DE102016200668A1 - Transport means and circuit arrangement for operation of an electrical machine by means of two energy storage - Google Patents
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Abstract
Es werden ein Fortbewegungsmittel und eine Schaltungsanordnung für einen Betrieb einer elektrischen Maschine (1) vorgeschlagen. Die Schaltungsanordnung umfasst: – einen Mehrspannungsinverter mit – einem ersten Anschluss (2) für eine erste Spannungsquelle, – einem zweiten Anschluss (3) für eine zweite Spannungsquelle und – einem dritten Anschluss (4) für die elektrische Maschine (1), und – ein zusätzliches nichtlineares Bauelement (T19, T20), wobei das zusätzliche nichtlineare Bauelement (T19, T20) einen Knotenpunkt (0) zwischen dem ersten Anschluss (2) und dem zweiten Anschluss (3) in einen dem ersten Anschluss zugeordneten oberen Knotenpunkt (0b) und einen dem zweiten Anschluss (3) zugeordneten unteren Knotenpunkt (0a) trennt.A means of locomotion and a circuit arrangement for operation of an electric machine (1) are proposed. The circuit arrangement comprises: a multi-voltage inverter with a first terminal (2) for a first voltage source, a second terminal (3) for a second voltage source, and a third terminal (4) for the electrical machine (1), and additional nonlinear device (T19, T20), wherein the additional nonlinear device (T19, T20) has a node (0) between the first port (2) and the second port (3) in an upper node (0b) and associated with the first port a lower node (0a) associated with the second port (3).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fortbewegungsmittel und eine elektrische Anordnung für einen Betrieb einer elektrischen Maschine mittels zweier elektrischer Energiespeicher. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Erweiterung des Funktionsumfangs sowie des Aufbaus im Stand der Technik bekannter Mehrspannungsinverter, nachfolgend "Multilevel-Inverter" genannt.The present invention relates to a means of locomotion and an electrical arrangement for operation of an electrical machine by means of two electrical energy storage. In particular, the present invention relates to an extension of the functional scope and the structure known in the art multi-voltage inverter, hereinafter referred to as "multilevel inverter".
Hybride Batteriesysteme können unterschiedlich ausgestaltet sein und mit verschiedenen Leistungselektronik-Toppologien aufgebaut werden. Vor allem ist das System mit Multilevel-Invertern für Hybrid-Anwendungen von großer Bedeutung. Auch für die Multilevel-Inverter gibt es verschiedene Toppologien, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Multilevel-Inverter mit einem neutralen Anschlusspunkt (Neutral Point Clampet(NPC)-Multilevel-Inverter) betrachtet werden soll. NPC-Multilevel-Inverter sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt und üblicherweise wie in der später noch eingehend diskutierten
Aufgabe der Erfindung ist es, Energie von einer Energiequelle und/oder von der zweiten Energiequelle auf einen Elektromotor zu bringen, wobei möglichst geringe ohmsche Verluste in den Halbleitern erzeugt werden sollen. The object of the invention is to bring energy from an energy source and / or from the second energy source to an electric motor, wherein the lowest possible ohmic losses are to be generated in the semiconductors.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Energiespeicher, welcher am Multilevel-Inverter angeschlossen ist, durch einen zweiten Energiespeicher, welcher am Multilevel-Inverter angeschlossen ist, zu laden.A further object of the present invention is to charge an energy store, which is connected to the multilevel inverter, by means of a second energy store, which is connected to the multilevel inverter.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung für einen Betrieb einer elektrischen Maschine gelöst. Die elektrische Maschine kann beispielsweise als Synchron-Maschine ausgestaltet sein. Die elektrische Maschine kann beispielsweise als mehr-phasige elektrische Maschine, insbesondere als Drehstrommaschine, ausgestaltet sein. Grundsätzlich umfasst die Schaltungsanordnung einen Multilevel-Inverter, wie er im Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist. Dieser weist einen ersten Anschluss für eine erste Spannungsquelle (z. B. eine Batterie, eine Brennstoffzelle, o. ä.) und einen zweiten Anschluss für eine zweite Spannungsquelle (eine Batterie, ein Akkumulator o. ä.) auf. Ein dritter Anschluss ist vorgesehen, um die elektrische Maschine elektrisch zu kontaktieren. Während die vorgenannten Elemente aus dem Stand der Technik bekannt sind, ist ein zusätzliches nichtlineares Bauelement (z. B. eine Diode und/oder ein Schalter, insbesondere ein steuerbarer Schalter) vorgesehen, welches einen Knotenpunkt zwischen dem ersten Anschluss für die erste Spannungsquelle und dem zweiten Anschluss für die zweite Spannungsquelle teilt. Mit anderen Worten wird der Knotenpunkt zwischen dem ersten Anschluss/ der ersten Spannungsquelle und dem zweiten Anschluss/ der zweiten Spannungsquelle geteilt und das zusätzliche nicht lineare Bauelement zur anschließenden elektrischen Verbindung zwischen die Teile des Knotenpunktes geschaltet. Auf diese Weise werden ein erster (oberer) Knotenpunkt und ein zweiter (unterer) Knotenpunkt erhalten, welche durch das nichtlineare Bauelement elektrisch miteinander verbunden werden (können). Gegenüber einem im Stand der Technik bekannten