-Ausgangsphase und einer dritten AC-Ausgangsphase und eine Filterkomponente zur Verbindung der Sekundärseite mit der Primärseite über eine Rückleitung. Die Filterkomponente umfasst ein erstes kapazitives Element und ein erstes Schaltelement, das mit der Rückleitung verbunden ist. Die erste AC-Ausgangsphase ist mit dem ersten kapazitiven Element und dem ersten Schaltelement verbunden. Durch die Filterkomponente können Ausgangsfilterinduktivitäten des Inverters in ihrer Größe reduziert werden.
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Die
WO 2020 / 079 019 A1 beschreibt eine mehrphasige Umrichter-Topologie zur Übertragung von elektrischer Energie von einem Wechselspannungseingang mit Netzphasenanschlüssen zu einem Gleichspannungsausgang oder umgekehrt. Die mehrphasige Umrichter-Topologie weist einen Leistungsteil mit Halbbrücken zum Schalten von Strömen, ein zwischen dem Leistungsteil und dem Wechselspannungseingang geschaltetes Wechselspannungsfilter, und einen oder mehrere zwischen dem Leistungsteil und dem Gleichspannungsausgang geschaltete Gleichspannungsblöcke auf. Das Wechselspannungsfilter weist mindestens eine Wechselspannungsfilterstufe mit Eingangsschlüssen, Ausgangsanschlüssen und einen Erdungsanschluss auf. Dabei sind die Netzphasenanschlüsse parallel zueinander geschaltet und bilden einen ersten Phasenanschluss für den Anschluss einer einphasigen Wechselspannung, und ein Neutralleiteranschluss des Wechselspannungsfilters bildet einen Neutralleiteranschluss des Wechselspannungseingangs und einen zweiten Phasenanschluss für den Anschluss der einphasigen Wechselspannung.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Inverterschaltung zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Antriebsstrangs eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs zu schaffen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, einen verbesserten Wechselrichter mit wenigstens drei Inverterschaltungen zu schaffen.
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Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Inverterschaltung zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Antriebsstrangs eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs vorgeschlagen, wenigstens umfassend einen ersten Eingangsanschluss für eine positive Eingangsgleichspannung und einen zweiten Eingangsanschluss für eine negative Eingangsgleichspannung, einen Neutralpunkt, welcher über einen Kondensator mit dem ersten Eingangsanschluss und über einen weiteren Kondensator mit dem zweiten Eingangsanschluss elektrisch verbunden ist, einen Ausgangsanschluss zum Ausgeben einer Ausgangswechselspannung, einen Hauptstrompfad mit zwei Hauptschaltern, welche jeweils mit einem Anschluss mit dem ersten Eingangsanschluss bzw. dem zweiten Eingangsanschluss und mit dem anderen Anschluss gemeinsam mit dem Ausgangsanschluss elektrisch verbunden sind, einen Nebenstrompfad mit zwei T-förmig zu den Hauptschaltern angeordneten Nebenschaltern, welche an einem gemeinsamen Mittelanschluss elektrisch verbunden sind, wobei der Nebenstrompfad einerseits mit dem Neutralpunkt und andererseits mit dem Ausgangsanschluss elektrisch verbunden ist. Dabei ist der Mittelanschluss mit einem passiven Filter bedämpft.
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Die vorgeschlagene Inverterschaltung stellt eine vorteilhafte Weiterentwicklung eines an sich bekannten dreistufigen Inverters mit sogenannter T-Architektur dar. Mit einer solchen Inverterschaltung ist es möglich, einen möglichst sinusförmigen Stromverlauf bzw. Spannungsverlauf für elektrische Maschinen bereitzustellen und die Effizienz des elektrischen Antriebsstrangs eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs zu erhöhen.
