DE102010052876A1

DE102010052876A1 - Electric supply system

Info

Publication number: DE102010052876A1
Application number: DE102010052876A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Sachs Peter
Original assignee: HOCHSCHULE KEMPTEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES
Current assignee: HOCHSCHULE KEMPTEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2012-02-16
Also published as: WO2012072172A2; WO2012072172A3

Abstract

Elektrisches Versorgungssystem (1, 25) mit einer Anzahl elektrischer Spannungsquellen (3, 5, 8), mit einer Anzahl von den Spannungsquellen (3, 5, 8) jeweils zugeordneten steuerbaren Wandlern (9, 11, 14), mit einer Wechselstromleitung (15) und mit einer elektrischen Antriebseinheit (16, 26, 30) umfassend eine Antriebssteuerung (17, 27, 31) und eine elektrische Maschine (18, 28, 32), wobei die oder jede Spannungsquelle (3, 5, 8) über den jeweils zugeordneten Wandler (9, 11, 14) an die Wechselstromleitung (15) angeschlossen ist, und wobei die elektrische Maschine (18, 28, 32) zur Energieversorgung mit der Wechselstromleitung (15) verbunden ist, sowie mit einem Datenbus (20), der mit dem oder jeden Wandler (9, 11, 14) und mit der Antriebssteuerung (17, 27, 31) verbunden ist, und der zu einer Ansteuerung des oder jeden Wandlers (9, 11, 14) ausgebildet ist.Electrical supply system (1, 25) with a number of electrical voltage sources (3, 5, 8), with a number of controllable converters (9, 11, 14) respectively assigned to the voltage sources (3, 5, 8), with an AC line (15 ) and with an electric drive unit (16, 26, 30) comprising a drive control (17, 27, 31) and an electric machine (18, 28, 32), the or each voltage source (3, 5, 8) being connected to the respective assigned converter (9, 11, 14) is connected to the AC line (15), and wherein the electrical machine (18, 28, 32) is connected to the AC line (15) for power supply, and to a data bus (20) which is connected to the or each converter (9, 11, 14) and to the drive control (17, 27, 31), and which is designed to control the or each converter (9, 11, 14).

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Versorgungssystem zur Bereitstellung von elektrischer Energie aus einer Spannungsquelle für eine elektrische Maschine. Die Erfindung beschäftigt sich dabei insbesondere mit der Bereitstellung von elektrischer Energie für Fahrzeugantriebe in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen aus Spannungsquellen.The invention relates to an electrical supply system for providing electrical energy from a voltage source for an electrical machine. The invention is particularly concerned with the provision of electrical energy for vehicle drives in hybrid or electric vehicles from voltage sources.

Bei einem Versorgungssystem zur Bereitstellung elektrischer Energie für eine elektrische Maschine, wie insbesondere einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs zu Luft, zu Wasser oder zu Lande, besteht die grundsätzliche Problematik, dass die von Spannungsquellen wie Batterien, Akkumulatoren, Brennstoffzellen, Generatoren oder dergleichen bereitgestellte elektrische Energie über ein Leitungssystem zur elektrischen Maschine gebracht werden muss. Üblich ist hierbei ein Gleichstromsystem, wobei eine Gleichstromleitung mit hohen Spannungen im kV-Bereich und Strömen im 100 A-Bereich, gespeist aus Batterien/Akkumulatoren, vorgesehen ist, um leistungsstarke elektrische Maschinen mit der benötigten Energie zu versorgen. Auf der Antriebsseite sind hierbei elektrische Wandler oder Umrichter vorgesehen, die aus der Gleichspannung, beispielsweise mittels eines Gleichstromzwischenkreises mit Brückenzweigen eine für die elektrische Maschine benötigte Wechselspannung transformieren. Um die benötigte hohe Gleichspannung zu erhalten, können die Batterien oder Akkumulatoren geeignet in Serie geschaltet sein.In a supply system for providing electrical energy for an electric machine, such as in particular an electric drive of a vehicle to air, water or land, there is the fundamental problem that provided by voltage sources such as batteries, accumulators, fuel cells, generators or the like electrical energy must be brought to the electrical machine via a line system. A DC system is customary, with a DC line with high voltages in the kV range and currents in the 100 A range, supplied by batteries / accumulators, being provided in order to supply high-performance electrical machines with the required energy. On the drive side in this case electrical converters or converters are provided which transform from the DC voltage, for example by means of a DC intermediate circuit with bridge branches required for the electrical machine AC voltage. In order to obtain the required high DC voltage, the batteries or accumulators may be suitably connected in series.

Ein Nachteil an einem derartigen System ist die Tatsache, dass die über die Gleichstromleitung transportierte Gleichspannung für leistungsstarke elektrische Maschinen gerade in Fahrzeugen entlang der Karosserie geführt ist. Kommt es durch Verschleiß oder durch Unfall zu einem Bruch der Isolierung einer derartigen Gleichstromleitung, so führt dies zur Ausbildung von Funkenschlag oder Lichtbogen, so dass eine erhebliche Brandgefahr oder eine Gefahr für Leib und Leben der Insassen damit verbunden ist. Eine Abschaltung einer solchen Gleichstromleitung ist mit denselben Problemen verbunden.A drawback to such a system is the fact that the DC voltage carried over the DC line for high power electrical machines is currently being guided in vehicles along the body. If it comes through wear or accident to break the insulation of such a DC line, this leads to the formation of spark or arc, so that a significant risk of fire or injury to life and limb of the occupants is connected. A shutdown of such a DC line is associated with the same problems.

