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DE102014211853A1 - Voltage converter and method for converting an electrical voltage - Google Patents

Voltage converter and method for converting an electrical voltage Download PDF

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DE102014211853A1
DE102014211853A1 DE102014211853.0A DE102014211853A DE102014211853A1 DE 102014211853 A1 DE102014211853 A1 DE 102014211853A1 DE 102014211853 A DE102014211853 A DE 102014211853A DE 102014211853 A1 DE102014211853 A1 DE 102014211853A1
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Inventor
Hans Geyer
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft einen bidirektionalen Spannungskonverter. Der Spannungskonverter umfasst mindestens vier Betriebsmodi zur Konvertierung einer Gleichspannung in eine Spannung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine bzw. zur Konvertierung einer Generatorspannung in eine Gleichspannung. Die jeweilige konvertierte Spannung wird dabei geglättet und mit deutlich verringertem Störanteil bereitgestellt als bei konventionellen Stromstellern. Der Schaltungsaufbau ermöglicht insbesondere einen Betrieb mit hohen Schaltfrequenzen. Somit kann die Schaltfrequenz auf einem Bereich jenseits des menschlichen Hörbereiches verlagert werden. Darüber hinaus ermöglichen hohe Schaltfrequenzen auch eine Reduktion des Gewichts und des erforderlichen Bauraums für den Spannungskonverter.The present invention provides a bidirectional voltage converter. The voltage converter comprises at least four operating modes for converting a DC voltage into a voltage for controlling an electrical machine or for converting a generator voltage into a DC voltage. The respective converted voltage is smoothed and provided with a significantly reduced noise component than with conventional current regulators. The circuit construction in particular allows operation with high switching frequencies. Thus, the switching frequency can be shifted to an area beyond the human hearing range. In addition, high switching frequencies also allow a reduction in weight and the required installation space for the voltage converter.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungskonverter und ein Verfahren zum Konvertieren einer elektrischen Spannung.The present invention relates to a voltage converter and a method for converting an electrical voltage.

Elektrische Antriebssysteme, wie sie zum Beispiel in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen verwendet werden, können beispielsweise von einer Gleichspannungsquelle, wie einer Hochleistungs-Traktionsbatterie gespeist werden. Die von dieser Batterie bereitgestellte Gleichspannung muss dabei mittels eines Spannungskonverters (Inverter) in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung konvertiert werden, um an der elektrischen Maschine das gewünschte Drehmoment erzeugen zu können. Aktuelle Inverter für elektrische Antriebssysteme verwenden hierbei das Prinzip der Pulsbreitenmodulation (PWM) über Thyristor-, IGBT- oder MOSFET-Leistungs-Halbbrücken mit einer entsprechenden Anzahl von zu realisierenden Phasen. Durch Modulation des Tastverhältnisses der zu den Phasen zugeordneten Halbbrücken wird im Zusammenspiel mit den Motorinduktivitäten ein Stromwert durch die Maschinenwicklungen erzeugt, der im Maschinenrotor ein entsprechendes Moment hervorruft. Durch eine geeignete Ansteuerung der Halbbrücken können somit Ansteuermuster mit Drehfeldcharakter mit variablen Grundfrequenzen, Phasenbeziehungen und Modulationsgraden erzeugt werden. Aufgrund der Einbeziehung der Motorinduktivität erreicht man damit eine Anordnung mit geringer Anzahl von Bauelementen bei hohem Wirkungsgrad. Electric propulsion systems, such as used in electrically powered vehicles, may be powered by, for example, a DC power source, such as a high power traction battery. The DC voltage provided by this battery must be converted by means of a voltage converter (inverter) into a single-phase or multi-phase AC voltage in order to be able to generate the desired torque on the electric machine. Current inverters for electric drive systems in this case use the principle of pulse width modulation (PWM) via thyristor, IGBT or MOSFET power half-bridges with a corresponding number of phases to be realized. By modulating the duty cycle of the half-bridges assigned to the phases, a current value is generated by the machine windings in interaction with the motor inductances, which causes a corresponding moment in the machine rotor. By a suitable control of the half bridges thus driving pattern can be generated with rotating field character with variable fundamental frequencies, phase relationships and modulation degrees. Due to the inclusion of the motor inductance is achieved so that an arrangement with a low number of components with high efficiency.

Bei derartigen Schaltungstopologien wird von dem Inverter ein pulsbreitenmoduliertes Signal zu der elektrischen Maschine geführt. Zur Vermeidung elektromagnetischer Störungen müssen die dabei empfangenen Kabelverbindungen ausreichend abgeschirmt werden. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften und der Verlustleistungsgrenze der verwendeten Schaltelemente in den aktuellen Invertern sind die PWM-Schaltfrequenzen typischerweise auf niedere Frequenzen im Hörbereich des Menschen (bis zu 20 kHz) begrenzt.In such circuit topologies, a pulse width modulated signal is fed to the electric machine by the inverter. To avoid electromagnetic interference, the cable connections received must be sufficiently shielded. Due to the physical characteristics and power dissipation limit of the switching elements used in the current inverters, the PWM switching frequencies are typically limited to low frequencies in the human listening range (up to 20 kHz).

Die Deutsche Patentanmeldung DE 10 2013 201 538 A1 offenbart ein Wechselrichtersystem zur Reduzierung von unerwünschten Nebengeräuschen, die aufgrund einer PWM-Ansteuerung in einem Elektrofahrzeug entstehen. Hierzu wird der Elektromotor mit einem optimierten, pseudozufälligen Periodenraster angesteuert.The German patent application DE 10 2013 201 538 A1 discloses an inverter system for reducing unwanted noise generated due to PWM drive in an electric vehicle. For this purpose, the electric motor is controlled with an optimized, pseudorandom periodic grid.

Das Spannungsangebot eines konventionellen Inverters ist dabei in der Regel zunächst auf die momentane Batterie- oder Quellenspannung begrenzt. Sind höhere Spannungen, beispielsweise zur Erweiterung des Drehzahlbereichs erforderlich, so muss die Gleichspannung über eine Hochsetzsteller-Schaltung angepasst werden.The voltage supply of a conventional inverter is usually initially limited to the current battery or source voltage. If higher voltages are required, for example, to expand the speed range, then the DC voltage must be adjusted via a step-up converter circuit.

