DE69617026T2 - Elektrisches netzteil mit gemischer anordnung von wechselrichter und wechselstrom-/gleichstromwandler - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromversorgungssystem, welches einen Wechselrichter zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung und einen Wechsel/Gleichspannungswandler zur Umwandlung einer einphasigen Wechselspannung in eine Gleichspannung enthält.
• Ein solches System findet insbesondere im Kraftfahrzeugbereich Anwendung, wo der Wechselrichter dazu dient, den Elektromotor eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs aus einer Akkumulatorenbatterie zu speisen, und der Gleichrichter die Aufgabe hat, die Akkumulatorenbatterie aufzuladen, wenn das Fahrzeug steht.
• Die Fig. 1 stellt ein klassisches Stromversorgungssystem 50 vom oben genannten Typ dar, das sich an Bord eines Elektro-Autos 60 befindet. Das System 50 ist an eine Akku- Batterie 10 und an einen Dreiphasenmotor 61 angeschlossen, der die Räder 62 des Fahrzeugs 60 antreibt und der im wesentlichen einen Wechsel/Gleichspannungswandler, oder Ladegerät, 20 und einen Dreiphasen-Wechselrichter enthält. Der Wechselrichter 30 enthält für seine Stromversorgung zwei Eingangsklemmen D und E, die an den positiven und den negativen Pol der Batterie 10 angeschlossen sind, sowie drei Ausgangsklemmen A, B, C, die mit den drei Erregerwicklungen E1, E2 und E3 des Motors 61 verbunden sind.
• In der Funktionsweise des Stromversorgungssystems 50 der Fig. 1 unterscheidet man zwischen einem Antriebsmodus des Fahrzeugs 60 und einem Lademodus der Batterie 10. Im Antriebsmodus speist die Batterie 10 den Motor 61 über den Wechselrichter 30. Im Lademodus wird der Wechselrichter 30 nicht benutzt, das Fahrzeug befindet sich im Stand, das Ladegerät 20 ist an eine Einspeiseklemme 22 über ein Verbindungsorgan 21, im allgemeinen einen Draht und eine Steckvorrichtung, angeschlossen und gewährleistet das Aufladen der Batterie 10.
• Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist wegen der Vielfalt der in den Fahrzeugen mit Elektromotor eingesetzten Batteriemodelle nicht vorgesehen, bei jedem privaten Nutzer einen Stromversorgungsanschluss zu installieren, der Gleichspannungen abgibt, um jeden Batterietyp aufladen zu können. Daher liefert der Anschluss 22 eine Wechselspannung Va, im allgemeinen die Netzspannung (240 V/50 Hz oder 110 V/60 Hz je nach Land).
• Es ist daher notwendig, dass jedes Fahrzeug sein eigenes Batterieladegerät besitzt, um die Umwandlung der Netzspannung in eine zur Batterie passenden Speisespannung zu gewährleisten. Der Nachteil besteht darin, dass das Ladegerät eine deutliche Erhöhung der Kosten für das Ganze mit sich bringt. Außerdem stellt das Ladegerät ein unerwünschtes Eigengewicht dar, wenn das Fahrzeug in Betrieb ist.
• Das Dokument WO-A-93 01650 stellt ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vor. Jedoch ist in diesem System der Motor während des Ladens der Batterie vom Wechselrichter getrennt.
• Der Artikel 'Ein integrales Batterieladegerät für Elektrofahrzeuge mit Vierradantrieb' von Sang Joon Lee und Seung Ki Sui, veröffentlicht vom Institut der Elektro- und Elektronikingenieure im 'Tagungsbericht der Tagung über Industrieanwendungen', Denver, 2. - 5. Oktober 19-94, Bd. 1, 2, Oktober 1994, beschreibt ein Elektrofahrzeug mit vier Drehstrom-Antriebsmotoren und vier Wechselrichtern. Die Wechselrichter können mit Wechsel/Gleichspannungswandler mit einer Stufe Gleichrichter-Spannungserhöher und einer Stufe Spannüngserniedriger betrieben werden, und jeder Motor kann benutzt werden, um eine einzelne Induktivität des Wechsel/Gleichspannungswandlers zu versorgen.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Stromversorgungssystem vorzustellen, das eine Wechselrichterfunktion und eine Wechsel/Gleichspannungswandler-Funktion mit einem einfacheren Aufbau als die bisher bekannten Systeme aufweist.
• Um dieses Ziel zu erreichen, sieht die vorliegende Erfindung ein System vor, das im Anspruch 1 definiert wird. Die Gegenstände, kennzeichnenden Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, den Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Systems und den beigefügten Abbildungen deutlich. Diese Abbildungen stellen dar:
• - die Fig. 1, die bereits weiter vorn beschrieben wurde, stellt ein herkömmliches Versorgungssystem für einen Elektromotor eines Kraftfahrzeugs dar;
• - die Fig. 2 ist ein Schaltbild eines herkömmlichen Wechselrichters, wie er im System der Fig. 1 vorhanden ist;
• - die Fig. 3A, 3B und 3C sollen die Erfindung veranschaulichen und stellen verschiedenen elektronische Schaltungen dar;
• - die Fig. 4 ist das Schaltbild eines Versorgungssystems des Typs, wie er in der vorliegenden Erfindung benutzt wird;
• - die Fig. 5 stellt Steuerschaltungen des Systems der Fig. 4 dar, die im Modus 'Wechsel/Gleichspannungswandler' arbeiten;
• - die Fig. 6A und 6B stellen verschiedene elektrische Signale dar, die im System der Fig. 4 auftreten;
• die Fig. 7 stellt die Erregerwicklungen eines Drehstrommotors dar; und
• - die Fig. 8, 9 und 10 stellen Ausführungsvarianten des Stromversorgungssystems der Fig. 4 unter Benutzung der Erregerwicklungen des Motors der Fig. 7 dar.