Weiterhin besteht das Problem einer nicht ausreichenden Kapazität der heute zur Verfügung stehenden Spannungsquellen wie Batterien oder Akkumulatoren. Aufgrund dieses noch zu behebenden Mangels erreichen elektrisch angetriebene Fahrzeuge mit leistungsstarken Antrieben nicht die wünschenswerte Reichweite. Zudem benötigt das Aufladen entladener Akkumulatoren eine geraume Zeit, die gegebenenfalls inakzeptabel ist. Der Austausch ganzer Akkumulatorenblöcke, die zur Bereitstellung der benötigten Gleichspannung nötig sind, ist zudem aufgrund der Größe und des Gewichts problematisch.Furthermore, there is the problem of insufficient capacity of today available power sources such as batteries or accumulators. Due to this still to be remedied lack reach electrically driven vehicles with powerful drives not the desirable range. In addition, the charging of discharged batteries requires a considerable amount of time, which may be unacceptable. The replacement of entire accumulator blocks, which are necessary to provide the required DC voltage, is also problematic because of the size and weight.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Versorgungssystem zur Bereitstellung elektrischer Energie von Spannungsquellen für elektrische Maschinen anzugeben, welches möglichst sicher ist und welches eine rasche Wiederherstellung der benötigten Ausgangsleistung von Spannungsquellen ermöglicht.The object of the invention is to provide an electrical supply system for providing electrical energy from voltage sources for electrical machines, which is as safe as possible and which allows a rapid recovery of the required output power from voltage sources.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektrisches Versorgungssystem gelöst, welches eine Anzahl elektrischer Spannungsquellen, eine Anzahl von den Spannungsquellen jeweils zugeordneten steuerbaren Wandlern, eine Wechselstromleitung und eine elektrische Antriebseinheit umfasst, der eine Antriebssteuerung und eine elektrische Maschine zugeordnet sind, wobei die oder jede Spannungsquelle über den jeweils zugeordneten Wandler an die Wechselstromleitung angeschlossen ist, und wobei die elektrische Maschine zur Energieversorgung mit der Wechselstromleitung verbunden ist, und welches ferner einen Datenbus umfasst, der mit dem oder jedem Wandler und mit der Antriebssteuerung verbunden ist, und der zu einer Ansteuerung des oder jeden Wandlers ausgebildet ist.This object is achieved by an electrical supply system comprising a number of electrical voltage sources, a number of the voltage sources each associated controllable converters, an AC line and an electric drive unit, which are associated with a drive control and an electric machine, wherein the or each voltage source via the respective associated converter is connected to the AC line, and wherein the electrical machine for power supply is connected to the AC line, and which further comprises a data bus which is connected to the or each converter and to the drive control, and which is used to control the or each transducer is formed.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, die Spannungswandlung von der Antriebsseite auf die Seite der Spannungsquellen zu verlagern. Dazu wird jeder Spannungsquelle ein konkreter Wandler zugeordnet, der aus der von einer Spannungsquelle gelieferten Gleichspannung eine Wechselspannung erzeugt. Diese Wechselspannung in geeigneter Frequenz und Stärke wird dann über die Wechselstromleitung der elektrischen Antriebseinheit zugeführt. Im Unterschied zu einer Gleichstromleitung, wobei der Wandler am Ort der Antriebseinheit angeordnet ist, ermöglicht dies ein einfaches und rasches Abschalten der Spannungsquelle von der Wechselstromleitung. Dazu wird der Wandler derart angesteuert, dass die Ausgangsphasen gegenüber der Gleichspannung der Spannungsquellen entkoppelt sind. Dies ist einfach dadurch möglich, dass die entsprechenden, beispielsweise in Brückenzweigen angeordneten elektrischen Schaltelemente durch ein entsprechendes Steuersignal sämtlich geöffnet werden.The invention is based on the idea of shifting the voltage conversion from the drive side to the side of the voltage sources. For this purpose, a specific converter is assigned to each voltage source, which generates an AC voltage from the DC voltage supplied by a voltage source. This alternating voltage in suitable frequency and intensity is then supplied via the AC line of the electric drive unit. In contrast to a DC line, wherein the converter is arranged at the location of the drive unit, this allows a simple and rapid switching off of the voltage source from the AC line. For this purpose, the converter is controlled such that the output phases are decoupled from the DC voltage of the voltage sources. This is simply possible because the corresponding, for example arranged in bridge arms electrical switching elements are all opened by a corresponding control signal.

Mit anderen Worten kann die Wechselstromleitung bei Bedarf mit den Schaltzeiten moderner Halbleiterbauelemente, die mittlerweile unterhalb von 1 μs liegen, abgeschaltet werden. Damit bietet das hier vorgeschlagene Versorgungssystem eine wesentlich höhere Sicherheit als ein vergleichbares und übliches Gleichstromsystem.In other words, the AC line can be switched off when needed with the switching times of modern semiconductor devices, which are now below 1 microseconds. Thus, the proposed here supply system provides a much higher security than a comparable and conventional DC system.

Die Erfindung bietet darüber hinaus den Vorteil einer einfachen Ankopplung verschiedenartiger Spannungs- oder Energiequellen, wie beispielsweise von Batterien, Akkumulatoren, Brennstoffzellen, Generatoren oder Kondensatorbatterien, da jede dieser Spannungsquellen mit einem eigenen Wandler ausgestattet ist. Über den vorgesehenen Datenbus erfolgt die entsprechende Ansteuerung der jeweiligen Wandler, so dass eine gewünschte phasen- und frequenzgenaue Synchronisation der einzelnen Spannungsquellen möglich wird. Die entsprechenden Ausgangssignale addieren sich insgesamt zu der gewünschten Wechselspannung in der Wechselstromleitung. Eine Partition der Gesamtkapazität in leicht austauschbare intelligente Energiespeicher erbringt zudem eine variable Gewichtsverteilung (weight and balance) sowie eine einfachere Handhabung der kleineren Module.The invention also offers the advantage of a simple coupling of various voltage or energy sources, such as batteries, accumulators, fuel cells, generators or capacitor banks, since each of these Voltage sources is equipped with its own converter. About the intended data bus, the corresponding control of the respective converter, so that a desired phase and frequency-accurate synchronization of the individual voltage sources is possible. The corresponding output signals add up in total to the desired AC voltage in the AC line. A partition of the total capacity into easily replaceable smart energy storage also provides a variable weight distribution (weight and balance) and easier handling of the smaller modules.