Es besteht ein Bedarf nach einer effizienten und kostengünstigen Spannungskonvertierung, die dazu geeignet ist, eine elektrische Maschine anzusteuern.There is a need for an efficient and inexpensive voltage conversion suitable for driving an electrical machine.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Hierzu schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt einen Spannungskonverter mit einem Gleichspannungsanschluss, der ein erstes Anschlusselement und ein zweites Anschlusselement umfasst; einem Maschinenanschluss, der ein drittes Anschlusselement und ein viertes Anschlusselement umfasst; einer Konvertierungsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement in eine Phasenspannung für eine elektrische Maschine zu konvertieren und die konvertierte Phasenspannung zwischen dem dritten Anschlusselement und dem vierten Anschlusselement bereitzustellen, und die ferner dazu auslegt ist, eine von der elektrischen Maschine zwischen dem dritten Anschlusselement und dem vierten Anschlusselement bereitgestellte Phasenspannung in eine vorbestimmte Gleichspannung zu konvertieren und die konvertierte Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement bereitzustellen; wobei die Konvertierungsvorrichtung in einem ersten Betriebsmodus die Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement in eine Phasenspannung konvertiert, deren Maximalwert größer ist als die Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement, in einem zweiten Betriebsmodus die Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement in eine Phasenspannung konvertiert, deren Maximalwert kleiner ist als die Gleichspannung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement, in einem dritten Betriebsmodus die Phasenspannung zwischen dem dritten Anschlusselement und dem vierten Anschlusselement in die vorbestimmte Gleichspannung konvertiert, wobei der Maximalwert der Phasenspannung kleiner ist als die vorbestimmte Gleichspannung, und in einem vierten Betriebsmodus die Phasenspannung zwischen dem dritten Anschlusselement und dem vierten Anschlusselement in die vorbestimmte Gleichspannung konvertiert, wobei der Maximalwert der Phasenspannung größer ist als die vorbestimmte Gleichspannung.To this end, according to one aspect, the present invention provides a voltage converter with a DC voltage connection comprising a first connection element and a second connection element; a machine terminal comprising a third terminal and a fourth terminal; a conversion device configured to convert a DC voltage between the first terminal and the second terminal to a phase voltage for an electric machine and to provide the converted phase voltage between the third terminal and the fourth terminal and further configured to be one of convert the phase voltage provided between the third terminal and the fourth terminal into a predetermined DC voltage and provide the converted DC voltage between the first terminal and the second terminal; wherein in a first mode of operation, the conversion device converts the DC voltage between the first terminal and the second terminal into a phase voltage whose maximum value is greater than the DC voltage between the first terminal and the second terminal, in a second operating mode, the DC voltage between the first terminal and second terminal is converted into a phase voltage whose maximum value is smaller than the DC voltage between the first terminal and the second terminal, in a third operating mode, the phase voltage between the third terminal and the fourth terminal converted into the predetermined DC voltage, wherein the maximum value of the phase voltage is smaller as the predetermined DC voltage, and in a fourth mode of operation, the phase voltage between the third terminal and the fourth terminal in the predetermined DC voltage is converted, wherein the maximum value of the phase voltage is greater than the predetermined DC voltage.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Konvertieren einer elektrischen Spannung mit den Schritten des Bereitstellens eines erfindungsgemäßen Spannungskonverters; des Auswählens eines Betriebsmodus; und des Ansteuerns des Spannungskonverters in Abhängigkeit von dem ausgewählten Betriebsmodus.According to another aspect, the present invention provides a method of converting an electrical voltage with the steps of providing a voltage converter according to the invention; of selecting one Operation mode; and driving the voltage converter in dependence on the selected operating mode.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, einen Spannungskonverter zwischen einer Gleichspannungsquelle und einer elektrischen Maschine derart auszuführen, dass eine bidirektionale Spannungskonvertierung zwischen beiden Seiten erfolgen kann. Gleichzeitig stellt der erfindungsgemäße Spannungskonverter sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung jeweils Hoch- bzw. Tiefsetzfunktionalitäten bereit. Auf diese Weise wird ein kompakter und sehr effizienter Spannungskonverter für einen sehr breiten Einsatzbereich bereitgestellt.It is an idea of the present invention to design a voltage converter between a DC voltage source and an electric machine such that a bidirectional voltage conversion can take place between both sides. At the same time, the voltage converter according to the invention provides step-up and step-down functionalities in both forward and reverse directions. This provides a compact and highly efficient voltage converter for a very wide range of applications.

Durch die Integration von Hoch- und Tiefsetzstellerfunktionalitäten zur Erweiterung des Spannungsniveaus der Quellspannung kann der Spannungskonverter in einem sehr breiten Anwendungsfeld eingesetzt werden. Auf diese Weise sind Ausgangsspannungen über den gesamten Betriebsspannungsbereich bis hin zu einer minimalen Spannung von 0 Volt möglich. Dies ermöglicht den Betrieb einer elektrischen Maschine in einem sehr weiten Drehzahlbereich aufgrund der hohen Variabilität der Ausgangsspannung des Spannungskonverters unabhängig von der Quellenspannung der Gleichspannungsquelle.By integrating boost and buck converter functionality to expand the voltage level of the source voltage, the voltage converter can be used in a very wide range of applications. In this way, output voltages over the entire operating voltage range up to a minimum voltage of 0 volts are possible. This allows the operation of an electric machine in a very wide speed range due to the high variability of the output voltage of the voltage converter, regardless of the source voltage of the DC voltage source.