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Bei der Inverterschaltung führen die Nebenschalter des Nebenstrompfads weniger Strom als die Hauptschalter des Hauptstrompfads. Dadurch muss im hohen Strombereich auf einen zweistufigen Betriebsmodus geschaltet werden, was bedeutet, dass die Nebenschalter ausgeschaltet sind und die Hauptschalter im Gegentakt betrieben werden. Das zwischen dem Mittelanschuss des Nebenstrompfads und dem ersten Eingangsanschluss bzw. dem zweiten Eingangsanschluss anliegende Mittelpotential ist dabei nur durch die parasitären Kapazitäten in seiner Spannungslage fixiert.
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Durch den passiven Filter, mit dem der Mittelanschluss bedämpft ist, wird verhindert, dass der Knoten des Mittelanschlusses stark schwingt. Eine sonst auftretende Schwingung wird durch den passiven Filter vorteilhaft gedämpft.
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So kann günstigerweise eine Anfälligkeit von Fehlschaltungen der Gate Treiber-Schaltkreise der Nebenschalter reduziert werden.
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Weiter kann durch den passiven Filter das Verhalten der Inverterschaltung bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) vorteilhaft verbessert werden.
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Erfindungsgemäß weist der passive Filter einen ersten Filterzweig mit einem in Reihe mit einem Kondensator geschalteten Widerstand und einen zweiten Filterzweig mit einem in Reihe mit einem Kondensator geschalteten Widerstand auf, wobei der erste und der zweite Filterzweig in Reihe geschaltet sind. Eine solche Filterschaltung weist vorteilhaft einen Mittelabgriff zwischen den beiden Filterzweigen auf, welcher mit dem Mittelanschluss des Nebenstrompfads verbunden werden kann. So kann die Filterwirkung auf günstige Weise erzielt werden.
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Erfindungsgemäß ist der erste Filterzweig zwischen den ersten Eingangsanschluss und den Mittelanschluss elektrisch gekoppelt und der zweite Filterzweig ist zwischen den Mittelanschluss und den zweiten Eingangsanschluss elektrisch gekoppelt. Vorteilhaft können so Schwingungen des Mittelpotentials gedämpft werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Inverterschaltung können der erste Filterzweig zwischen den Neutralpunkt und den Mittelanschluss und der zweite Filterzweig zwischen den Mittelanschluss und den Ausgangsanschluss elektrisch gekoppelt sein. Auch mit dieser alternativen Anordnung des passiven Filters können Schwingungen des Mittelpotentials günstigerweise gedämpft werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Inverterschaltung können die beiden Nebenschalter jeweils mit ihrer Source-Elektrode mit dem Mittelanschluss elektrisch verbunden sein. Der Dämpfungseffekt des passiven Filters kann bei dieser Anordnung der beiden Nebenschalter sich günstig auswirken.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Inverterschaltung können die beiden Nebenschalter jeweils mit ihrer Drain-Elektrode mit dem Mittelanschluss elektrisch verbunden sein. Auch bei dieser alternativen Anordnung der beiden Nebenschalter kann sich der Dämpfungseffekt des passiven Filters günstig auswirken.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Inverterschaltung dreistufig ausgebildet sein. Mit einer solchen Inverterschaltung ist es möglich, einen möglichst sinusförmigen Stromverlauf bzw. Spannungsverlauf für elektrische Maschinen bereitzustellen und die Effizienz des elektrischen Antriebsstrangs eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs zu erhöhen. Günstigerweise kann bei niedrigen Stromanforderungen ein dreistufiger Betrieb mit höherer Effizienz des Wechselrichters durchgeführt werden und bei höheren Stromanforderungen dann ein zweistufiger Betrieb mit geringerer Effizienz.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Inverterschaltung in Abhängigkeit wenigstens einer an dem Ausgangsanschluss angeforderten elektrischen Last zwischen einem dreistufigen Betrieb und einem zweistufigen Betrieb umschaltbar sein. Der dreistufige Betrieb kann günstigerweise einen besonders effizienten Betrieb der Inverterschaltung in einem niedrigen Lastbereich der elektrischen Maschine ermöglichen, während der zweistufige Betrieb üblicherweise bevorzugt in einem hohen Lastbereich geschaltet wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Inverterschaltung kann zwischen den ersten Eingangsanschluss und den zweiten Eingangsanschluss ein Kondensator geschaltet sein.