Der Datenbus sollte hierfür mit entsprechend hohen Frequenzen operieren, so dass die Schaltzeiten der in den Wandlern eingesetzten Halbleiterbauelemente zur Synchronisation real ausgenutzt werden können. Ein solcher Bus ist beispielsweise ein sogenannter EtherCAT-Bus, der extrem kurze Zykluszeiten von weniger als 100 μs bei einem niedrigen Jitter von ≤ 1 μs aufweist. Als Alternativen kann ein AFDX-(ein auf Ethernet basierender Bus gemäß ARINC-Standard 664 mit deterministischer Wegführung) oder ein LXI-ähnlicher Bus, gegebenenfalls mit IEEE1588-Protokoll , eingesetzt sein. Der „LAN eXtensions for Instrumentation-Bus”, kurz LXI-Bus, ist eine offene Spezifikation, um Messinstrumente und -systeme per Ethernet (LAN) miteinander zu vernetzen. Der Datenbus überträgt beispielsweise die Winkelstellung des Rotors der elektrischen Maschine oder direkt die Ansteuersignale für die Spannungsquellen oder Spannungssenken. Die Bussysteme können dabei selbstverständlich in Details gegenüber Standard-Bussystemen abweichen und erfüllen die vorliegend erforderlichen Bedingungen eines schnellen Datenaustausches entsprechend der Schaltzeiten der Halbleiterbauelemente.For this purpose, the data bus should operate with correspondingly high frequencies, so that the switching times of the semiconductor components used in the converters for synchronization can be utilized in real terms. Such a bus is, for example, a so-called EtherCAT bus, which has extremely short cycle times of less than 100 μs with a low jitter of ≦ 1 μs. As alternatives, an AFDX (an Ethernet based bus according to ARINC standard 664 with deterministic routing) or an LXI-like bus, optionally with IEEE1588 protocol be used. The "LAN Extensions for Instrumentation Bus", short LXI bus, is an open specification to network measuring instruments and systems via Ethernet (LAN). The data bus transmits, for example, the angular position of the rotor of the electric machine or directly the control signals for the voltage sources or voltage drops. Of course, the bus systems may differ in details from standard bus systems and meet the conditions required here for fast data exchange in accordance with the switching times of the semiconductor components.

Als elektrische Maschinen sind Wechselstrommaschinen, aber auch Universalmotoren vorstellbar. Geeignete Wechselstrommaschinen sind beispielsweise Synchron- oder Asynchronmotoren, insbesondere mit permanenterregtem Rotor. Bei letzteren Maschinen wird durch geeignete Taktung der Halbleiterbauelemente im Wandler oder Umrichter ein geeignetes mehrphasiges Wechselspannungssignal erzeugt, so dass im Stator der Maschine ein umlaufendes Magnetfeld generiert wird. Hierzu werden in einer üblichen Beschaltung drei Phasen, also Drehstrom, benötigt, in die beispielsweise in Sternpunkt- oder Dreieckschaltung die entsprechenden Wicklungsstränge geschaltet sind. Im Unterschied zur Sternpunktschaltung wird bei der Dreieckschaltung kein Neutralleiter benötigt.As electrical machines are conceivable alternators, but also universal motors. Suitable alternating current machines are, for example, synchronous or asynchronous motors, in particular with permanently excited rotor. In the latter machines, a suitable multiphase AC voltage signal is generated by suitable clocking of the semiconductor components in the converter or converter, so that a circulating magnetic field is generated in the stator of the machine. For this purpose, three phases, ie three-phase current, are required in a conventional circuit, in which, for example, in star point or delta connection, the corresponding winding strands are connected. In contrast to the neutral connection, no neutral conductor is required in the delta connection.

Die Erfindung ermöglicht es im Übrigen auch, einen Transport von Energie aus einer elektrischen Maschine, sofern diese als Generator fungiert, oder einer externen Quelle an die eingesetzten Akkumulatoren zu koordinieren.Incidentally, the invention also makes it possible to coordinate transport of energy from an electrical machine, provided that it functions as a generator, or an external source to the accumulators used.