Die bidirektionale Spannungskonvertierung in Kombination mit dem Hoch- bzw. Tiefsetzen des Spannungsniveaus erlaubt es auch, die kinetische Energie während eines Abbremsvorgangs mittels einer generatorisch wirkenden elektrischen Maschine in eine Gleichspannungsbatterie zurückzuspeisen. Dabei kann insbesondere aufgrund der integrierten Hochsetzstellerfunktionalität auch bei geringen Ausgangsspannungen der generatorisch wirkenden elektrischen Maschine noch eine Rückspeisung der Energie in die Batterie erfolgen. Somit kann während Bremsvorgängen eine besonders effiziente Rückgewinnung der kinetischen Energie erfolgen.The bidirectional voltage conversion in combination with the stepping up or down of the voltage level also allows the kinetic energy to be fed back into a DC battery during a deceleration process by means of a regenerative electric machine. In this case, in particular due to the integrated boost converter functionality, even with low output voltages of the regenerative electric machine, there is still a return of the energy into the battery. Thus, during braking, a particularly efficient recovery of kinetic energy can take place.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Konvertierungsvorrichtung ein erstes Schaltelement, das zwischen dem ersten Anschlusspunkt und einem ersten Knotenpunkt angeordnet ist und ein zweites Schaltelement, das zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Anschlusselement angeordnet ist. Die Konvertierungsvorrichtung umfasst ferner ein drittes Schaltelement, das zwischen dem dritten Anschlusselement und einem zweiten Knotenpunkt angeordnet ist und ein viertes Schaltelement, das zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem vierten Anschlusselement angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Konvertierungsvorrichtung eine Induktivität, die zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Knotenpunkt angeordnet ist. Durch die Integration einer Induktivität in der Konvertierungsvorrichtung ist es nicht weiter erforderlich, die Motorinduktivität für die Spannungskonvertierung mit einzubeziehen. Somit kann die Spannungskonvertierung vollständig innerhalb der Konvertierungsvorrichtung erfolgen. Daher liegt am Maschinenanschluss des Spannungskonverters ein störungsfreies, oder zumindest deutlich störungsärmeres Ausgangssignal an. Eine Abschirmung der elektrischen Verbindung zwischen Maschinenanschluss des Spannungskonverters und elektrischer Maschine ist daher in der Regel nicht erforderlich. Am Maschinenanschluss des Spannungskonverters liegt vielmehr eine bereits geglättete Ausgangsspannung mit der Maschinen-Grundfrequenz bereit. According to one embodiment, the conversion device comprises a first switching element, which is arranged between the first connection point and a first node, and a second switching element, which is arranged between the first node point and the second connection element. The conversion device further includes a third switching element disposed between the third terminal and a second node and a fourth switching element disposed between the second node and the fourth terminal. Furthermore, the conversion device comprises an inductance, which is arranged between the first node and the second node. By integrating an inductance in the conversion device, it is not necessary to include the motor inductance for the voltage conversion. Thus, the voltage conversion can be done entirely within the conversion device. Therefore, at the machine connection of the voltage converter is a trouble-free, or at least significantly less interference output signal. A shielding of the electrical connection between the machine connection of the voltage converter and electrical machine is therefore generally not required. Instead, an already smoothed output voltage with the machine fundamental frequency is available at the machine connection of the voltage converter.

Vorzugsweise wird die Konvertierungsvorrichtung mit einer Schaltfrequenz von mindestens 20 kHz betrieben. Derartige Schaltfrequenzen liegen oberhalb des menschlichen Hörbereichs. Somit kann die akustische Beeinträchtigung durch hörbare Schwingungen vermieden oder sie wird zumindest signifikant herabgesetzt werden. Weiterhin erlauben derart hohe Schaltfrequenzen eine Miniaturisierung des Schaltungsaufbaus. Insbesondere die verwendeten Induktivitäten können bei höheren Schaltfrequenzen kleiner ausgeführt werden.Preferably, the conversion device is operated at a switching frequency of at least 20 kHz. Such switching frequencies are above the human audible range. Thus, the acoustic interference by audible vibrations can be avoided or at least significantly reduced. Furthermore, such high switching frequencies allow miniaturization of the circuitry. In particular, the inductances used can be made smaller at higher switching frequencies.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Spannungskonverter ferner eine Steuervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, das erste, das zweite, das dritte und das vierte Schaltelement in Abhängigkeit von einem ausgewählten Betriebsmodus anzusteuern. Dies ermöglicht die flexible Ansteuerung des Spannungskonverters in allen Betriebsmodi.According to one embodiment, the voltage converter further comprises a control device configured to drive the first, the second, the third and the fourth switching element in dependence on a selected operating mode. This allows flexible control of the voltage converter in all operating modes.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Konvertierungsvorrichtung ferner dazu ausgelegt, in einem fünften Betriebsmodus das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement zu schließen. Hierdurch werden das dritte Anschlusselement und das vierte Anschlusselement am Maschinenanschluss elektrisch miteinander verbunden. Somit kann eine angeschlossene elektrische Maschine in diesem Betriebsmodus in einen aktiven Kurzschluss geschaltet werden. Der Spannungskonverter kann darüber hinaus auch in einem weiteren Betriebsmodus das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement öffnen, um eine angeschlossene elektrische Maschine in den Betriebsmodus des Freilaufs zu schalten.According to another embodiment, the conversion device is further configured to close the third switching element and the fourth switching element in a fifth operating mode. As a result, the third connection element and the fourth connection element are electrically connected to one another at the machine connection. Thus, a connected electric machine can be switched into an active short circuit in this operating mode. The voltage converter can also open in a further operating mode, the third switching element and the fourth switching element, in order to switch a connected electric machine in the operating mode of the freewheel.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zwischen dem dritten Anschlusselement und dem vierten Anschlusselement bereitgestellte Phasenspannung eine Wechselspannung, insbesondere eine sinusförmige Spannung zwischen dem Potential des dritten Anschlusselements und einem, aus den Betriebsmodus und einem vorbestimmten PWM-Verhältnis resultierenden Maximalpotential des vierten Anschlusselements.According to a further embodiment, the phase voltage provided between the third connection element and the fourth connection element is an alternating voltage, in particular a sinusoidal voltage between the potential of the third connection element and one, from the operating mode and a predetermined PWM. Ratio resulting maximum potential of the fourth connection element.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ermittelt das erfindungsgemäße Verfahren an dem Gleichspannungsanschluss des Spannungskonverters eine Gleichspannung und/oder an dem Motoranschluss des Spannungskonverters eine Phasenspannung. Der Schritt zum Auswählen des Betriebsmodus wählt daraufhin den Betriebsmodus unter Verwendung der ermittelten Gleichspannung und/oder der ermittelten Phasenspannung aus.According to a further embodiment, the method according to the invention determines a DC voltage at the DC voltage connection of the voltage converter and / or a phase voltage at the motor connection of the voltage converter. The step of selecting the operation mode then selects the operation mode using the detected DC voltage and / or the detected phase voltage.

Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem mit einem erfindungsgemäßen Spannungskonverter. Das elektrische Antriebssystem kann ferner eine elektrische Maschine mit einem Phasenanschluss umfassen, wobei der Phasenanschluss mit dem Maschinenanschluss des Spannungskonverters elektrisch gekoppelt ist. Ferner kann das elektrische Antriebssystem einen elektrischen Energiespeicher umfassen, der mit dem Gleichspannungsanschluss des Spannungskonverters elektrisch gekoppelt ist. According to a further aspect, the present invention comprises an electric drive system with a voltage converter according to the invention. The electric drive system may further comprise an electrical machine having a phase connection, the phase connection being electrically coupled to the machine terminal of the voltage converter. Further, the electric drive system may include an electrical energy storage, which is electrically coupled to the DC voltage terminal of the voltage converter.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Maschine eine mehrphasige elektrische Maschine, insbesondere eine mindestens zweiphasige Maschine. Das elektrische Antriebssystem umfasst in diesem Fall für jede Phase der elektrischen Maschine mindestens einen Spannungskonverter. According to a further embodiment, the electric machine is a multi-phase electric machine, in particular an at least two-phase machine. In this case, the electric drive system comprises at least one voltage converter for each phase of the electric machine.

Gemäß einer Ausführungsform kann das elektrische Antriebssystem für jede Phase einer elektrischen Maschine eine Mehrzahl von parallelgeschalteten Spannungskonvertern umfassen.According to one embodiment, the electrical drive system may comprise a plurality of voltage converters connected in parallel for each phase of an electrical machine.

Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug, Flugzeug oder Schiff mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem.According to a further aspect, the present invention comprises a motor vehicle, aircraft or ship with an electric drive system according to the invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen:Further embodiments and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings. Showing:

1: eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung eines Spannungskonverters gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 : a schematic representation of a circuit arrangement of a voltage converter according to an embodiment;

2: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Spannungskonverter gemäß einem Ausführungsbeispiel; 2 a schematic representation of an electric drive system with a voltage converter according to an embodiment;

3: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Spannungskonverter gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; 3 a schematic representation of an electric drive system with a voltage converter according to another embodiment;

4: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Spannungskonverter gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel; 4 a schematic representation of an electric drive system with a voltage converter according to yet another embodiment;

5: eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Antriebssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel; und 5 a schematic representation of a motor vehicle with an electric drive system according to an embodiment; and

6: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Konvertieren einer elektrischen Spannung, wie es einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt. 6 : A schematic representation of a method for converting an electrical voltage, as it is based on an embodiment.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für einen Spannungskonverter 1, wie er einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt. Der Spannungskonverter 1 umfasst einen Gleichspannungsanschluss 11, einen Maschinenanschluss 12, eine Konvertierungsvorrichtung 13 und eine Steuervorrichtung 14. Der Gleichspannungsanschluss 11 kann mit einer Gleichspannungsquelle 2, beispielsweise einer Batterie, verbunden sein. Dabei ist ein erstes Anschlusselement A1 mit einem Pol der Gleichspannungsquelle 2 verbunden und ein zweiter Anschlusspunkt A2 mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Ferner verfügt der Spannungskonverter 1 über einen Maschinenanschluss 12 mit einem dritten Anschlusselement A3 und einem vierten Anschlusselement A4. In dem hier dargestellten einphasigen Ausführungsbeispiel können die beiden Anschlusselemente A3 und A4 des Maschinenanschlusses 12 mit den Phasenanschlüssen einer elektrischen Maschine 3 verbunden werden. Der Spannungskonverter 1 umfasst ferner eine Konvertierungsvorrichtung 13 mit den vier Schaltelementen S1 bis S4, sowie einer Induktivität L. Bei den Schaltelementen S1 bis S4 kann es sich beispielsweise um Halbleiterschalter T1 bis T4 handeln, denen vorzugsweise eine Freilaufdiode D1 bis D4 parallelgeschaltet ist. Als Halbleiterschalter sind beispielsweise Thyristoren, bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate (IGBT) oder MOSFET möglich. Für hohe Schaltfrequenzen sind dabei insbesondere Siliziumkarbit-Schalter (SiC) oder Super-Junction-MOSFET besonders geeignet, in denen sich auch Schaltfrequenzen von 20 kHz und mehr bei nur sehr geringen Schaltverlusten realisieren lassen. 1 shows a schematic representation of a circuit arrangement for a voltage converter 1 as it is based on an embodiment. The voltage converter 1 includes a DC voltage connection 11 , a machine connection 12 , a conversion device 13 and a control device 14 , The DC voltage connection 11 can with a DC voltage source 2 , For example, a battery connected. In this case, a first connection element A1 with a pole of the DC voltage source 2 connected and a second connection point A2 connected to the other pole of the DC voltage source. Furthermore, the voltage converter has 1 via a machine connection 12 with a third connection element A3 and a fourth connection element A4. In the single-phase embodiment shown here, the two connection elements A3 and A4 of the machine connection 12 with the phase connections of an electrical machine 3 get connected. The voltage converter 1 further comprises a conversion device 13 The switching elements S1 to S4 may be, for example, semiconductor switches T1 to T4, to which preferably a free-wheeling diode D1 to D4 is connected in parallel. As a semiconductor switch, for example, thyristors, bipolar transistors with an insulated gate (IGBT) or MOSFET are possible. In particular silicon carbide switches (SiC) or super junction MOSFETs are particularly suitable for high switching frequencies, in which switching frequencies of 20 kHz and more can be realized with only very low switching losses.

Das erste Schaltelement S1 ist dabei zwischen dem ersten Anschlusselement A1 des Gleichspannungsanschlusses 11 und einem ersten Knotenpunkt K1 angeordnet. Das zweite Schaltelement S2 ist zwischen diesem ersten Knotenpunkt K1 und dem zweiten Anschlusselement A1 des Gleichspannungsanschlusses 11 angeordnet. Weiterhin ist das dritte Schaltelement S3 zwischen dem dritten Anschlusselement A3 des Maschinenanschlusses 12 und einem zweiten Knotenpunkt K2 angeordnet. Das vierte Schaltelement S4 ist zwischen dem zweiten Knotenpunkt K2 und dem vierten Anschlusselement A4 des Maschinenanschlusses 12 angeordnet. Zwischen dem ersten Knotenpunkt K1 und dem zweiten Knotenpunkt K2 ist eine Induktivität L angeordnet. Der zweite Anschlusspunkt A2 des Gleichspannungsanschlusses 11 und das vierte Anschlusselement A4 des Maschinenanschlusses 12 können ebenfalls elektrisch miteinander verbunden werden und liegen vorzugsweise auf dem Bezugspotential des Spannungskonverters 1. The first switching element S1 is in this case between the first connection element A1 of the DC voltage connection 11 and a first node K1 arranged. The second switching element S2 is between this first node K1 and the second connection element A1 of DC connection 11 arranged. Furthermore, the third switching element S3 between the third connection element A3 of the machine connection 12 and a second node K2. The fourth switching element S4 is between the second node K2 and the fourth connection element A4 of the machine connection 12 arranged. Between the first node K1 and the second node K2, an inductance L is arranged. The second connection point A2 of the DC voltage connection 11 and the fourth connection element A4 of the machine connection 12 can also be electrically connected to each other and are preferably at the reference potential of the voltage converter 1 ,