• Die Fig. 2 stellt den elektrischen Aufbau des herkömmlichen Wechselrichters 30 der Fig. 1 dar. Der Wechselrichter 30 enthält in Parallelschaltung zwischen seinen Versorgungsklemmen D und E drei Unterbrecherzweige 31, 32 und 33 und eine Filterkapazität Cf. Jeder Zweig 31, 32 und 33 enthält in Reihenschaltung zwei Gruppen von Zerhackern/Dioden (beispielsweise MOS-Transistoren mit ihren Umkehrdioden), die mit TA1/DA1 und TA2/DA2, TB1/DB1 und TB2/DB2 bzw. TC1/DC1 und TC2/DC2 bezeichnet werden, wobei jede Diode DA1, ... Dc2 bezüglich der normalen Durchgangsrichtung eines jeden Unterbrechers TA1, ... TC2 in umgekehrter Richtung geschaltet ist. Die Ausgangsklemmen A, B und C des Wechselrichters 30 sind an die Mittelanzapfungen der Zweige 31, 32 und 33 angeschlossen. Die Funktion des Wechselrichters wird durch eine elektronische Schaltung 34 gewährleistet, die das Schließen der Unterbrecher TA1 bis TC2 steuert und für jeden Zweig 31, 32 und 33 die Zerhackerzyklen für die von der Batterie 10 gelieferte Gleichspannung festlegt.
• Um den Aufbau des herkömmlichen Stromversorgungssystems 50 der Fig. 1 zu vereinfachen, schlägt die vorliegende Erfindung vor, einen Wandler vom Wechselspannung- Gleichspannung mittels der Unterbrecher TA1 bis TC2 des Wechselrichters 30, die während des Ladens der Batterie 10 nicht benutzt werden, zu verwirklichen. Daher kann das Ladegerät 20 der Fig. 1 künftig weggelassen werden.
• Bevor Beispiele für die Erfindung angeführt werden, soll bezüglich der Fig. 3A, 3B und 3C der elektrische Aufbau eines Wechsel/Gleichspannungswandlers beschrieben werden, den die vorliegende Erfindung auf Grund der im Wechselrichter 30 vorhandenen Bauteile zur Verwirklichung vorschlägt.
• Die Fig. 3A zeigt das klassische Schaltbild einer Gleichrichter-Spannungserhöher-Schaltung 65, die eine Gleichrichterstufe 66 enthält, der eine Spannungserhöhungsstufe 67 folgt. Die Gleichrichterstufe 66 ist eine Brückenschaltung aus den Dioden D1, D2, D3 und D4, die eine einphasige Wechselspannung Va erhält und am Eingang der Spannungserhöhungsstufe 67 eine Gleichspannung Vin abgibt. Die Spannungserhöhungsstufe 67 ist ein Wandler vom Typ Gleichspannung-Gleichspannung mit der dem Fachmann unter der Bezeichnung 'Booster'-Schaltung wohlbekannten induktiven Speicherung. Die Spannung Vin wird an ein Ende einer Induktivität L1 angelegt, deren anderes Ende mit einem Zerhacker-Unterbrecher 11 sowie mit einer Diode D5 in Reihe mit einem Kapazität Cout verbunden ist, welcher die Ausgangsspannung Cout der Spannungserhöherstufe 67 abgibt. Die Funktionsweise der Spannungserhöherstufe 67 beruht auf der Erzeugung von schnellen Zyklen der Energieübertragung, die eine Periode der Ansammlung von magnetischer Energie in der Spule L1 während des Schließzustandes von I1 umfasst, der eine Periode der Übertragung dieser Energie in Form von Strom auf die Kapazität Cout folgt, wenn i&sub1; offen ist. Daher fließt, wenn I1 geschlossen ist, ein Strom I1 in L1 und 11: Beim Öffnen von I1 wird ein Strom i&sub2; durch L1 in die aus D5 und Cour bestehende Schleife geleitet, und die Spannung Vout steigt an. Auf klassische Weise werden die Perioden des Schließens und Öffnens des Schalters I1 getriggert, um die Ausgangsspannung Vout einzustellen, die sonst von Zyklus zu Zyklus unkontrolliert ansteigen könnte.