Bevorzugt ist die elektrische Maschine eingangsseitig unmittelbar an die Wechselstromleitung angeschlossen. Mit anderen Worten wird über den Datenbus eine Ansteuerung des oder jeden Wandlers einer Spannungsquelle derart vorgenommen, dass in der Wechselstromleitung das jeweils für die elektrische Maschine benötigte oder gewünschte Wechselspannungssignal in den einzelnen Phasen erzeugt wird. Die in der Wechselstromleitung geführten einzelnen Phasen werden hierbei unmittelbar zur Bestromung oder Spannungsbeaufschlagung der Wicklungsstränge der elektrischen Maschine herangezogen. Die Ansteuerung und Synchronisation der einzelnen Wandler übernimmt insbesondere die Antriebssteuerung der vorgesehenen Antriebseinheit. Diese Antriebssteuerung überwacht bevorzugt auch die Phasenlage des Rotors der elektrischen Maschine und steuert dementsprechend über den Datenbus die Wandler der entsprechenden Spannungsquellen. Insgesamt werden somit die benötigte Drehzahl eingestellt und gegebenenfalls unterschiedliche Lasten durch Veränderung des Spannungssignals ausgeglichen.Preferably, the electrical machine is connected on the input side directly to the AC power line. In other words, via the data bus, a control of the or each converter of a voltage source is carried out such that in the AC line, the respectively required or desired for the electric machine AC signal is generated in the individual phases. The individual phases guided in the AC line are used directly for supplying current or voltage to the phase windings of the electric machine. The control and synchronization of the individual transducers assumes in particular the drive control of the intended drive unit. This drive control preferably also monitors the phase position of the rotor of the electrical machine and accordingly controls the transducers of the corresponding voltage sources via the data bus. Overall, therefore, the required speed can be adjusted and optionally compensated for different loads by changing the voltage signal.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung sind mehrere Antriebseinheiten vorgesehen, wobei jede elektrische Maschine über einen mit der Antriebssteuerung verbundenen Eingangswandler an den Wechselstromleiter angeschlossen ist. In diesem Fall werden über die Wechselstromleitung nicht unmittelbar die von der elektrischen Maschine benötigten Phasen bereitgestellt. Vielmehr wird beispielsweise ein Konstantfrequenz-Signal in der Wechselstromleitung bzw. in den jeweiligen Phasen geführt, welches dann über den Eingangswandler beispielsweise in eine Gleichspannung transformiert und dort in die entsprechenden Wechselstromphasen für die elektrische Maschine umgewandelt wird. Ein derartiges System bietet die Möglichkeit, an die Wechselstromleitung unabhängig voneinander steuerbare Antriebseinheiten anzuschließen. Bei einer Frequenz des Wechselstroms von einigen hundert kHz bis zu einem MHz, also einem mittel- bis hochfrequenten Signal, können hierbei einfachere Wandler mit Schaltelementen kleinerer Kapazität eingesetzt werden.In another preferred embodiment, a plurality of drive units are provided, each electrical machine being connected to the AC conductor via an input converter connected to the drive controller. In this case, the phases required by the electric machine are not directly provided via the AC line. Rather, for example, a constant frequency signal in the AC line or in the respective phases out, which is then transformed via the input converter, for example, into a DC voltage and converted there into the corresponding AC phases for the electric machine. Such a system offers the possibility to connect to the AC line independently controllable drive units. At a frequency of the alternating current of a few hundred kHz to one MHz, so a medium to high-frequency signal, this simpler converter can be used with switching elements of smaller capacity.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mit mehreren Spannungsquellen und diesen jeweils zugeordneten Wandlern ist eine mit dem Datenbus verbundene zentrale Steuereinheit umfasst, die dafür eingerichtet ist, die mehreren Wandler phasen- und frequenztreu zu einer festgelegten Superpositionierung ihrer jeweiligen Spannungen in der Wechselstromleitung anzusteuern. Dies ermöglicht – wie bereits ausgeführt – die Ankopplung verschiedenster Spannungsquellen an die Wechselstromleitung zur Erzeugung der gewünschten Phasensignale. Über den Datenbus und über geeignete Wandler mit entsprechenden Halbleiterbauelementen, wie insbesondere FET oder IGBT wird hierbei erreicht, dass die über die Wandler von den einzelnen Spannungsquellen erzeugten Wechselspannungen mit ihren Wellenfronten gewünscht phasen- und frequenztreu übereinander liegen.In a preferred embodiment of the invention with a plurality of voltage sources and their respective associated transducers connected to the data bus central control unit is included, which is adapted to drive the plurality of transducers phase and frequency loyal to a fixed superposition of their respective voltages in the AC line. This allows - as already stated - the coupling of various voltage sources to the AC line to generate the desired phase signals. about the data bus and suitable converters with corresponding semiconductor devices, such as in particular FET or IGBT is achieved here that the alternating voltages generated via the converter from the individual voltage sources with their wavefronts are desired phase and frequency over each other.

Eine solche zentrale Steuereinheit, die als eine Strangsteuerung arbeitet, bietet den Vorteil einer möglichen Spezialisierung auf den eingesetzten Datenbus und auf die eingesetzten Wandler der jeweiligen Spannungsquellen. Auch eine solche zentrale Steuereinheit kann jedoch Teil einer Antriebssteuerung einer eingesetzten elektrischen Antriebseinheit sein.Such a central control unit, which operates as a string control, offers the advantage of a possible specialization on the data bus used and on the used transducers of the respective voltage sources. However, such a central control unit may also be part of a drive control of an inserted electric drive unit.

Für den Fall einer alleinigen elektrischen Maschine ist die zentrale Steuereinheit bevorzugt dafür ausgebildet, den oder jeden Wandler frequenzvariabel entsprechend der gewünschten Speisespannung der elektrischen Maschine anzusteuern. Dazu kann die zentrale Steuereinheit mit einer Antriebssteuerung oder mit einem geeigneten Motorsensor verbunden sein, um die Phasenlage des Rotors der elektrischen Maschine zu erfassen, so dass eine entsprechende Drehzahlsteuerung oder -regelung ermöglicht ist.In the case of a sole electric machine, the central control unit is preferably designed to control the or each converter frequency-variable according to the desired supply voltage of the electric machine. For this purpose, the central control unit can be connected to a drive control or to a suitable motor sensor in order to detect the phase position of the rotor of the electric machine, so that a corresponding speed control or regulation is made possible.

Sind mehrere elektrische Antriebseinheiten vorgesehen, die über eine zentrale Wechselstromleitung und die jeweiligen Eingangswandler mit elektrischer Energie versorgt werden, so ist die zentrale Steuereinheit bevorzugt dafür eingerichtet, die jeweiligen Wandler phasen- und frequenzsynchron anzusteuern, so dass in der Wechselstromleitung bzw. in deren Phasen ein Konstantfrequenz-Signal vorliegt.If a plurality of electric drive units are provided, which are supplied with electrical energy via a central AC power line and the respective input transducers, the central control unit is preferably set up to drive the respective transducers in phase and frequency synchronous manner, so that they are in the AC line or in their phases Constant frequency signal is present.

Zur Ansteuerung der Wandler und/oder der Antriebssteuerungen sowie der zentralen Steuereinheit ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung weiter ein Steuerbus vorgesehen, der dafür eingerichtet ist, betriebsrelevante Parameter für die Antriebseinheit vorzugeben. Solche Betriebsparameter können beispielsweise die Gaspedalstellung in einem Kraftfahrzeug, eine Hebelstellung in anderen Fahrzeugen, eine Geschwindigkeitsvorgabe oder ein Bremssignal oder dergleichen sein. Solche Informationen werden beispielsweise bei einer intelligenten Motorsteuerung eines Fahrzeugs aus dem bereits vorhandenen Bussystem entnommen. Insofern eignet sich als Steuerbus der in Fahrzeugen häufig eingesetzte CAN-Bus. Alternativ eignet sich als Steuerbus ein LIN-(Local Interconnect Network), ein LXI-(LAN eXtensions for Instrumentation), ein RS232-, ein RS485-, ein ARINC429- oder ein AFDX-ähnliches Bussystem.To control the converter and / or the drive controls and the central control unit, a control bus is further provided in an expedient embodiment, which is set up to specify operating parameters for the drive unit. Such operating parameters may be, for example, the accelerator pedal position in a motor vehicle, a lever position in other vehicles, a speed specification or a brake signal or the like. Such information is taken, for example, in an intelligent engine control of a vehicle from the existing bus system. In this respect is suitable as a control bus frequently used in vehicles CAN bus. Alternatively, the control bus can be a LIN (Local Interconnect Network), an LXI (LAN Extensions for Instrumentation), an RS232, an RS485, an ARINC429 or an AFDX-like bus system.