Zur Ansteuerung der Schaltelemente S1 bis S4 können die Steueranschlüsse dieser Schaltelemente S1 bis S4 mit einer Steuervorrichtung 14 verbunden werden. Die Steuervorrichtung 14 kann dabei dazu ausgelegt werden, Steuersignale und/oder Sollwerte für den Betrieb der elektrischen Maschine 3 zu empfangen. Basierend auf diesen Steuersignalen und/oder Sollwerten gibt die Steuervorrichtung 14 Schaltsignale an die Schaltelemente S1 bis S4 aus, um die entsprechenden Schaltelemente S1 bis S4 zu öffnen bzw. zu schließen. Die Steuersignale bzw. Sollwerte können dabei über analoge oder digitale Signale an der Steuervorrichtung 14 bereitgestellt werden. Beispielsweise können die entsprechenden Steuersignale oder Sollwerte über ein Bussystem übertragen und von der Steuervorrichtung 14 empfangen werden. For controlling the switching elements S1 to S4, the control terminals of these switching elements S1 to S4 with a control device 14 get connected. The control device 14 can be designed to control signals and / or setpoints for the operation of the electrical machine 3 to recieve. Based on these control signals and / or set values, the control device outputs 14 Switching signals to the switching elements S1 to S4 from to open or close the corresponding switching elements S1 to S4. The control signals or setpoints can be via analog or digital signals to the control device 14 to be provided. For example, the corresponding control signals or setpoint values can be transmitted via a bus system and by the control device 14 be received.

Ferner kann die Steuervorrichtung 14 auch Messwerte über die Spannung am Gleichspannungsanschluss 11 und/oder am Maschinenanschluss 12 empfangen. Beispielsweise können hierzu Spannungssensoren 15, 16 am Gleichspannungsanschluss 11 und/oder am Maschinenanschluss 12 angeordnet werden, die die entsprechenden Spannungen ermitteln und die Messwerte der ermittelten Spannungen an die Steuervorrichtung 14 übertragen. Alternativ können auch bereits vorhandene Sensoren ihre Messwerte an die Steuervorrichtung 14 übertragen, um Informationen über die Spannung am Gleichspannungsanschluss 11 und/oder am Maschinenanschluss 12 der Steuervorrichtung 14 bereitzustellen.Furthermore, the control device 14 also measurements of the voltage at the DC voltage connection 11 and / or at the machine connection 12 receive. For example, this voltage sensors 15 . 16 at the DC voltage connection 11 and / or at the machine connection 12 are arranged, which determine the corresponding voltages and the measured values of the determined voltages to the control device 14 transfer. Alternatively, existing sensors can also transmit their measured values to the control device 14 transmit information about the voltage at the DC voltage port 11 and / or at the machine connection 12 the control device 14 provide.

Je nach Ansteuerung der Schaltelemente S1 bis S4 in der Konvertierungsvorrichtung 13 des Spannungskonverters 1 können somit verschiedene Betriebsmodi realisiert werden. In einem ersten Betriebsmodus arbeitet der Spannungskonverter 1 dabei als kombinierter Hochsetzsteller-Wechselrichter. Die am Gleichspannungsanschluss 11 anliegende Gleichspannung wird dabei angehoben und gleichzeitig in eine Spannung konvertiert, die dazu geeignet ist eine elektrische Maschine am Maschienenanschluss 12 anzusteuern. Im Hochsetzstellerbetrieb ist dabei der Maximalwert, also die Amplitude der Spannung am Maschinenanschluss 12 größer als die Gleichspannung, die am Gleichspannungsanschluss 11 anliegt.Depending on the control of the switching elements S1 to S4 in the conversion device 13 of the voltage converter 1 Thus, different operating modes can be realized. In a first operating mode, the voltage converter operates 1 as a combined boost converter inverter. The at the DC voltage connection 11 applied DC voltage is thereby raised and simultaneously converted into a voltage which is suitable for an electrical machine on the machine connection 12 head for. In boost converter mode, this is the maximum value, that is to say the amplitude of the voltage at the machine connection 12 greater than the DC voltage at the DC voltage port 11 is applied.

Hierzu wird das erste Schaltelement S1 durch die Steuervorrichtung 14 derart angesteuert, dass es dauerhaft geschlossen ist. Ferner wird das zweite Schaltelement S2 dauerhaft geöffnet. Das dritte Schaltelement S3 wird als aktiver Gleichrichter angesteuert, so dass durch die Freilaufdiode D3 und gegebenenfalls auch durch den Halbleiterschalter T3 der Strom nur in eine Richtung fließt. Das vierte Schaltelement S4 schließlich wird mit einer vorgegebenen Schaltfrequenz angesteuert. Dabei wird gemäß dem Prinzip der Pulsbreitenmodulation entsprechend dem Tastverhältnis die Spannung auf der Seite des Maschinenanschlusses 12 eingestellt. Dabei besteht zwischen Eingangsspannung U1 am Gleichspannungsanschluss 11 und Ausgangsspannung U2 am Maschinenanschluss 12 die folgende Beziehung: U2/U1 = T/(T – tein). For this purpose, the first switching element S1 by the control device 14 controlled so that it is permanently closed. Furthermore, the second switching element S2 is permanently opened. The third switching element S3 is driven as an active rectifier, so that flows through the freewheeling diode D3 and possibly also by the semiconductor switch T3, the current only in one direction. Finally, the fourth switching element S4 is driven with a predetermined switching frequency. In this case, according to the principle of the pulse width modulation according to the duty cycle, the voltage on the side of the machine connection 12 set. In this case, there is between input voltage U1 at the DC voltage connection 11 and output voltage U2 at the machine connection 12 the following relationship: U2 / U1 = T / (T - t a).