Multilevel-Inverter, welcher lediglich die Betriebspunkte "nur die erste Batterie wird für den Betrieb der elektrischen Maschine verwendet", "nur die zweite Batterie wird für den Betrieb der elektrischen Maschine verwendet" und "die beiden Batterien werden in Serie geschaltet, um die elektrische Maschine zu betreiben", kennt, kennt die wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zusätzlich den Betriebspunkt "die beiden Quellen werden parallel geschaltet". Für den Fall der Parallelisierung der zwei Quellen wurde hinsichtlich Spannungslage der Quellen nichts vorausgesetzt, aber bei unterschiedlichen Spannungslagen wird zuerst die Quelle mit der höheren Spannungslage verwendet, bis die beiden Quellen in etwa dieselbe Spannungslage haben. Erst anschließend wird Energie aus beiden Spannungsquellen entnommen. Auf diese Weise kann mittels der vorliegenden Erfindung bei Bedarf ein hoher Strom mit gleicher Spannungslage entnommen werden. Die Spannung an der elektrischen Maschine kann durch Addieren der beiden Batteriespannungen drastisch erhöht werden. Zusätzlich kann ein Ladungsausgleich der verwendeten Energiespeicher ohne zusätzliche Bauteile und Steuerungsaufwand realisiert werden. Zudem können 650 V-IGBT verwendet werden (z. B. bei einer Quellenspannungslage von jeweils bis zu 450 V). Schließlich kann die Zellenlebensdauer durch die Entlastung erhöht werden, da die Parallelisierung die zwei Quellen jeweils mit einer halben Stromstärke pro Quelle anstatt mit einer vollen Stromstärke und daher erheblich geringeren Verlusten innerhalb der Batterie und innerhalb der elektrischen Schaltung betreibt. Die Spannung an der Last (z.B. der elektrischen Maschine) ist durch vorbestimmtes Schalten der in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung enthaltenen Schalter einstellbar. Je nach Ausführung und Anzahl der Stränge bzw. nach Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine können in den Grundzügen entsprechende Schaltmuster verwendet werden, um die erfindungsgemäß erzielten Vorteile zu verwirklichen.The above-identified object is achieved by a circuit arrangement for operation of an electric machine. The electrical machine can be configured, for example, as a synchronous machine. The electric machine can be designed, for example, as a multi-phase electric machine, in particular as a three-phase machine. Basically, the circuit arrangement comprises a multilevel inverter, as is basically known in the prior art. This has a first connection for a first voltage source (eg a battery, a fuel cell, or the like) and a second connection for a second voltage source (a battery, an accumulator or the like). A third connection is provided to electrically contact the electric machine. While the foregoing elements are known in the art, an additional non-linear device (eg, a diode and / or a switch, in particular a controllable switch) is provided which provides a node between the first terminal for the first voltage source and the first terminal second connection for the second voltage source shares. In other words, the node between the first terminal / the first voltage source and the second terminal / the second voltage source is divided and the additional non-linear component connected for subsequent electrical connection between the parts of the node. In this way, a first (upper) node and a second (lower) node are obtained which can be electrically connected to each other by the nonlinear device. Compared to a known in the art multilevel inverter, which only the operating points "only the first battery is used for the operation of the electric machine", "only the second battery is used for the operation of the electric machine" and "the two batteries connected in series in order to operate the electric machine ", knows the circuit arrangement according to the invention as described above additionally the operating point" the two sources are connected in parallel ". In the case of the parallelization of the two sources, nothing was presupposed with regard to the voltage situation of the sources, but at different voltage levels, first the source with the higher voltage position is used until the two sources have approximately the same voltage level. Only then energy is taken from both voltage sources. In this way, by means of the present invention, if necessary, a high current with the same voltage level can be removed. The voltage on the electric machine can be drastically increased by adding the two battery voltages. In addition, a charge balance of the energy storage used can be realized without additional components and control effort. In addition, 650 V IGBTs can be used (eg with a source voltage level of up to 450 V each). Finally, the cell life can be increased by the discharge, since the parallelization operates the two sources each with a half current per source rather than a full amperage and therefore significantly lower losses within the battery and within the electrical circuit. The tension on the load (Eg the electric machine) can be adjusted by predetermined switching of the switch contained in the circuit arrangement according to the invention. Depending on the design and number of strands or according to the number of phases of the electrical machine corresponding switching pattern can be used in the basic features in order to realize the advantages achieved according to the invention.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.