Zweckmäßigerweise sind die Wandler und/oder Antriebswandler zur Erzeugung eines Wechselstromausgangssignals mittels Pulsweitenmodulation eingerichtet, wozu steuerbare Halbleiterschaltelemente, insbesondere IGBT eingesetzt sind. Mittels derartiger schneller Halbleiterbauelemente gelingt es, die verschiedenen Spannungsquellen über die jeweiligen Wandler zu den gewünschten Phasen in der Wechselstromleitung zu synchronisieren. Da solche Halbleiterbauelemente hart schalten, entstehen unerwünschterweise Seitenbanden im Frequenzsignal, die gegebenenfalls zu einer EMV-Unverträglichkeit des Systems führen.Expediently, the converters and / or drive converters are set up to generate an alternating current output signal by means of pulse width modulation, for which purpose controllable semiconductor switching elements, in particular IGBTs, are used. By means of such fast semiconductor components, it is possible to synchronize the various voltage sources via the respective transducers to the desired phases in the AC line. Since such semiconductor devices turn hard, undesirable side bands in the frequency signal, which may lead to an EMC incompatibility of the system arise.

Um letzterem Umstand Rechnung zu tragen, sind die Phasenleitungen der Wechseistromleitung vorteilhafterweise von einem Neutralleiter ummantelt. Dabei liegen insbesondere bevorzugt die Phasenleitungen eng aneinander und/oder sind gewendelt geführt. Im Gegensatz zu einer üblichen Leitungsführung an elektrische Maschinen ist dadurch das Aussenden von elektromagnetischer Strahlung minimiert. Dieses Design ermöglicht es somit, auf gegebenenfalls aufwändige EMV-Maßnahmen zu verzichten.To take account of the latter circumstance, the phase lines of the alternating current line are advantageously encased by a neutral conductor. In this case, in particular, the phase lines are preferably closely adjacent to one another and / or are guided in a coiled manner. In contrast to a conventional wiring to electrical machines thereby the emission of electromagnetic radiation is minimized. This design thus makes it possible to dispense with possibly expensive EMC measures.

Der Neutralleiter kann die Phasen im Falle einer Sternpunktschaltung zurück führen. Bei einer Dreieckschaltung kann der Neutralleiter aber auch ein Masseleiter sein. Auf jeden Fall bewirkt ein solcher Neutralleiter eine Abschirmung der Phasenleitungen, so dass die Wechselstromleitung hierdurch EMV-verträglich ausgestaltet ist. Auf einen separaten Neutralleiter kann allerdings aus Ersparnisgründen verzichtet werden, da im Normalbetrieb von Antrieben keine Kriechströme auftreten.The neutral conductor can return the phases in the case of a neutral connection. In a delta connection, the neutral conductor can also be a ground conductor. In any case, such a neutral conductor causes a shielding of the phase lines, so that the AC line is thereby made EMC compatible. However, for reasons of economy, it is possible to dispense with a separate neutral conductor, since no leakage currents occur in normal operation of drives.

Weiter bevorzugt ist die Wechselstromleitung für Hochfrequenz-Signale (HF) ausgebildet. Insbesondere sind die einzelnen Phasenleitungen dann vergleichsweise geradlinig ausgeführt. Abzweigungen sind unter flachen Winkeln ausgeführt. Auf diese Weise werden Reflektionen und die Entstehung von stehenden Wellen vermieden, was zu unerwünschten Spannungsverläufen entlang der Wechselstromleitung führen kann.More preferably, the AC power line for high-frequency signals (HF) is formed. In particular, the individual phase lines are then designed to be relatively straightforward. Branches are made at shallow angles. In this way, reflections and the emergence of standing waves are avoided, which can lead to undesirable voltage waveforms along the AC line.

Zweckmäßigerweise ist die oder jede Antriebssteuerung und/oder die zentrale Steuereinheit dafür eingerichtet, in einem Fehlerfall über den Datenbus den oder jeden Wandler ausgangsseitig spannungsfrei zu schalten. Dazu wird ein geeignetes Signal über den Datenbus an die Wandler zu einem Öffnen der eingesetzten Schaltelemente, insbesondere der Halbleiterschaltelemente, geführt. Durch Öffnen der jeweiligen Halbleiterschaltelemente werden die Ausgangsphasen von der Gleichspannungsquelle rasch entkoppelt.Conveniently, the or each drive control and / or the central control unit is set up to switch the output side of the or each converter on the output side in the event of an error via the data bus. For this purpose, a suitable signal via the data bus to the converter to open the switching elements used, in particular the semiconductor switching elements, out. By opening the respective semiconductor switching elements, the output phases are rapidly decoupled from the DC voltage source.

Für den Wechselstromleiter genügt es im einfachsten Fall, eine gegenüber Masse wechselspannungsführende Leitung vorzusehen. Bevorzugt sind jedoch für eine elektrische Maschine wenigstens zwei spannungsführende Leitungen vorgesehen. In einer zweckmäßigen Schaltung ist die Wechselstromleitung als eine Drehstromleitung mit drei spannungsführenden Leitungen oder Phasen und einem Neutralleiter ausgestaltet. Bevorzugt ist weiter der Datenbus hierbei mit den spannungsführenden Leitungen geführt und vom Neutralleiter ebenfalls mit ummantelt.In the simplest case, it is sufficient for the AC conductor to provide a line which conducts alternating voltage with respect to ground. However, at least two are preferred for an electric machine provided live lines. In an appropriate circuit, the AC line is configured as a three-phase line with three live lines or phases and one neutral. Preferably, the data bus is further guided in this case with the live cables and also covered by the neutral conductor.