Dabei ist T die Periodendauer der vorgegebenen Schaltfrequenz f mit der die Steuervorrichtung 14 das vierte Schaltelement S4 ansteuert und tein jeweils die Zeitspanne innerhalb einer Periodendauer T, während der das Schaltelement S4 geschlossen ist. Wie dabei zu erkennen ist, kann bereits bei einem Tastverhältnis tein:T von 50 % eine Ausgangsspannung U2 in doppelter Höhe der Eingangsspannung U1 erreicht werden.In this case, T is the period of the predetermined switching frequency f with which the control device 14 the fourth switching element S4, and drives each t a the time within a period duration T, during which the switching element S4 is closed. An output voltage U2 T of 50% are achieved at double the input voltage U1: As can be seen here, can already at a duty cycle t.

In einem zweiten Betriebsmodus arbeitet der Spannungskonverter 1 als kombinierter Tiefsetzsteller-Wechselrichter. Die am Gleichspannungsanschluss 11 anliegende Gleichspannung wird dabei verringert und gleichzeitig in eine Spannung konvertiert, die dazu geeignet ist eine elektrische Maschine am Maschinenanschluss 12 anzusteuern. Im Tiefsetzstellerbetrieb ist dabei der Maximalwert, also die Amplitude der Spannung am Maschinenanschluss 12 kleiner als die Gleichspannung, die am Gleichspannungsanschluss 11 anliegt.In a second operating mode, the voltage converter operates 1 as a combined buck converter inverter. The at the DC voltage connection 11 applied DC voltage is thereby reduced and simultaneously converted into a voltage which is suitable for an electrical machine at the machine connection 12 head for. In buck converter mode is the maximum value, ie the amplitude of the voltage at the machine connection 12 less than the DC voltage at the DC voltage port 11 is applied.

Dabei ist das dritte Schaltelement S3 dauerhaft geschlossen und das vierte Schaltelement S4 dauerhaft geöffnet. Das zweite Schaltelement S2 wird als aktiver Gleichrichter angesteuert, das in diesem Modus nur ein Stromfluss in eine Richtung zulässt. Das erste Schaltelement S1 wird schließlich mit der vorbestimmten Schaltfrequenz f = 1/T derart angesteuert, dass sich am Maschinenanschluss 12 die gewünschte Ausgangsspannung U2 einstellt. Dabei ist das Verhältnis von Ausgangsspannung U2 zur Eingangsspannung U1 wie folgt: U2/U1 = tein/T. In this case, the third switching element S3 is permanently closed and the fourth switching element S4 permanently open. The second switching element S2 is driven as an active rectifier, which allows only a current flow in one direction in this mode. The first switching element S1 is finally driven with the predetermined switching frequency f = 1 / T such that at the machine connection 12 sets the desired output voltage U2. The ratio of output voltage U2 to input voltage U1 is as follows: U2 / U1 = t on / T.

Es ist anhand dieser Formel einfach zu erkennen, dass im Tiefsetzstellermodus die Ausgangsspannung U2 bis auf 0 Volt herabgesenkt werden kann, wenn tein gegen Null geht. It is easy to see from this formula that the step-down converter mode, the output voltage U2 can be down to 0 volts lowered when t one goes to zero.

Neben den zuvor beschriebenen Betriebsmodi, bei denen eine Gleichspannung an dem Gleichspannungsanschluss 11 in eine Spannung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine 3 konvertiert wird, ist ferner auch ein Konvertieren der am Maschinenanschluss 12 anliegenden Spannung einer in Generatorbetrieb betriebenen elektrischen Maschine 3 in eine Gleichspannung mit vorbestimmter Höhe möglich. Die Spannung U2, die von der elektrischen Maschine 3 am Maschinenanschluss 12 bereitgestellt wird, kann dabei variieren und größer oder kleiner sein als die Gleichspannung, die am Gleichspannungsanschluss 11 bereitgestellt werden soll, um dort einen elektrischen Energiespeicher 2 zu speisen und beispielsweise eine Batterie aufzuladen.In addition to the operating modes described above, in which a DC voltage at the DC voltage connection 11 in a voltage for controlling an electrical machine 3 is also a conversion of the machine connection 12 applied voltage of a generator operated electric machine 3 in a DC voltage with a predetermined height possible. The voltage U2 coming from the electric machine 3 at the machine connection 12 can be varied, and be greater or less than the DC voltage at the DC voltage terminal 11 should be provided to there an electrical energy storage 2 to feed and, for example, charge a battery.

Ist die Amplitude bzw. der Maximalwert der Spannung U2 am Maschinenanschluss 12 des Spannungskonverters 1 kleiner als die zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 2 erforderliche Gleichspannung U1, so arbeitet der Spannungskonverter 1 in einem weiteren Betriebsmodus als kombinierter Gleichrichter und Hochsetzsteller. Hierzu ist das dritte Schaltelement S3 dauerhaft geschlossen und das vierte Schaltelement S4 dauerhaft geöffnet. Das erste Schaltelement S1 arbeitet als aktiver Gleichrichter, das den Strom nur in eine Richtung durchlässt, und das zweite Schaltelement S2 wird mit einer vorgegebenen Schaltfrequenz getaktet. Somit stellt sich am Gleichspannungsanschluss 11 eine Spannung U1 gemäß folgender Formel ein: U1/U2 = T/(T – tein). Is the amplitude or the maximum value of the voltage U2 at the machine connection 12 of the voltage converter 1 smaller than that for charging the electrical energy storage 2 required DC voltage U1, the voltage converter works 1 in a further operating mode as a combined rectifier and boost converter. For this purpose, the third switching element S3 is permanently closed and the fourth switching element S4 permanently open. The first switching element S1 operates as an active rectifier, which transmits the current in one direction only, and the second switching element S2 is clocked at a predetermined switching frequency. Thus arises at the DC voltage connection 11 a voltage U1 according to the following formula: U1 / U2 = T / (T - t a).