• Nun wird auf Fig. 3B Bezug genommen, wo eine Schaltung Gleichrichter-Spannungserhöher 70 dargestellt ist, die, wenn auch unter einem anderen Aspekt, auf dieselbe Art und Weise funktioniert wie die Schaltung 65. Man findet die Induktivität L1, den Brückengleichrichter mit den Dioden D1, D2, D3 und D4 und die Kapazität tut wieder. Die Induktivität L1 ist zwischen die einphasige Spannungsquelle Va und den Eingang der Gleichrichterbrücke geschaltet, die Kapazität Cout liegt direkt am Ausgang der Brückengleichrichters. Der Zerhacker-Unterbrecher 11 der Fig. 3A ist durch zwei im Gleichtakt arbeitende Zerhacker-Unterbrecher 12 und 13 ersetzt, wobei 12 parallel zu den Anschlüssen von D2 und 13 parallel zu den Anschlüssen von D4 geschaltet sind. Während der Phase der Speicherung sind I2 und I3 geschlossen, und ein Speicherstrom i&sub1;, dessen Richtung von der jeweils positiven oder negativen Halbperiode von Va abhängt, fließt durch L1, I2 und I3. Während der Phase der Energieübertragung sind 12 und 13 offen, und L1 drückt einen Strom 12 auf Cout mittels der Dioden D1 und D4 oder D3 und D2 je nach der Polarität von Va.
• Eine Ausführungsvariante der Schaltung 70, die in der Fig. 3B gestrichelt dargestellt ist, besteht darin, dass an die Anschlüsse von D1 und D3 zwei Unterbrecher 14 und 15 angeschlossen sind. In diesem Fall sind 13 und 14 in den Perioden, in denen D1 und D4 leiten, geschlossen, und 12 und 15 sind in den Perioden geschlossen, während der die Dioden D2 und D3 leiten. Die Spannungsverluste an den Anschlüssen der Dioden während der Übertragungsphasen werden vermieden, und der Wirkungsgrad der Schaltung 70 wird erhöht.
• In der Fig. 3C ist eine Abspannschaltung 71 (oder Spannungserniedrigerschaltung) dargestellt, deren Eingang mit der Kapazität Cout die Spannung Vout der Gleichrichter- Spannungserhöher-Schaltung 70 der Fig. 3B erhält. Die Abspannschaltung 71 gibt eine Spannung Vout ab, die an einer Impedanz Z anliegt. Die Abspannschaltung 71 ist ein Wandler Gleichspannung-Gleichspannung mit induktiver Spannungsspeicherung, die dem Fachmann unter der Bezeichnung Buck-Schaltung bekannt ist. Die Kapazität Cout ist mit einem Zerhacker-Unterbrecher 16 verbunden, dessen anderes Ende mit einer Diode D6 und einer Induktivität L2 in Reihe mit der Impedanz Z verbunden ist. Wenn 16 geschlossen ist, fließt ein Strom i&sub3; durch Cout, 16, L2 und Z. Wenn I6 offen ist, fließt ein Strom 14, der von der Induktivität L2 erzeugt wird, durch D6, L2 und Z. Eine geeignete Triggerung der Öffnungs- und Schließperioden von 16 ermöglicht, die Ausgangsspannung V'out und den durch die Impedanz Z fließenden Strom mit hoher Genauigkeit zu steuern.
• Wenn man nun die Schaltung 70 der Fig. 3B und die Schaltung 71 der Fig. 3C zusammen bringt, sieht man, dass man einen Wechsel/Gleichspannungswandler 70, 71 vom Typ Gleichrichter-Spannungserhöher-Spannungserniedriger erhält, der geeignet ist, das Laden einer Batterie (die Impedanz Z stellt dabei eine Batterie dar) zu gewährleisten. Wenn man dann die Fig. 2 mit den Fig. 3B und 3C vergleicht, sieht man, dass es möglich ist, eine solche Schaltung Gleichrichter-Spannungserhöher-Spannungserniedriger 70, 71 mittels dreier Unterbrecherzweige 31, 32 und 33 des Wechselrichters 30 zu verwirklichen, indem man einfach dem Wechselrichter 30 die Induktivität L1 der Fig. 3B und die Induktivität L2 der Fig. 3C zufügt. Der Filterkondensator Cf des Wechselrichters kann dann als Ausgangskapazität der Gleichrichter-Spannungserhöher-Schaltung 70 (Kapazität Cout der Fig. 3B) benutzt werden.
• Die Fig. 4 stellt im Rahmen einer Anwendung bei einem (nicht dargestellten) Fahrzeug mit Elektromotor ein erfindungsgemäßes Stromversorgungssystem 80 dar. In der Fig. 4 findet man die Akku-Batterie 10, den elektrischen Aufbau mit den drei Zweigen 31, 32 und 33 des Wechselrichters 30 mit den Klemmen A, B, C, D und E, den Elektromotor 61 mit drei Wicklungen E1, E2 und E3 und das Verbindungsorgan 21 zur Netzspannung Va wieder, die schon im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben worden sind.