In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung sind die Daten- und/oder Steuerbusse redundant oder diversitär ausgeführt. Daten- und/oder Steuerbusse können hierbei als elektrische oder optische Datenleitungen geführt sein. Zweckmäßigerweise sind die spannungsführenden Phasen der Wechselstromleitung alternativ oder zusätzlich redundant ausgeführt.In a further advantageous embodiment, the data and / or control buses are redundant or diversified. Data and / or control buses can be guided here as electrical or optical data lines. Conveniently, the live phases of the AC line are alternatively or additionally designed to be redundant.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. In each case show schematically:

1 ein Wechselstrom-Versorgungssystem gemäß einer ersten Ausführungsvariante, 1 an AC power supply system according to a first embodiment,

2 ein Wechselstrom-Versorgungssystem gemäß einer zweiten Variante, 2 an AC power supply system according to a second variant,

3 einen Schnitt durch eine erste Wechselstromleitung und 3 a section through a first AC line and

4 einen Schnitt durch eine zweite Wechselstromleitung. 4 a section through a second AC line.

In 1 ist schematisch ein Wechselstrom-Versorgungssystem 1 dargestellt, welches drei Spannungsquellen 3, 5, 8 mit einem jeweils zugeordneten Wandler 9, 11, 14 umfasst, die einer Wechselstromleitung 15 ausgangsseitig aufgeschaltet sind.In 1 is schematically an AC supply system 1 represented, which three voltage sources 3 . 5 . 8th with a respective associated transducer 9 . 11 . 14 includes that of an AC line 15 are switched on the output side.

An der Wechselstromleitung 15 ist eine elektrische Antriebseinheit 16 angeschlossen. Die Antriebseinheit 16 umfasst eine Antriebssteuerung 17 sowie eine elektrische Maschine 18.On the AC line 15 is an electric drive unit 16 connected. The drive unit 16 includes a drive control 17 as well as an electric machine 18 ,

Zur Synchronisation der Wandler 9, 11, 14 bzw. für eine entsprechende Ansteuerung der Wandler 9, 11, 14 ist ein Datenbus 20 vorgesehen, der ebenfalls mit der Antriebssteuerung 17 verbunden ist. Die Antriebssteuerung 17 der Antriebseinheit 16 kann insofern ebenfalls Daten aus dem Datenbus 20 entnehmen.For synchronization of the converter 9 . 11 . 14 or for a corresponding control of the converter 9 . 11 . 14 is a data bus 20 provided, which also with the drive control 17 connected is. The drive control 17 the drive unit 16 can therefore also data from the data bus 20 remove.

Ferner ist eine zentrale Steuereinheit 23 umfasst, die ebenfalls mit dem Datenbus 20 verbunden ist. Diese Steuereinheit 23 übernimmt vorliegend die Synchronisation und Ansteuerung der einzelnen Wandler 9, 11, 14. Zudem ist die zentrale Steuereinheit 23 mit der elektrischen Maschine 18 verbunden und erfasst hierbei anhand einer geeigneten Sensorik oder Auswertung von Strom- oder Spannungsverläufen die Phasenlage des Rotors oder die tatsächliche Umdrehungsgeschwindigkeit. Über die Phasenlage des Rotors erfolgt dann eine synchrone Ansteuerung der Wandler 9, 11, 14 derart, dass über die Wechselstromleitung 15 die benötigten Phasen für die elektrische Maschine 18 unmittelbar zur Verfügung gestellt werden.Furthermore, it is a central control unit 23 which also includes the data bus 20 connected is. This control unit 23 in the present case takes over the synchronization and control of the individual transducers 9 . 11 . 14 , In addition, the central control unit 23 with the electric machine 18 Connected and detected here by means of a suitable sensor or evaluation of current or voltage curves, the phase angle of the rotor or the actual rotational speed. About the phase position of the rotor then takes place a synchronous control of the converter 9 . 11 . 14 such that over the AC line 15 the required phases for the electric machine 18 be made available immediately.

Über einen Steuerbus 22 erhält die zentrale Steuereinheit 23 benötigte Parameter, die Informationen über die gewünschte Ansteuerung der elektrischen Maschine 18 beinhalten. Derartige Parameter können beispielsweise eine Pedalstellung oder eine Sollgeschwindigkeit oder dergleichen sein. Anhand dieser Parameter steuert dann die zentrale Steuereinheit 23 die Wandler 9, 11, 14 synchron, das heißt zueinander phasen- und frequenzfest an.About a tax bus 22 receives the central control unit 23 required parameters, the information about the desired control of the electrical machine 18 include. Such parameters may be, for example, a pedal position or a desired speed or the like. Based on these parameters then controls the central control unit 23 the transducers 9 . 11 . 14 synchronous, that is mutually phase and frequency-proof.

Die Spannungsquellen 3, 5, 8 sind beispielsweise als Generatoren, Akkumulatoren oder Brennstoffzellen ausgeführt. Jede dieser Spannungsquellen 3, 5, 8 ist mit dem jeweiligen Wandler 9, 11, 14 zu einer intelligenten Baueinheit zusammengefügt. Das Versorgungssystem 1 erlaubt somit einen separaten und leichten Austausch der verschiedenen Spannungsquellen 3, 5, 8. Insbesondere können hier auch Spannungsquellen verschiedener Hersteller kombiniert werden.The voltage sources 3 . 5 . 8th For example, they are designed as generators, accumulators or fuel cells. Each of these voltage sources 3 . 5 . 8th is with the respective converter 9 . 11 . 14 assembled into a smart unit. The supply system 1 thus allows a separate and easy replacement of the various voltage sources 3 . 5 . 8th , In particular, voltage sources from different manufacturers can also be combined here.

Die Wandler 9, 11, 14 sind beispielsweise als Wechselrichter mit einem Gleichstromzwischenkreis und Brückenzweigen ausgebildet. In den Brückenzweigen sind dabei Halbleiterschaltelemente zur wechselweisen Schaltung der einzelnen Phasen an den High- oder Low-Pegel des Gleichstromzwischenkreises angeordnet. Die Halbleiterschaltelemente sind insbesondere als IGBT ausgeführt. Der Steuerbus 22 kann im Falle von Kraftfahrzeugen ein CAN-Bus, im Falle von Luftfahrzeugen ein AFDX-Bus sein. Der Datenbus 15 zur Synchronisation ist als ein EtherCAT-Bus oder spezieller schneller Synchronisationsbus ausgeführt.The transducers 9 . 11 . 14 For example, they are designed as inverters with a DC intermediate circuit and bridge branches. Semiconductor switching elements for alternately switching the individual phases to the high or low level of the DC intermediate circuit are arranged in the bridge arms. The semiconductor switching elements are designed in particular as IGBT. The tax bus 22 in the case of motor vehicles can be a CAN bus, in the case of aircraft an AFDX bus. The data bus 15 for synchronization is designed as an EtherCAT bus or special fast synchronization bus.