Ist der Maximalwert bzw. die Amplituder der von der elektrischen Maschine 3 bereitgestellten Spannung U2 am Maschinenanschluss 12 größer als die Spannung U1, mit der der elektrische Energiespeicher 2 aufgeladen werden soll, so arbeitet der Spannungskonverter 1 in einem weiteren Betriebsmodus als kombinierter Gleichrichter und Tiefsetzsteller. Hierzu ist das erste Schaltelement S1 dauerhaft geschlossen und das zweite Schaltelement dauerhaft geöffnet. Das vierte Schaltelement S4 arbeitet als aktiver Gleichrichter, der den Strom nur in eine Richtung durchlässt, während das dritte Schaltelement S3 mit der vorgegebenen Schaltfrequenz f = 1/T getaktet wird. Hiermit stellen sich die Spannungsverhältnisse gemäß der folgenden Formel ein: U1/U2 = tein/T. Is the maximum value or the amplitude of the electrical machine 3 provided voltage U2 at the machine connection 12 greater than the voltage U1, with the electrical energy storage 2 is to be charged, so the voltage converter works 1 in a further operating mode as a combined rectifier and buck converter. For this purpose, the first switching element S1 is permanently closed and the second switching element permanently open. The fourth switching element S4 operates as an active rectifier, which only transmits the current in one direction, while the third switching element S3 is clocked at the predetermined switching frequency f = 1 / T. This adjusts the stress ratios according to the following formula: U1 / U2 = a / t T.

Darüber hinaus ist es mit dem zuvor beschriebenen Spannungskonverter 1 auch möglich, die elektrische Maschine 3 in einen sicheren Betriebszustand, wie den aktiven Kurzschluss oder einen Freilaufmodus zu schalten. In addition, it is with the previously described voltage converter 1 also possible, the electric machine 3 to switch to a safe operating state, such as the active short circuit or a freewheeling mode.

Für den aktiven Kurzschluss werden hierzu das erste und das zweite Schaltelement S1 und S2 geöffnet und das dritte Schaltelement S3 und das vierte Schaltelement S4 geschlossen. Somit sind an dem Maschinenanschluss 12 das dritte Anschlusselement A3 und das vierte Anschlusselement A4 elektrisch miteinander verbunden und damit die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine 3 kurzgeschlossen.For the active short circuit, the first and second switching elements S1 and S2 are opened for this purpose, and the third switching element S3 and the fourth switching element S4 are closed. Thus are at the machine connection 12 the third connection element A3 and the fourth connection element A4 are electrically connected to one another and thus the phase connections of the electrical machine 3 shorted.

Sind dagegen das dritte Schaltelement S3 und das vierte Schaltelement S4 gleichzeitig geöffnet, so befindet sich die elektrische Maschine 3 im Freilaufmodus.If, on the other hand, the third switching element S3 and the fourth switching element S4 are open at the same time, then the electric machine is located 3 in freewheel mode.

Die Ansteuerung der Schaltelemente S1 bis S4 der Konvertierungsvorrichtung 13 des Spannungskonverters 1 durch die Steuervorrichtung 14 anhand der zuvor beschriebenen Formel kann dabei mittels eines geeigneten Mikrocontrollers erfolgen. Bei entsprechender vorhandener Rechenleistung kann dabei das Tastverhältnis der zu schaltenden Schaltelemente S1 bis S4 über geeignete mathematische Algorithmen erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, die erforderlichen Tastverhältnisse vorab zu berechnen und in einem Speicher der Steuervorrichtung 14 abzuspeichern. Auf diese Weise kann die Steuervorrichtung 14 entlastet werden. The control of the switching elements S1 to S4 of the conversion device 13 of the voltage converter 1 through the control device 14 By means of the formula described above, this can be done by means of a suitable microcontroller. With appropriate existing computing power, the duty cycle of the switching elements S1 to S4 to be switched can take place via suitable mathematical algorithms. Alternatively, it is also possible to calculate the required duty cycles in advance and in a memory of the control device 14 save. In this way, the control device 14 be relieved.

Die Schaltfrequenz, mit der die Schalterelemente S1 bis S4 angesteuert werden, kann in einem sehr breiten Frequenzbereich gewählt werden. Analog zu konventionellen Wechselrichtern sind beispielsweise auch Schaltfrequenzen im Bereich bis zu 10 kHz möglich. Relativ niedrige Schaltfrequenzen erfordern jedoch eine relativ große Induktivität L zwischen dem ersten Knotenpunkt K1 und dem zweiten Knotenpunkt K2. Durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz auf Frequenzen oberhalb von 20 kHz und mehr kann die erforderliche Induktivität L entsprechend verkleinert werden. Dies führt zu einer weiteren Reduktion des erforderlichen Bauraums und des Gewichts des Spannungskonverters 1. Darüber hinaus führt die Verwendung von Schaltfrequenzen oberhalb des menschlichen Hörbereichs auch zu einer geringeren akustischen Beeinträchtigung. Für die Verwendung derart hoher Schaltfrequenzen von 20 kHz und mehr sind insbesondere moderne Siliziumkarbit(SiC)-Schalter vorteilhaft. Derartige SiC-Schalter weisen auch bei Schaltfrequenzen oberhalb von 20 kHz relativ geringe Schaltverluste auf. Alternativ können darüber hinaus auch Spannungskonverter mit Super-Junction MOSFET eingesetzt werden, die ebenfalls bei hohen Schaltfrequenzen nur geringe Schaltverluste aufweisen.The switching frequency with which the switch elements S1 to S4 are driven can be selected in a very wide frequency range. Analogous to conventional inverters, for example, switching frequencies in the range up to 10 kHz are possible. However, relatively low switching frequencies require a relatively large inductance L between the first node K1 and the second node K2. By increasing the switching frequency to frequencies above 20 kHz and more, the required inductance L can be correspondingly reduced. This leads to a further reduction of the required installation space and the weight of the voltage converter 1 , In addition, the use of switching frequencies above the human hearing range also leads to a lower acoustic impairment. For the use of such high switching frequencies of 20 kHz and more, in particular modern silicon carbide (SiC) switches are advantageous. Such SiC switches have relatively low switching losses even at switching frequencies above 20 kHz. Alternatively, it is also possible to use voltage converters with a super-junction MOSFET, which also have only low switching losses at high switching frequencies.