• Das erfindungsgemäße Stromversorgungssystem 80 enthält die elektrische Struktur des Wechselrichters 30, der zwei Induktivitäten, die in Analogie zu den Fig. 3B und 3C mit L1 und L2 bezeichnet werden sollen, und drei Kippschaltungen 81, 82 und 83 (Unterbrecher mit zwei Schaltstellungen) zugefügt worden sind. Jede Kippschaltung 81, 82 und 83 weist eine Steckstelle für den Eingang EN und zwei Steckstellen für den Ausgang, CH, TR, auf und kann in die Stellung 'Laden' (Steckstelle EN mit der Steckstelle CH verbunden) oder 'Antrieb' (Steckstelle EN mit der Steckstelle TR verbunden) gebracht werden. Die Kippschaltung 81 ist über ihre Steckstelle EN mit der Klemme A des Wechselrichters 30, über ihre Steckstelle CH mit einem Ende der Induktivität L1 und über ihre Steckstelle TR mit der Wicklung E2 des Motors 61 verbunden. Das andere Ende der Induktivität L1 ist mit einer Phase der Netzspannung Va über das Verbindungsorgan 21 verbunden. Die Kippschaltung 82 ist über ihre Steckstelle EN mit der Klemme B des Wechselrichters 30, über ihre Steckstelle CH (über das Verbindungsorgan 21) mit der anderen Phase (oder dem Nullleiter der Netzspannung Va und über ihre Steckstelle TR mit der Wicklung E1 des Motors 61 verbunden. Die Kippschaltung 83 ist über ihre Steckstelle EN mit der positiven Klemme der Batterie 10, über ihre Steckstelle TR mit der Klemme D des Wechselrichters 30 und mit ihrer Steckstelle CH mit einem Ende der Induktivität L2 verbunden, deren anderes Ende mit der Klemme C des Wechselrichters 30 verbunden ist. Die Klemme C ist ebenfalls mit der Wicklung E3 des Motors 61 verbunden. Schließlich ist die Klemme E ständig mit dem negativen Pol der Batterie 10 verbunden.
• Wenn sich die drei Kippschaltungen 81, 82 und 83 in der Stellung 'Antrieb' befinden, sind die Klemmen A, B und C des Wechselrichters mit den Wicklungen E1, E2 und E3 und die Klemme D mit dem positiven Pol der Batterie 10 verbunden. Man findet die in der Fig. 1 dargestellte herkömmliche Konfiguration der Funktionsweise wie der, wo der Motor mit dreiphasiger Spannung über den Wechselrichter 30 gespeist wird, der das Zerhacken der von der Batterie 10 abgegebenen Gleichspannung übernimmt.
• Wenn sich die drei Kippschaltungen 81, 82 und 83 in der Stellung 'Laden' befinden und das Verbindungsorgan 21 angeschlossen ist, sind die Klemmen A und B über L1 mit Va verbunden, und die Klemme C ist über L2 mit dem positiven Pol der Batterie 10 verbunden, während die Klemme D nicht angeschlossen ist. Das erfindungsgemäße System 80 funktioniert dann wie ein Wechsel/Gleichspannungswandler und gewährleistet das Laden der Batterie 10. Genauer ausgedrückt unterscheidet man im System 80 die Fälle:
• - eine Stufe Gleichrichter-Spannungserhöher (oder Booster- Stufe) für die Netzspannung Va, wobei diese Stufe zur Gleichrichter-Spannungserhöher-Schaltung 70 der Fig. 3B analog ist und die Induktivität L1 und die beiden Zweige 31 und 32 des Wechselrichters 30 enthält. Der Kondensator Cf dient als Ausgangskapazität der Stufe Gleichrichter- Spannungserhöher, und an ihren Klemmen hat man eine Gleichspannung, die in Analogie zur Fig. 3B mit Vout bezeichnet wird, wobei jedoch Vout höher ist als der Spitzenwert der Wechselspannung Va;
• - eine Stufe der Spannungsherabsetzung (oder Buck-Stufe), welche die Induktivität L2 und den dritten Zweig 33 enthält und welche in Analogie zur Abspannschaltung 71 der Fig. 3C die Spannung Vout in eine Spannung umwandelt, die in Analogie zur Fig. 3 mit V'out bezeichnet wird und' mit der Spannung der Batterie 10 kompatibel ist. Von einem funktionellen Gesichtspunkt aus sind der Unterbrecher Tc1 (äquivalent dem Unterbrecher 16 der Fig. 3C) und die Diode Dc2(äquivalent der Diode D6 der Fig. 3C) notwendig und hinreichend für die Verwirklichung der Spannungserniedrigungsstufe.
• Daher bildet vorteilhafterweise das erfindungsgemäße Stromversorgungssystem 80 ein gemischtes System, in welchem die Funktionen 'Wechselrichter' und
• 'Wechsel/Gleichspannungswandler' im höchsten Maße vereinigt sind.
• Die Fig. 5 stellt als nicht einschränkendes Beispiel zwei Schaltungen 90 und 100 zur Steuerung des Systems 80 dar, wenn dieses sich im Modus 'Laden' befindet. In der Fig. 5 sind die Kippschaltungen 81, 82 und 83, die sich in der Stellung 'Laden' befinden, nicht dargestellt. Die Zweige 31 und 32 des Wechselrichters 30 sind schematisch durch einen Block 85 und der Zweig 33 schematisch durch einen Block 86 dargestellt. Die Schaltung 90 steuert die Unterbrecher TA1, TA2, TB1 und TB2 des Blocks 85, und die Schaltung 100 steuert den Unterbrecher T01 des Blocks 86 und wahlweise den Unterbrecher T02, wie man noch weiter hinten sehen wird.