In 2 ist eine weitere Ausführungsvariante eines Wechselstrom-Versorgungssystems 25 dargestellt. Im Unterschied zum Wechselstrom-Versorgungssystem 1 gemäß 1 sind nun mehrere Antriebseinheiten 16, 26 und 30 vorgesehen. Diesen Antriebseinheiten 16, 26, 30 sind die jeweiligen Antriebssteuerungen 17, 27 bzw. 31 und die elektrischen Maschinen 18, 28 bzw. 32 zugeordnet.In 2 is another embodiment of an AC power supply system 25 shown. In contrast to the AC power supply system 1 according to 1 are now multiple drive units 16 . 26 and 30 intended. These drive units 16 . 26 . 30 are the respective drive controls 17 . 27 respectively. 31 and the electrical machines 18 . 28 respectively. 32 assigned.

Alle Antriebssteuerungen 17, 27, 31 sind mit dem Steuerbus 22 verbunden, über den Steuerparameter zur Ansteuerung der elektrischen Maschinen 18, 28, 32 erhalten werden.All drive controls 17 . 27 . 31 are with the tax bus 22 connected via the control parameter for controlling the electrical machines 18 . 28 . 32 to be obtained.

Im Unterschied zu 1 sind den Antriebseinheiten 16, 26, 30 Eingangswandler 40, 41 bzw. 42 zugeordnet, die aus dem in der Wechselstromleitung zur Verfügung gestellten Wechselstromsignal erst „vor Ort” die geeigneten Phasenspannungen mittels elektrischen Maschinen 18, 28, 32 erzeugen. Dies kann wiederum über einen Gleichspannungszwischenkreis etc. in an sich bekannter Art und Weise geschehen.In contrast to 1 are the drive units 16 . 26 . 30 input transducer 40 . 41 respectively. 42 associated, from the AC signal provided in the AC power line only "on site" the appropriate phase voltages by means of electrical machines 18 . 28 . 32 produce. This can in turn be done via a DC voltage intermediate circuit, etc. in a conventional manner.

Weiter ist eine zentrale Steuereinheit 23 umfasst. Diese zentrale Steuereinheit 23 ist auch mit dem Steuerbus 22 verbunden und ist derart eingerichtet, dass sie die Wandler 9, 11, 14 der Spannungsquellen 3, 5, 8 zu einer frequenzkonstanten Aufaddierung ihrer jeweiligen Spannungen ansteuert. Auf diese Weise wird vorliegend ein mittelfrequentes Spannungssignal in der Wechselstromleitung 15 erzeugt, welches über die Eingangswandler 40, 41, 42 vergleichsweise kostengünstig transformiert werden kann.Next is a central control unit 23 includes. This central control unit 23 is also with the tax bus 22 connected and is set up so that they are the converter 9 . 11 . 14 the voltage sources 3 . 5 . 8th to a frequency constant accumulation of their respective voltages drives. In this way, in the present case, a medium-frequency voltage signal in the AC line 15 generated, which via the input transducer 40 . 41 . 42 can be transformed comparatively inexpensive.

In beiden Versorgungssystemen 1, 25 ist die zentrale Steuereinheit 23 dazu ausgebildet, im Fehlerfall die Wandler 9, 11, 14 derart anzusteuern, dass die Wechselstromleitung 15 spannungsfrei geschaltet ist. Hierzu werden die entsprechenden Schaltelemente in den Brückenzweigen durch ein entsprechendes Steuersignal geöffnet, so dass alle Phasen vom Gleichspannungszwischenkreis entkoppelt sind.In both supply systems 1 . 25 is the central control unit 23 adapted to, in case of failure, the converter 9 . 11 . 14 such that the AC line 15 is switched off. For this purpose, the corresponding switching elements in the bridge branches are opened by a corresponding control signal, so that all phases are decoupled from the DC voltage intermediate circuit.

Die Wechselstromleitung 15 gemäß dem Versorgungssystemen 1 und 25 ist gemäß einem HF-Design ausgestaltet. Wie aus 3 ersichtlich wird, umfasst die Wechselstromleitung 15 hierbei drei, jeweils isolierte spannungsführende Leitungen 33, die von einem Neutralleiter 34 ummantelt sind. Die Wechselstromleitung 15 ist als Drehstrom-Leitung ausgebildet. Ebenfalls innerhalb der Ummantelung durch den Neutralleiter 34 sind Daten- und Steuerbus 20 bzw. 22 mit einer elektrischen Hin- und Rückleitung redundant ausgeführt. Optional oder alternativ sind Daten- und Steuerbus 20 bzw. 22 als ein innenliegender Lichtleiterstrang 35 ausgebildet. Die spannungsführenden Leitungen 33 sind möglichst eng aneinander liegend und gewendelt ausgeführt. Die Ummantelung des Neutralleiters 34 kann massiv, als ein Geflecht oder als Geflecht mit Folieneinlage ausgeführt sein. Trotz harter Schaltung der Schaltelemente in den Wandlern 9, 11, 14 wird durch die Ummantelung 34 sichergestellt, dass die Wechselstromleitung 15 insgesamt EMV-verträglich ausgestaltet ist.The AC power line 15 according to the supply systems 1 and 25 is designed according to an HF design. How out 3 can be seen includes the AC line 15 here three, each isolated live cables 33 coming from a neutral conductor 34 are sheathed. The AC power line 15 is designed as a three-phase line. Also inside the sheathing through the neutral conductor 34 are data and tax buses 20 respectively. 22 executed redundant with an electrical return line. Optional or alternative are data and control buses 20 respectively. 22 as an internal fiber optic strand 35 educated. The live cables 33 are as close to each other as possible lying and coiled. The sheathing of the neutral conductor 34 can be solid, designed as a braid or braided with foil insert. Despite hard switching of the switching elements in the transducers 9 . 11 . 14 gets through the sheath 34 Ensured that the AC line 15 overall EMC is designed to be compatible.