Das nichtlineare Bauelement kann eine Diode umfassen, wodurch sich der Aufbau des zusätzlichen nichtlinearen Bauelementes insbesondere für den Fall vereinfacht, dass die Diode das alleinige zusätzliche nichtlineare Bauelement darstellt. Um zusätzlich ein Laden der ersten Spannungsquelle durch die zweite Spannungsquelle zu ermöglichen, kann das zusätzliche nichtlineare Bauelement mindestens einen ersten gesteuerten Schalter aufweisen. In der Praxis werden häufig zwei gegenläufig in Reihe miteinander geschaltete Bipolar-Transistoren mit isoliertem Gate (IGBT) verwendet, welche eine Freilaufdiode umfassen.The non-linear device may comprise a diode, thereby simplifying the structure of the additional non-linear device, in particular in the event that the diode is the sole additional non-linear device. In order additionally to allow charging of the first voltage source by the second voltage source, the additional non-linear component may have at least one first controlled switch. In practice, two oppositely series-connected bipolar insulated gate bipolar transistors (IGBTs) are often used which comprise a freewheeling diode.
Alternativ oder zusätzlich kann den Dioden eines jeden Brückenzweiges des Multilevel-Inverters ein jeweiliger steuerbarer Schalter parallel geschaltet sein. Bei geeignet getakteter Ansteuerung der steuerbaren Schalter kann eine Vielzahl Betriebszustände erzielt werden, auf welche in Verbindung mit den beigefügten Figuren im Detail eingegangen wird.Alternatively or additionally, the diodes of each bridge branch of the multilevel inverter, a respective controllable switch may be connected in parallel. With suitably clocked control of the controllable switch, a plurality of operating states can be achieved, which will be discussed in detail in connection with the accompanying figures.
Ein Beispiel für eine mögliche Ansteuerung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schaltungsanordnung wird durch die in Anspruch 3 enthaltene Tabelle beschrieben. Hierbei werden die in den Betriebszuständen I bis IV jeweils enthaltenen Zeilen beispielsweise chronologisch von oben nach unten durchlaufen, sodass sich eine entsprechende Zeitfolge für die Zustände der enthaltenen Elemente ableiten lässt. Die Schalter T1 bis T12 sind einzelnen Halbbrücken (1. HB, 2. HB, 3. HB) bzw. Strängen zugeordnet. Die dargestellte Tabelle stellt also Schaltanweisungen für den Fall dar, dass drei Halbbrücken (z. B. für den Betrieb einer drei-phasigen elektrischen Maschine) in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorgesehen sind. Die Schaltzustände der Schalter T19, T20 als exemplarische Bestandteile eines zusätzlichen nichtlinearen Bauelementes stellen einen wesentlichen Unterschied zum Stand der Technik in Verbindung mit dem Betriebszustand III dar. In der Tabelle nach Anspruch 3 bedeutet eine leere Zelle einen offenen Schalter, D einen Betrieb als Freilaufdiode und 1 einen geschlossenen (leitenden) Schalter.An example of a possible activation of the circuit arrangement proposed according to the invention is described by the table contained in
Um die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zusätzlich zum Laden einer ersten Batterie durch eine zweite Batterie (im Fahrbetrieb oder im Standbetrieb, wobei sich in Letzterem die elektrische Maschine nicht dreht) verwenden zu können, kann in mindestens einem Brückenzweig des Multilevel-Inverters eine Induktivität als Speicherdrossel vorgesehen werden. Die Induktivität bzw. Speicherdrossel kann beispielsweise zwischen dem ersten Anschluss für die erste Spannungsquelle und dem dritten Anschluss für die elektrische Maschine (z. B. eines jeweiligen Strangs des Multilevel-Inverters) vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Induktivität bzw. Speicherdrossel beispielsweise zwischen dem zweiten Anschluss für die zweite Spannungsquelle und dem dritten Anschluss für die elektrische Maschine (z. B. eines jeweiligen Strangs des Multilevel-Inverters) angeordnet sein. Durch die Induktivität kann ein Strom auch entgegen einer höheren Spannungslage getrieben werden, indem eine zunächst einen Strom durch die Induktivität treibende Spannungsquelle abgeschaltet bzw. von der Induktivität getrennt wird. Auf diese Weise kann beispielsweise eine erste Batterie mit einer geringeren Spannungslage verwendet werden, um eine zweite Batterie mit einer höheren Spannungslage zu laden.In order to be able to use the circuit arrangement according to the invention in addition to charging a first battery by a second battery (in driving operation or in stationary operation, in which latter the electric machine does not rotate), an inductance can be provided