• Gemäß dem gewählten Modus der Steuerung ist die Schaltung 90 dafür ausgelegt, gleichzeitig die Regelung der Überspannung Vout und die Triggerung des Eingangsstromes ie der Stufe Gleichrichter-Spannungserhöher (welche die Induktivität L1 und den Block 85 enthält) zu gewährleisten, damit die Aufnahme eines sinusförmigen Stromes in Phase mit der Spannung Va des Netzes ermöglicht wird. Die Schaltung 90 enthält daher einen Differenzverstärker 91, der an seinem positiven Eingang eine Bezugsgleichspannung V1ref und an seinem negativen Eingang die an den Anschlüssen der Kapazität Cf abgegriffene Spannung Vout erhält. Der Ausgang des Verstärkers 91 speist auf den Eingans einer Korrekturverstärkerschaltung 92 mit dem Verstärkungsfaktor G, 5 deren Ausgang auf einen Eingang eines Mehrstufenverstärkers 93 führt. Der andere Eingang des Mehrstufenverstärkers 93 erhält eine in Phase mit der Spannung Va des Netzes befindliche Bezugswechselspannung V2ref- Die Spannung V2ref kann vom Netz direkt abgenommen oder auf synchrone Weise numerisch nachgebildet werden. Der Mehrstufenverstärker 93 gibt einen Bezugsstrom ir ab, der auf den positiven Eingang eines Komparators 94 gegeben wird, der an seinem negativen Eingang ein Signal erhält, das für den Eingangsstrom ie (oder den aufgenommenen Strom) repräsentativ ist, welcher von einem Stromaufnehmer 94 geliefert wird. Der Komparator 94 liefert ein Fehlersignal s an den Eingang einer programmierten Mikroprozessorschaltung 96, welche die Unterbrecher TA1, TA2, Ta1 und TB2 des Blocks 85 steuert.
• In der Praxis stellt man fest, dass die verschiedenen Elemente der Schaltung 90, die eben beschrieben worden sind, bereits in den klassischen Stromversorgungssystemen mit Wechselrichter und Batterieladegerät vorhanden sind; denn sie sind für die Realisierung der Funktion 'Wechselrichter' erforderlich. Die erfindungsgemäße Funktion 'Gleichrichter- Spannungserhöher' kann daher mit geringen Aufwand und ohne zusätzlichen Raumbedarf mittels einer Anpassung der Software der Schaltung 96 an die Erfordernisse des Menschen verwirklicht werden, wobei die Software außer einem klassischen Funktionsprogramm für den Modus 'Wechselrichter' auch ein Programm für die Funktionsweise im Modus 'Gleichrichter-Spannungserhöher' enthalten muss. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Schaltung mittels einer handelsüblichen Standard-Schaltung zu verwirklichen wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung 'Thomson L6560 Power Factor Corrector' im Handel erhältlich ist.
• Die Schaltung 100 gewährleistet die Steuerung des Ladestromes 15, der an die Batterie 10 von der Spannungserniedrigungsstufe (die den Block 86 und die Induktivität L2 enthält) abgegeben wird. Zu diesem Zweck enthält sie einen Differenzverstärker 101, der an seinem positiven Eingang ein Bezugssignal Iref und an seinem negativen Eingang ein Signal erhält, das für den Strom 4 repräsentativ ist und das von einem Stromaufnehmer 102 erhalten wird. Der Ausgang des Differenzverstärkers 101 liefert ein Fehlersignal s' an den Eingang einer Mikroprozessorschaltung 103, die den Unterbrecher TC1 des Blocks 86 steuert.
• Obwohl die Schaltungen 96 und 103 als unterschiedliche Schaltungen dargestellt worden sind, ist es dem Fachmann klar, dass die Steuerung der Unterbrecher TA1, TA2, TA1, 7B2, TC1 und TC2 der Blöcke 85 und 86 in der Praxis durch ein und dieselbe Schaltung gewährleistet werden kann.
• Die Funktionsweise des auf diese Weise gesteuerten Systems 80 soll nun anhand der Fig. 6A und 6B beschrieben werden.
• Die Fig. 6A stellt für eine Periode T der Netzspannung Va die Kurve des von der Stufe Gleichrichter-Spannungserhöher (Block 85 und Induktivität L1) aufgenommenen Stromes ie, die Kurve einer Spannung Ve, die zwischen der Induktivität L1 und dem Block 85 anliegt, und die Zeitdiagramme C1, C2, C3 und C4 der Steuersignale dar, die von der Schaltung 96 an die Unterbrecher TA1, TA2, TB1, T82 (ein Steuersignal auf 1 bedeutet das Schließen eines Unterbrechers) angelegt werden.
• Die Fig. 6B stellt die Kurve eines Stromes 13 und die Kurve der Spannung V'out die an die Batterie 10 über die Spannungserniedrigerstufe (Block 86 und Induktivität L2) gegeben werden, sowie die Zeitdiagramme C5 und C6 der Steuersignale der Unterbrecher TC1 und TC2 dar.
• In der Fig. 6A sieht man eine Aufeinanderfolge von einer großen Anzahl von kurzzeitigen Phasen des Speicherns (Ve gleich Null, Speicherung von magnetischer Energie in L1) und der Energieübertragung (Ve ungleich Null, Freisetzung von Energie in Form eines in Cf eingespeisten Stromes). Während dieser Phasen der Speicherung und der Übertragung weist der Strom ie Mikroveränderungen Δie auf, aber seine allgemeine Form ist die einer Sinuskurve in Phase mit der Netzspannung Va.
• Die nachfolgenden Tabellen 1 und 2 fassen die Funktionsweise der Stufe Gleichrichter-Spannungserhöher des Systems 80 zusammen und beschreiben vier Phasen der Speicherung und der Übertragung, die sich in großer Anzahl in jeder Halbperiode T/2 der Netzspannung wiederholen.