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Dabei kann der erste Eingangsanschluss über einen in Reihe mit einem Kondensator geschalteten Widerstand mit einem ersten Eingangspotential elektrisch verbunden sein, und der zweite Eingangsanschluss kann über einen weiteren in Reihe mit einem weiteren Kondensator geschalteten Widerstand mit einem zweiten Eingangspotential elektrisch verbunden sein. Auf diese Weise kann die Spannung des Potentials am Neutralpunkt günstig eingestellt werden. Diese spezielle Schaltungsanordnung ermöglicht es, eine beliebige Spannung über das Eingangsnetzwerk einzustellen und damit den gewünschten sinusförmigen Stromverlauf der Inverterschaltung zu realisieren.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Wechselrichter mit wenigstens drei oben beschriebenen Inverterschaltungen vorgeschlagen, welcher zum Betrieb einer dreiphasigen elektrischen Maschine elektrisch ausgebildet ist. Dabei ist der Wechselrichter in Abhängigkeit wenigstens einer an den Ausgangsanschlüssen angeforderten elektrischen Last zwischen einem dreistufigen Betrieb und einem zweistufigen Betrieb umschaltbar.
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Bei dem vorgeschlagenen Wechselrichter kann mittels der Inverterschaltungen ein möglichst sinusförmiger Stromverlauf bzw. Spannungsverlauf für die wenigstens drei Phasen der elektrischen Maschine bereitgestellt und die Effizienz des elektrischen Antriebsstrangs eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs günstig erhöht werden.
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Bei den dreistufigen Inverterschaltungen führen die Nebenschalter des Nebenstrompfads weniger Strom als die Hauptschalter des Hauptstrompfads. Dadurch muss im hohen Strombereich auf einen zweistufigen Betriebsmodus geschaltet werden, was bedeutet, dass die Nebenschalter ausgeschaltet sind und die Hauptschalter im Gegentakt betrieben werden. Das zwischen dem Mittelanschuss des Nebenstrompfads und dem ersten Eingangsanschluss bzw. dem zweiten Eingangsanschluss anliegende Mittelpotential ist dabei nur durch die parasitären Kapazitäten in seiner Spannungslage fixiert.
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Durch den passiven Filter der Inverterschaltungen, mit dem der Mittelanschluss bedämpft ist, wird verhindert, dass der Knoten des Mittelanschlusses stark schwingt. Eine sonst auftretende Schwingung wird durch den passiven Filter vorteilhaft gedämpft.
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So kann günstigerweise eine Anfälligkeit von Fehlschaltungen der Gate Treiber-Schaltkreise der Nebenschalter reduziert werden.
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Weiter kann durch den passiven Filter das Verhalten der Inverterschaltung bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) vorteilhaft verbessert werden.
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Vorteilhaft kann der Wechselrichter zwischen einem dreistufigen Betrieb und einem zweistufigen Betrieb umschaltbar sein. Günstigerweise kann bei niedrigen Stromanforderungen ein dreistufiger Betrieb mit höherer Effizienz des Wechselrichters und bei höheren Stromanforderungen dann ein zweistufiger Betrieb mit geringerer Effizienz durchgeführt werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Inverterschaltung zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Antriebsstrangs eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine Inverterschaltung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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1 zeigt eine Inverterschaltung 100 zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Antriebsstrangs eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Inverterschaltung 100 kann dabei eine Phase eines Wechselrichters zum Betrieb einer mehrphasigen elektrischen Maschine darstellen.