as a storage choke in at least one bridge branch of the multilevel inverter , The inductance or storage choke can be provided, for example, between the first connection for the first voltage source and the third connection for the electrical machine (for example of a respective strand of the multilevel inverter). Alternatively or additionally, the inductance or storage choke can be arranged, for example, between the second connection for the second voltage source and the third connection for the electrical machine (for example of a respective strand of the multilevel inverter). By means of the inductance, a current can also be driven against a higher voltage position by disconnecting a voltage source which initially drives a current through the inductance or disconnecting it from the inductance. In this way, for example, a first battery with a lower voltage level can be used to charge a second battery with a higher voltage level.
Um mittels der Induktivität eine Ausgangsspannung am dritten Anschluss für die elektrische Maschine unabhängig von einer Spannungslage der jeweiligen Spannungsquellen einstellen zu können, kann die Anordnung eingerichtet sein, vordefinierte Schalter des Multilevel-Inverters getaktet zu betreiben. Ein Beispiel für eine Betriebsweise der Schaltungsanordnung mit zusätzlichen Induktivitäten bzw. Speicherdrosseln wird durch die Tabelle nach Anspruch 6 dargestellt, für welche die in Verbindung mit der Tabelle nach Anspruch 3 gemachten Aussagen ebenfalls gelten. Der Betriebszustand IV bezieht sich nun auf den Fall, dass im Wesentlichen eine am ersten Anschluss anliegende Spannung gleich einer am zweiten Anschluss anliegenden Spannung ist, während die Betriebszustände V, VI und VII neue Betriebszustände zum parallelen Betreiben der elektrischen Maschine mit zwei Spannungsquellen unterschiedlicher Spannungslage (Betriebszustände V und VI) bzw. das Laden eines am zweiten Anschluss angeschlossenen Energiespeichers durch einen am ersten Anschluss angeschlossenen Energiespeicher ermöglichen, wobei im Wesentlichen eine am ersten Anschluss anliegende Spannung größer als eine am zweiten Anschluss anliegende Spannung ist (Betriebszustand VII).In order to be able to set an output voltage at the third connection for the electrical machine independently of a voltage position of the respective voltage sources by means of the inductance, the arrangement can be set up to operate clocked switches of the multilevel inverter in clocked fashion. An example of an operation of the circuit arrangement with additional inductors or storage chokes is represented by the table according to claim 6, for which the statements made in connection with the table according to
Zusätzlich zur Tabelle nach Anspruch 3 sind in der Tabelle nach Anspruch 6 die Bezeichnungen „FDT" für eine Stromkommutierung durch die Freilaufdioden des jeweiligen Schalters bei getaktetem Betrieb, „T“ für einen getakteten Betrieb des jeweiligen Schalters und „k“ als Parameter für das Tastverhältnis beim getakteten Betrieb des jeweiligen Schalters enthalten. Als mögliche Bereichsgrenzen für das Taktverhältnis seien hiermit sämtliche ganzzahlig durch zehn teilbaren Prozentsätze zwischen 0 und 100 offenbart.In addition to the table according to
Die Spannung an der elektrischen Maschine ist durch geeignetes Ansteuern der Schalter der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung einstellbar. Um sinusförmige Ströme in der elektrischen Maschine zu erzielen, müssen bestimmte Schalter der Schaltungsanordnung in geeigneter Weise getaktet betrieben werden. Die zu taktenden Schalter können beispielsweise im Gleichtakt geschaltet werden. Das Tastverhältnis des Schaltmusters kann in Abhängigkeit der Spannungslagen der beiden Spannungsquellen am ersten Anschluss und am zweiten Anschluss gewählt werden. Auch in der Anordnung mit Speicherdrosseln bzw. beim Betrieb gemäß der Tabelle aus Anspruch 6 kann ein Schalter des nichtlinearen zusätzlichen Bauelements durch eine Diode ersetzt werden, sofern ein Laden eines ersten Energiespeichers durch einen zweiten Energiespeicher nicht willkürlich vorgenommen werden können soll. Die durch die Tabelle gemäß Anspruch 6 definierte Betriebsweise kann in Abhängigkeit einer angepassten Schaltungsvariante durch den Fachmann in entsprechender Weise angepasst werden, ohne dass dieser hierzu einer expliziten Anleitung bedarf. Bevorzugt kann ein vierter Anschluss als Netzanschluss zwischen der Induktivität (Speicherdrossel) und dem dritten Anschluss vorgesehen sein. Um die Batterie mit möglichst wenig Bauteilen von verschiedenen Energiequellentypen (Wechselstrom, Gleichstrom, ein-phasig, drei-phasig etc.) laden