Die Wechselstromleitung 15 gemäß 4 umfasst eine redundante Ausgestaltung der spannungsführenden Leitungen 33. Auch diese Leitungen 33 sind möglichst eng aneinander liegend und gewendelt geführt.The AC power line 15 according to 4 includes a redundant configuration of the live cables 33 , Also these lines 33 are as close as possible lying and coiled led.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Versorgungssystemsupply system
33: Spannungsquellevoltage source
55: Spannungsquellevoltage source
88th: Spannungsquellevoltage source
99: Wandlerconverter
1111: Wandlerconverter
1414: Wandlerconverter
1515: WechselstromleitungAC line
1616: Antriebseinheitdrive unit
1717: Antriebssteuerungdrive control
1818: Maschinemachine
2020: Datenbusbus
2222: Steuerbuscontrol bus
2323: zentrale Steuereinheitcentral control unit
2525: Versorgungssystemsupply system
2626: Antriebseinheitdrive unit
2727: Antriebssteuerungdrive control
2828: Maschinemachine
3030: Antriebseinheitdrive unit
3131: Antriebssteuerungdrive control
3232: Maschinemachine
3333: Spannungsführende LeitungLive lead
3434: Neutralleiterneutral
3535: LichtleiterstrangOptical fiber strand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

ARINC standard 664 [0010]
IEEE1588 protocol [0010]

Claims

Electrical supply system ( 1 . 25 ) with a number of electrical power sources ( 3 . 5 . 8th ), with a number of the voltage sources ( 3 . 5 . 8th ) each associated controllable transducers ( 9 . 11 . 14 ), with an AC line ( 15 ) and with an electric drive unit ( 16 . 26 . 30 ) comprising a drive control ( 17 . 27 . 31 ) and an electric machine ( 18 . 28 . 32 ), the or each voltage source ( 3 . 5 . 8th ) via the respective associated transducer ( 9 . 11 . 14 ) to the AC line ( 15 ), and wherein the electric machine ( 18 . 28 . 32 ) for power supply with the AC line ( 15 ) and a data bus ( 20 ) connected to the or each transducer ( 9 . 11 . 14 ) and with the drive control ( 17 . 27 . 31 ) and which is used to drive the or each converter ( 9 . 11 . 14 ) is trained.

Electrical supply system ( 1 ) according to claim 1, wherein the electric machine ( 18 . 28 . 32 ) on the input side directly to the AC line ( 15 ) connected.

Electrical supply system ( 25 ) according to claim 1, wherein a plurality of drive units ( 16 . 26 . 30 ) are provided and wherein each electric machine ( 18 . 28 . 32 ) via one with the drive control ( 17 . 27 . 31 ) connected input transducer ( 40 . 41 . 42 ) to the AC line ( 15 ) connected.

Electrical supply system ( 1 . 25 ) according to one of the preceding claims, wherein a plurality of voltage sources ( 3 . 5 . 8th ) with several respectively assigned transducers ( 9 . 11 . 14 ), and one with the data bus ( 20 ) central control unit ( 23 ) arranged to connect the plurality of transducers ( 9 . 11 . 14 ) in phase and frequency to a fixed superposition of their respective voltages in the AC line ( 15 ) head for.

Electrical supply system ( 1 ) according to claims 2 and 4, wherein the central control unit ( 23 ) to a frequency-variable control of the converter ( 9 . 11 . 14 ) is set up.

Electrical supply system ( 25 ) according to claim 3 and 4, wherein the central control unit ( 23 ) to a frequency-constant control of the converter ( 9 . 11 . 14 ) is set up.

Electrical supply system ( 1 . 25 ) according to any one of the preceding claims, wherein a control bus ( 22 ) provided with the or each drive control ( 17 . 27 . 31 ) and / or with the central control unit ( 23 ) and is adapted to provide operational parameters for the drive unit ( 16 . 26 . 30 ) pretend.

Electrical supply system ( 1 . 25 ) according to one of the preceding claims, wherein the transducers ( 9 . 11 . 14 ) and / or the drive converter ( 40 . 41 . 42 ) are set up to generate an AC output signal by means of pulse width modulation, for which purpose controllable semiconductor switching elements, in particular FET or IGBT, are used.

Electrical supply system ( 1 . 25 ) according to one of the preceding claims, wherein the or each drive control ( 17 . 27 . 31 ) and / or the central control unit ( 23 ) is set up in the event of an error via the data bus ( 20 ) the or each transducer ( 9 . 11 . 14 ) on the output side to de-energize.

Electrical supply system ( 1 . 25 ) according to one of the preceding claims, wherein the AC line ( 15 ) has an RF design.

Electrical supply system ( 1 . 25 ) according to one of the preceding claims, wherein the AC line ( 15 ) at least two live cables ( 33 ) and a neutral conductor ( 34 ), and wherein the neutral conductor ( 34 ) the live cables ( 33 ) sheathed.

Electrical supply system ( 1 . 25 ) according to claim 11, wherein the line geometry is executed helical.

Electrical supply system ( 1 . 25 ) according to one of the preceding claims, wherein the data bus ( 20 ) is formed as an EtherCAT, AFDX or LXI bus.

Electrical supply system ( 1 . 25 ) according to claim 11 or 12, wherein the data bus ( 20 ) with the live cables ( 33 ) and from the neutral conductor ( 34 ) is sheathed.

Electrical supply system ( 1 . 25 ) according to one of claims 7 to 13, wherein the control bus ( 22 ) is a CAN, LIN, LXI, RS232, RS485, ARINC429, AFDX bus.

Electrical supply system ( 1 . 25 ) according to one of the preceding claims, wherein the control and / or data bus ( 22 respectively. 20 ) is redundant or diversified.

Electrical supply system ( 1 . 25 ) according to any one of the preceding claims, wherein the live cables ( 33 ) of the AC line ( 15 ) are redundant.