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Die in 1 dargestellte Inverterschaltung 100 umfasst einen ersten Eingangsanschluss 10 für eine positive Eingangsgleichspannung DC+ und einen zweiten Eingangsanschluss 12 für eine negative Eingangsgleichspannung DC-, einen Neutralpunkt 14, welcher über einen Kondensator 44 mit dem ersten Eingangsanschluss 10 und über einen weiteren Kondensator 46 mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 elektrisch verbunden ist, sowie einen Ausgangsanschluss 16 zum Ausgeben einer Ausgangswechselspannung AC.
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Die Inverterschaltung 100, welche dreistufig ausgebildet ist, umfasst einen Hauptstrompfad 20 mit zwei Hauptschaltern 22, 24, welche jeweils mit einem Anschluss mit dem ersten Eingangsanschluss 10 bzw. dem zweiten Eingangsanschluss 12 und mit dem anderen Anschluss gemeinsam mit dem Ausgangsanschluss 16 elektrisch verbunden sind, sowie einen Nebenstrompfad 30 mit zwei T-förmig zu den Hauptschaltern 22, 24 angeordneten Nebenschaltern 32, 36, welche an einem gemeinsamen Mittelanschluss 15 elektrisch verbunden sind. Der Nebenstrompfad 30 ist einerseits mit dem Neutralpunkt 14 und andererseits mit dem Ausgangsanschluss 16 elektrisch verbunden.
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Die Inverterschaltung 100 kann so in Abhängigkeit wenigstens einer an dem Ausgangsanschluss 16 angeforderten elektrischen Last zwischen einem dreistufigen Betrieb und einem zweistufigen Betrieb umgeschaltet werden.
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Zwischen den ersten Eingangsanschluss 10 und den zweiten Eingangsanschluss 12 ein Kondensator 54 geschaltet ist. Der erste Eingangsanschluss 10 ist über einen in Reihe mit einem Kondensator 62 geschalteten Widerstand 60 mit einem ersten Eingangspotential 70 elektrisch verbunden. Der zweite Eingangsanschluss 12 ist über einen weiteren in Reihe mit einem weiteren Kondensator 64 geschalteten Widerstand 66 mit einem zweiten Eingangspotential 72 elektrisch verbunden.
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Die beiden Nebenschalter 32, 36 bestehen jeweils aus wenigstens einem Halbleiterschalter, beispielsweise einem sogenannten Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT) oder einem sogenannten Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET), durch welchen ein Strom fließt, der abhängig von den Halbleiterschaltereigenschaften, wie Material und/oder Größe, ist.
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Die Nebenschalter 32, 36 des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels sind jeweils mit ihrer Source-Elektrode 33, 37 mit dem Mittelanschluss 15 elektrisch verbunden.
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In einem alternativen, nicht dargestellten, Ausführungsbeispiel können die beiden Nebenschalter 32, 36 auch jeweils mit ihrer Drain-Elektrode 34, 38 mit dem Mittelanschluss 15 elektrisch verbunden sein.
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Der Mittelanschluss 15 des Nebenstrompfads 30 ist mit einem passiven Filter 40 bedämpft.
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Die Inverterschaltung 100 stellt einen dreistufigen Inverter mit sogenannter T-Architektur dar. Mit einer solchen Inverterschaltung ist es möglich, einen möglichst sinusförmigen Stromverlauf bzw. Spannungsverlauf für elektrische Maschinen bereitzustellen und die Effizienz des elektrischen Antriebsstrangs eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs zu erhöhen.
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Bei der Inverterschaltung 100 führen die Nebenschalter 32, 36 des Nebenstrompfads 30 weniger Strom als die Hauptschalter 22, 24 des Hauptstrompfads 20. Dadurch muss im hohen Strombereich auf einen zweistufigen Betriebsmodus geschaltet werden, was bedeutet, dass die Nebenschalter 32, 36 ausgeschaltet sind und die Hauptschalter 22, 24 im Gegentakt betrieben werden. Das zwischen dem Mittelanschuss 15 des Nebenstrompfads 30 und dem ersten Eingangsanschluss 10 bzw. dem zweiten Eingangsanschluss 12 anliegende Mittelpotential ist dabei nur durch die parasitären Kapazitäten in seiner Spannungslage fixiert.