zu können, kann sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung die in der Praxis an elektrischen Netzanschlüssen stets vorhandenen Netzfilterkondensatoren zu Nutze machen. Mit anderen Worten kann an dem vierten Anschluss (welcher ebenso wie der dritte Anschluss z.B. ein-phasig oder mehr-phasig ausgestaltet sein kann) eine elektrische Verbindungsleitung zu einem Energienetz angeschlossen werden, wobei mit drei Netzfilterkondensatoren die am ersten Anschluss angeschlossene Batterie mit einer drei-phasigen Quelle geladen werden kann, mit nur einem Netzfilterkondensator die Batterie am ersten Anschluss von einer zwei-phasigen Quelle geladen werden kann und ohne zusätzliche Bauteile die Batterie am ersten Anschluss von einer Gleichspannungsquelle unter der Voraussetzung, dass die Spannungslage der Gleichspannungsquelle kleiner oder gleich der Spannungslage der Batterie am ersten Anschluss ist, geladen werden kann.The voltage on the electric machine can be adjusted by suitably activating the switches of the circuit arrangement according to the invention. In order to achieve sinusoidal currents in the electrical machine, certain switches of the circuit arrangement must be operated clocked in a suitable manner. For example, the switches to be clocked can be switched in common mode. The duty cycle of the switching pattern can be selected depending on the voltage levels of the two voltage sources at the first terminal and the second terminal. Also in the arrangement with storage chokes or during operation according to the table of claim 6, a switch of the non-linear additional device can be replaced by a diode, unless charging a first energy storage by a second energy storage should not be arbitrarily made. The mode of operation defined by the table according to claim 6 can be adapted in a corresponding manner by the person skilled in the art, depending on a modified circuit variant, without requiring an explicit instruction for this purpose. Preferably, a fourth connection can be provided as a network connection between the inductance (storage choke) and the third connection. In order to be able to charge the battery with as few components as possible from different types of energy sources (alternating current, direct current, single-phase, three-phase, etc.), the circuit arrangement according to the invention can make use of the line filter capacitors which are always present in practice at electrical mains connections. In other words, an electrical connecting line to a power grid can be connected to the fourth connection (which, like the third connection, may be single-phase or multi-phase), with three mains filter capacitors connecting the battery connected to the first connection with a three-line filter capacitor. can be charged with only a line filter capacitor, the battery at the first terminal of a two-phase source and without additional components, the battery at the first terminal of a DC voltage source, provided that the voltage level of the DC voltage source is less than or equal to the voltage level the battery is on the first port, can be charged.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel (z. B. ein Pkw, ein Transporter, ein Lkw, ein Luft- und/oder Wasserfahrzeug) vorgeschlagen, welches eine Schaltungsanordnung gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Die Schaltungsanordnung kann zur Versorgung einer elektrischen Traktionsmaschine oder einer anderen elektrischen Maschine des Fortbewegungsmittels verwendet werden. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen daher derart ersichtlich denjenigen des erstgenannten Erfindungsaspekts, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.According to a second aspect of the present invention, there is proposed a means of transportation (eg, a car, a van, a truck, an air and / or water vehicle) having a circuit arrangement according to the first aspect of the invention. The circuit arrangement can be used to supply an electric traction machine or another electric machine of the means of locomotion. The features, combinations of features and the advantages arising therefrom therefore correspond so clearly to those of the first-mentioned aspect of the invention that reference is made to the above statements to avoid repetition.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings:
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Zwischen einem zweiten Anschluss des ersten Schalters T1 und einem ersten Anschluss des zweiten Schalters T2 ist eine erste Diode D1 angeschlossen, welche andererseits an den neutralen Anschlusspunkt
Die
Claims (10)
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