• Die Dauer der Phasen für Speicherung/Übertragung ist veränderlich und wird mit dem Fehlersignal ε getriggert, was von den Vorzeichen von V1ref (die den Wert von Vout bestimmt) und V2ref (die die Sinusform dem aufgenommenen Strom ie aufprägt) abhängt. Eine solche Triggerung kann dank verschiedener bekannter Techniken erzielt werden, insbesondere der Techniken der Steuerung durch Impulslängenmodulation (die Dauer der Phasen der Speicherung oder Übertragung sind eine Funktion des Wertes von ε) oder der Steuerung durch Aufgabelung (Veränderung der Phasen, wenn sich E außerhalb eines vorbestimmten Bezugswertes befindet).
• Die Steuerung der Unterbrecher TA1, TA2r TB1, TB2 während der Speicherphasen wird in der Weise gewählt, dass die leitenden Zustände der Unterbrecher (TA1 und Tel, dann TA2 und TB2 usw.) abwechseln, damit die Dissipation der Leistung in den Zweigen 31 und 32 gut verteilt wird.
• Damit die weiche Umschaltung der Unterbrecher (Schließen bei der Spannung Null) gewährleistet und der Wirkungsgrad des Systems erhöht werden, wird außerdem jeder Unterbrecher TA1. TA2, TB1, TB2 geschlossen, wenn seine entsprechende Diode DA1, DA2, DB1, DB2 sich im leitenden Zustand befindet. Wenn außerdem jeder Unterbrecher TA1, TA2, TB1, Tez zweiseitig gerichtet betrieben wird, werden die Dioden durch die Unterbrecher in der Weise in Kurzschluss gebracht, dass die Diodenspannungen (die sogenannten Spannungsabfälle) unterdrückt werden und der Wirkungsgrad noch weiter erhöht wird.
• In der Fig. 6B sieht man, dass die Steuerung der Schließperioden von Tc1 durch die Schaltung 100 ermöglicht, den Strom is, der an die Batterie 10 abgegeben wird, in der Höhe des Einstellwertes Iref und die Spannung V'out auf dem Nennwert Vnom der Spannung der Batterie 10 zu halten, wenn der Unterbrecher TC2 nicht benutzt wird (Zeitdiagramm bei 0).
• Wenn jedoch der Unterbrecher TC2 in beiden Richtungen arbeitet besteht eine Ausführungsvariante darin, TC2 während der Perioden des Stromdurchgangs durch DC2 zu schließen, um den Spannungsabfall über die Anschlüsse von DC2 zu unterdrücken. In diesem Fall, und wie das auch auf den Block 85 zutrifft, werden die Dioden des Blocks 86 nicht benutzt. Für den Fachmann ist es daher klar, dass die vorliegende Erfindung auf einen Wechselrichteraufbau anwendbar ist, der keine Dioden enthält, und zwar unter der Bedingung, dass die Unterbrecher TA1 bis TC2 in zwei Richtungen arbeiten und dass Erholzeiten beim Schließen der Unterbrecher bei den Phasenwechseln vorgesehen werden, um das Durchschlagen dieser letzteren zu vermeiden.
• In der Praxis erweist sich ein Wechselrichter, der für die Speisung eines Elektromotors eines Kraftfahrzeugs bestimmt ist, als besonders gut für die Transformation gemäß der Erfindung geeignet. In der Tat ist ein solcher Wechselrichter dafür vorgesehen, hohe Leistungen, die durchaus 30 kW bei Strömen von 300 A erreichen können, zu übertragen, während die Leistungen und Ströme, um die es sich beim 'Wechsel/Gleichspannungswandler' handelt, im allgemeinen 10 kW und 50 A nicht überschreiten.
• Eine einfache Abänderung der Einstellwerte V1ref und lief, die auf die Steuerschaltungen 90 und 100 der Fig. 5 gegeben werden, erlaubt, das System 80 der Erfindung an alle Arten von Netzspannungen, beispielsweise 110 V/60 Hz oder 240 V/50 Hz, sowie an jeden Typ von Batteriespannungen wie beispielsweise 108 V, 156 V, 288 V usw. anzupassen.
• Die Fig. 7 stellt die drei Erregerwicklungen E1, E2 und E3 des Motors 61 dar. Man vermutet hier, dass alle Anschlüsse der Wicklungen von außen zugänglich sind. Man sieht, dass man zwei Wicklungen in Reihe benutzen kann, beispielsweise E1 und E2, um eine erste Induktivität, beispielsweise L1, zu verwirklichen, und die restliche Wicklung, beispielsweise E3, um die zweite Induktivität, beispielsweise L2, zu verwirklichen. Vorzugsweise sind E1 und E2 so geschaltet, dass ihre Wicklungsrichtungen entgegengesetzt sind, um die elektromagnetische Kopplung von E1/E2 (L1) mit E3 (L2) zu vermeiden. Dieser Vorgang erlaubt ebenfalls, im Motor 61 kein Drehmoment zu erzeugen.
• Die drei Wicklungen (E1, E2, E3) des Motors sind auf zwei Induktivitäten L1 und L2 verteilt:
• - zwei Wicklungen E1 und E2 sind gegenläufig in Reihe geschaltet,
• - eine Wicklung E3 ist unabhängig.