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Durch den passiven Filter 40, mit dem der Mittelanschluss 15 bedämpft ist, wird verhindert, dass der Knoten des Mittelanschlusses 15 stark schwingt. Eine sonst auftretende Schwingung wird durch den passiven Filter 40 vorteilhaft gedämpft.
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Weiter kann durch den passiven Filter das Verhalten der Inverterschaltung 100 bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit vorteilhaft verbessert werden.
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Der passive Filter 40 weist einen ersten Filterzweig mit einem in Reihe mit einem Kondensator 44 geschalteten Widerstand 42 und einen zweiten Filterzweig mit einem in Reihe mit einem Kondensator 46 geschalteten Widerstand 48 auf. Der erste und der zweite Filterzweig sind in Reihe geschaltet.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Filterzweig zwischen den ersten Eingangsanschluss 10 und den Mittelanschluss 15 und der zweite Filterzweig zwischen den Mittelanschluss 15 und den zweiten Eingangsanschluss 12 elektrisch gekoppelt.
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In 2 ist eine Inverterschaltung 100 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel, welches im Wesentlichen dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel gleich, ist der erste Filterzweig zwischen den Neutralpunkt 14 und den Mittelanschluss 15 und der zweite Filterzweig zwischen den Mittelanschluss 15 und den Ausgangsanschluss 16 elektrisch gekoppelt.
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Auch auf diese Weise kann der Mittelanschluss 15 mit dem passiven Filter 40 bedämpft werden, um zu verhindern, dass der Knoten des Mittelanschlusses 15 stark schwingt. Eine sonst auftretende Schwingung kann durch den passiven Filter 40 vorteilhaft gedämpft werden.
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Auch kann so das Verhalten der Inverterschaltung 100 bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit vorteilhaft verbessert werden.
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Auf vorteilhafte Weise kann ein, nicht dargestellter, Wechselrichter mit wenigstens drei der dargestellten Inverterschaltungen 100 realisiert werden, welcher zum Betrieb einer dreiphasigen elektrischen Maschine elektrisch ausgebildet ist. Dabei kann der Wechselrichter in Abhängigkeit wenigstens einer an den Ausgangsanschlüssen 16 angeforderten elektrischen Last zwischen einem dreistufigen Betrieb und einem zweistufigen Betrieb umgeschaltet werden.
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Der Wechselrichter weist ein günstiges Betriebsverhalten mit einer stark reduzierten Neigung zu Schwingungen eines Mittelpotentials des Mittelanschlusses 15 des Nebenstrompfads 30 der Inverterschaltungen 100 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Eingangsanschluss
- 12
- Eingangsanschluss
- 14
- Neutralpunkt
- 15
- Mittelanschluss
- 16
- Ausgangsanschluss
- 20
- Hauptstrompfad
- 22
- Hauptschalter
- 24
- Hauptschalter
- 30
- Nebenstrompfad
- 32
- Nebenschalter
- 33
- Source-Elektrode
- 34
- Drain-Elektrode
- 35
- Gate-Elektrode
- 36
- Nebenschalter
- 37
- Source-Elektrode
- 38
- Drain-Elektrode
- 39
- Gate-Elektrode
- 40
- Filter
- 42
- Widerstand
- 44
- Kondensator
- 46
- Kondensator
- 48
- Widerstand
- 50
- Kondensator
- 52
- Kondensator
- 54
- Kondensator
- 60
- Widerstand
- 62
- Kondensator
- 64
- Kondensator
- 66
- Widerstand
- 70
- erstes Eingangspotential
- 72
- zweites Eingangspotential
- 100
- Inverterschaltung
- AC
- Ausgangswechselspannung
- DC-
- negative Eingangsgleichspannung
- DC+
- positive Eingangsgleichspannung