• Die drei Wicklungen sind im Raum um 120º versetzt. Das sich ergebende Magnetfeld der Induktivität L1, die aus den beiden Wicklungen E1 und E2 besteht, befindet sich um 90º zu dem von der dritten Wicklung E3 erzeugten Magnetfeld phasenverschoben.
• Folglich wird die gegenseitige Induktanz zwischen diesen beiden Induktivitäten L1 und L2 zu Null, was vom elektrischen und magnetischen Gesichtspunkt diese beiden Anordnungen unabhängig macht.
• Die Fig. 8 stellt eine Ausführungsart des Systems 80 dar, bei der im Modus 'Laden' die Wicklungen E1 und E2 die Induktivität L1 und die Wicklung E3 die Induktivität L2 bilden. Man findet die Batterie 10, den Wechselrichter 30 und seine Anschlüsse A, B, C, D und E und das Verbindungsmsittel 21 zur Netzspannung Va wieder. Das Umschalten des Systems 80 in den Modus 'Laden' oder 'Antrieb' wird durch drei Kippschaltungen 111, 112 und 113 gewährleistet. Wie bereits weiter vorn beschrieben, weist jede Kippschaltung eine Eingangssteckstelle EN und zwei Ausgangssteckstellen CH und TR auf. Die Kippschaltung 111 ist über ihre Steckstelle EN mit der positiven Klemme der Batterie 10 und über ihre Steckstelle TR mit der Klemme D des Wechselrichters 30 verbunden. Die Kippschaltung 112 ist über ihre Steckstelle TR mit den Enden von E1 und E2 und über ihre Steckstelle EN mit einem Ende von E3 und mit der Steckstelle CH der Kippschaltung 111 verbunden, während die Steckstelle CH nicht angeschlossen ist (daher kann die Kippschaltung 1T2 ein einfacher Unterbrecher sein). Die Kippschaltung 113 ist über ihre Steckstelle TR mit dem anderen Ende von E1 und über ihre Steckstelle EN mit der Klemme A verbunden, während die Steckstelle CH nicht angeschlossen ist.
• Die Kippschaltung 113 kann daher ein einfacher Unterbrecher sein.
• Schließlich sind die anderen Enden von E2 und E3 mit den Klemmen B und C des Wechselrichters verbunden, die Spannung Va liegt an den Steckstellen EN und TR der Kippschaltung 113 an, wenn diese sich mittels des Verbindungsmittels 21 im Zustand 'Laden' befindet. Die Klemme E des Wechselrichters 30 ist ständig mit der negativen Klemme der Batterie verbunden.
• Wenn sich die Kippschaltungen 111, 112 und 113 in der Stellung 'Laden' oder 'Antrieb' befinden, findet man die zwei bereits im Zusammenhang mit der Fig. 4 beschriebenen zwei Konfigurationen des Systems 80 wieder bis auf den Unterschied, dass im Modus 'Laden' L1 aus E1 in Reihe mit E2 und L2 aus E3 gebildet wird. Im Modus 'Antrieb' werden E1, E2 und E3 in Sternschaltung betrieben und sind an die Klemmen A, B und C des Wechselrichters 30 angeschlossen.
• Die Fig. 9 stellt eine Variante des Aufbaus der Fig. 8 dar. Die Klemmen A, B und C des Wechselrichters 30 sind direkt mit den Wicklungen E1, E2 und E3 verbunden. Das andere Ende von E2 ist mit der Steckstelle TR der Kippschaltung 112 und mit der Steckstelle En der Kippschaltung 113 verbunden. Das andere Ende von E1 ist mit der Steckstelle TR der Kippschaltung 113 verbunden, deren Steckstelle CH nicht angeschlossen ist. Die Netzspannung Va, wird an die Steckstellen TR und EN der Kippschaltung mittels des Verbindungsorgans 21 angelegt, wenn sich das System im Modus 'Laden' befindet. Daher sind im Modus 'Laden' die Klemme A des Wechselrichters mit einer Phase der Netzspannung Va über E1 und die Klemme B mit der anderen Phase (oder dem Nullleiter) der Netzspannung über E2 verbunden. Der Vorteil dieser symmetrischen Konfiguration besteht darin, die Induktanz der aus E1 und E2 gebildeten Einheit auf die zwei Phasen (oder auf eine Phase und den Nullleiter) der Netzspannung Va aufzuteilen.
• Die Fig. 10 stellt eine weitere Variante des Aufbaus der Fig. 8 dar. In diesem Fall werden die beiden Kippschaltungen 112 und 113 in der Weise betrieben, dass im Modus 'Laden' die Induktivität L1 aus E1 und die Induktivität L2 aus E2 und E3 in Reihenschaltung gebildet werden.
• Der Fachmann wird eine Ausführungsart der Fig. 8 bis 10 oder jede andere Ausführungsvariante je nach den Werten von E1, E2 und E3, die der Motor 61 bietet, und den für L1 und L2 ausgesuchten Werten wählen.

Claims (9)

1. System (80) zum Laden einer Batterie von Akkumulatoren (10) eines Kraftfahrzeugs aus einer einphasigen Spannungsquelle (Va), wobei das Kraftfahrzeug mit einem Drehstrom-Antriebsmotor (61) mit drei Wicklungen (E1, E2, E3) und mit einem Wechselrichter (30) mit drei Unterbrechern (31, 32, 33) zur Speisung des Drehstrommotors (61) ausgestattet ist, wobei Mittel zum Betreiben des besagten Wechselrichters (30) als Wechsel/Gleichspannungswandler mit einer Gleichrichter-Spannungserhöhungsstufe (70, 85) vorgesehen sind, die einen ersten (31) und einen zweiten (32) Unterbrecherzweig des Wechselrichters, eine Spannungserniedrigungsstufe (7186) mit einem dritte Unterbrecherzweig (33') des Wechselrichters (30) und Mittel (81, 82, 83, 111, 112, 113) aufweisen zum Anschließen:

- der Mittenanzapfungen (A, B) des ersten (31) und zweiten (32) Unterbrecherzweiges an die einphasige Spannungsquelle (Va) und

- der Mittenanzapfung (D) des dritten Unterbrecherzweiges (33, 86) an die Batterie (10)zur Versorgung mit Gleichspannung (V'out), dadurch gekennzeichnet, dass

- die Mittenanzapfungen (A, B) des ersten (31) und des zweiten (32) Unterbrecherzweiges mit der besagten einphasigen Spannungsquelle (Va) über eine erste Induktivität (L1) verbunden ist, die aus mindestens einer Wicklung des Drehstrommotors (61) besteht, und

- die Mittenanzapfung des dritten Unterbrecherzweiges (33) mit der Batterie (10) über eine zweite Induktivität (L2) verbunden ist, die aus mindestens einer Wicklung des besagten Drehstrommotors (61) besteht, welche von der oder den Wicklungen, die die erste Induktivität (L1) bilden, verschieden ist.

2. System (80) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der besagten Induktivitäten (L1, L2) aus zwei ersten (E1-E2, E2-E3) Wicklungen des Antriebsmotors (61) besteht und die andere Induktivität (L2, L1) aus der dritten Wicklung (E3, E1) des Antriebsmotors gebildet wird.

3. System (80) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der besagten Induktivitäten (L1, L2) aus zwei ersten (E1-E2, E2-E3) Wicklungen des Antriebsmotors (61) besteht, die entsprechend der Wickelrichtung gegenläufig betrieben werden, während die andere Induktivität (L2, L1) aus der dritten Wicklung (E3, E1) des Antriebsmotors gebildet wird.

4. System (80) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Funktionsmodus Stromrichter die Mittenanzapfung (A) des ersten Unterbrecherzweiges (31) die einphasige Spannung (Va) über eine erste Wicklung (E1) des Motors erhält, die Mittenanzapfung (B) des zweiten Unterbrecherzweiges (32) die einphasige Spannung (Va) über eine zweite Wicklung (E2) des Motors erhält und die Mittenanzapfung (C) des dritten Unterbrecherzweiges (33) mit der Batterie (10) über eine dritte Wicklung (E3) des Motors verbunden ist.

5. System (80) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Funktionsmodus Stromrichter die Mittenanzapfung (A, B) eines Unterbrecherzweiges (31, 32) der Gleichrichter-Spannungserhöherstufe (70, 85) die einphasige Spannung (Va) über zwei erste, in Reihe betriebene Wicklungen (E1, E2) des Motors (61) erhält und die Mittenanzapfung (C) des Unterbrecherzweiges (33) der Spannungserniedrigungsstufe (71, 86) mit der Batterie (10) über eine dritte Wicklung (E3) des Motors verbunden ist.

6. System (80) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Funktionsmodus Stromrichter die Mittenanzapfung (A, B) eines Unterbrecherzweiges (31, 32) der Gleichrichter-Spannungserhöherstufe (70, 85) die einphasige Spannung (Va) über eine erste Wicklung (E1) des Motors erhält und die Mittenanzapfung (C) des Unterbrecherzweiges (33) der Spannungserniedrigungsstufe (71, 86) mit der Batterie (10) über zwei andere, in Reihe betriebene Wicklungen (E2, E3) des Motors verbunden ist.

7. System (80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung Gleichrichter- Spannungserhöher (70, 85) in der Weise gesteuert wird (90, 100), dass ein sinusförmiger Strom (Ie) in Phase mit der besagten einphasigen Spannung (Va) aufgenommen wird.

8. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem jeder der besagten Unterbrecherzweige (31, 32, 33) mindestens zwei Unterbrechermittel (TA1/DA1, TA2/DA2, TB1/DB1, TB2/DB2, TC1/DC1, TC2/DC2) in Reihenschaltung enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechermittel der Unterbrecherzweige (31, 32) der Gleichrichter- Spannungserhöherstufe in abwechselnder Folge leitend gemacht werden, um die Dissipation der Leistung zu verteilen.

9. System nach Anspruch 8, bei dem jedes Unterbrechermittel einen Unterbrecher (TA1, TA2, TB1, TA2, TC1, TC2) und eine parallel geschaltete Diode (DA1, DA2, DB1, DB2, DC1, DC2) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Unterbrecher (TA1 - TC2) geschlossen sind, wenn ihre entsprechenden Dioden (DA1 - DC2) imstande sind, einen Strom zu leiten, so dass der Wirkungsgrad der Schaltungen Gleichrichter-Spannungserhöher (70, 85) und Gleichrichter- Spannungserniedriger (71, 86) erhöht wird.