Das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel beschreibt für ein besseres Verständnis einen elektrischen Antrieb aus Spannungskonverter 1, elektrischem Energiespeicher 2 und einer einphasigen elektrischen Maschine 3. Darüber hinaus kann der Spannungskonverter 1 auch für elektrische Antriebe mit mehrphasigen elektrischen Maschinen 3 verwendet werden. Im Nachfolgenden sind daher Schaltungskonfigurationen für eine dreiphasige elektrische Maschine 3 ausgeführt. Die Wahl von drei Phasen für eine mehrphasige elektrische Maschine 3 dient dabei nur zu Anschauungszwecken. Darüber hinaus sind auch elektrische Maschinen mit einer beliebigen anderen Anzahl von Phasen ebenso möglich. The embodiment described above describes for a better understanding of an electric drive voltage converter 1 , electrical energy storage 2 and a single-phase electric machine 3 , In addition, the voltage converter 1 also for electric drives with multiphase electrical machines 3 be used. In the following, therefore, are circuit configurations for a three-phase electric machine 3 executed. The choice of three phases for a multi-phase electric machine 3 serves only for illustrative purposes. In addition, electrical machines with any other number of phases are also possible.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltungskonzepts einer dreiphasigen elektrischen Maschine 3 mit Massensternpunkt. Jede der drei Phasen L1, L2, L3 ist dabei mit einem Anschlusselement, beispielsweise dem dritten Anschlusselement A3 des Maschinenanschlusses 12 einer zuvor beschriebenen Konvertierungsvorrichtung 13 elektrisch verbunden. Das jeweils andere Anschlusselement, also beispielsweise das vierte Anschlusselement A4 ist mit dem Bezugspotential elektrisch verbunden. Der Sternpunkt der elektrischen Maschine 3 ist darüber hinaus ebenfalls mit dem Bezugspotential elektrisch verbunden. Auf der Gleichspannungsseite werden alle Gleichspannungsanschlüsse 11 von einem gemeinsamen elektrischen Energiespeicher 2 gespeist. Die Schaltelemente aller Konvertierungsvorrichtungen 13 können dabei von einer gemeinsamen Steuervorrichtung 14 angesteuert werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass für jede Phase eine separate Steuervorrichtung 14 vorhanden ist. 2 shows a schematic representation of a circuit concept of a three-phase electric machine 3 with mass star point. Each of the three phases L1, L2, L3 is in this case with a connection element, for example the third connection element A3 of the machine connection 12 a previously described conversion device 13 electrically connected. The respective other connection element, that is, for example, the fourth connection element A4 is electrically connected to the reference potential. The neutral point of the electric machine 3 is also electrically connected to the reference potential. On the DC side are all DC voltage connections 11 from a common electrical energy storage 2 fed. The switching elements of all conversion devices 13 can by a common control device 14 be controlled. In addition, it is also possible that for each phase a separate control device 14 is available.

3 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines elektrischen Antriebs mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine 3. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine dreiphasige Systemstruktur mit einem virtuellen Massensternpunkt dargestellt. Das heißt, die Wicklungen aller Phasen der elektrischen Maschine 3 sind im Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden. Dieser Sternpunkt ist jedoch nicht mit einem Bezugspotential elektrisch verbunden. Ansonsten ist der Aufbau des elektrischen Antriebs mit virtuellen Massensternpunkt analog zu dem Aufbau des elektrischen Antriebs mit Massensternpunkt, bei dem der Massensternpunkt auf Bezugspotential liegt. 3 shows a further schematic representation of an electric drive with a three-phase electric machine 3 , In this embodiment, a three-phase system structure is shown with a virtual mass star point. That is, the windings of all phases of the electric machine 3 are electrically connected at the star point. However, this star point is not electrically connected to a reference potential. Otherwise, the structure of the electric drive with virtual mass star point is analogous to the structure of the electric drive with mass star point, in which the mass star point is at reference potential.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebs mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine in Dreieckschaltung. Die Wicklungen der elektrischen Maschine 3 sind dabei jeweils zwischen zwei Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine 3 geschaltet. Darüber hinaus ist der Aufbau der elektrischen Energiequelle 2 sowie der verwendeten Spannungskonverter 1 analog zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen. 4 shows a schematic representation of an electric drive with a three-phase electric machine in delta connection. The windings of the electric machine 3 are each between two phase terminals of the electric machine 3 connected. In addition, the structure of the electrical energy source 2 as well as the used voltage converter 1 analogous to the previously described embodiments.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb. Der elektrische Antrieb aus elektrischem Energiespeicher 2, den Spannungskonvertern 1 sowie der elektrischen Maschine 3 kann dabei beispielsweise gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgeführt sein. 5 shows a schematic representation of a motor vehicle with an electric drive. The electric drive from electrical energy storage 2 , the voltage converters 1 as well as the electric machine 3 can be carried out, for example, according to one of the embodiments described above.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren 100 zum Konvertieren einer elektrischen Spannung gemäß einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt. In einem Schritt 110 wird zunächst ein zuvor beschriebener Spannungskonverter 1 bereitgestellt. Daraufhin wird in Schritt 120 ein Betriebsmodus ausgewählt. Bei diesem Betriebsmodus kann es sich beispielsweise um die zuvor beschriebenen Betriebsmodi Hochsetzsteller-Wechselrichter, die Tiefsetzsteller-Wechselrichter, Hochsetzsteller-Gleichrichter, Tiefsetzsteller-Gleichrichter handeln. Darüber hinaus ist auch der sichere Betriebsmodus in Form eines aktiven Kurzschluss oder Freilaufmodus möglich. 6 shows a schematic representation of a flowchart, as a method 100 for converting an electrical voltage according to one embodiment is based. In one step 110 First, a previously described voltage converter 1 provided. Then in step 120 an operating mode is selected. This operating mode can be, for example, the above-described operating modes boost converter inverters, the buck converter inverters, boost converter rectifier, buck converter rectifier. In addition, the safe operating mode in the form of an active short circuit or free-running mode is possible.

Daraufhin wird in Schritt 130 der Spannungskonverter 1 in Abhängigkeit von dem ausgewählten Betriebsmodus angesteuert.Then in step 130 the voltage converter 1 controlled depending on the selected operating mode.

Die Auswahl des Betriebsmodus kann dabei entsprechend zu den zuvor empfangenen Sollwertvorgaben für einen Drehmoment der elektrischen Maschine 3 bestimmt werden. Alternativ kann auch anstelle des Drehmoments ein elektrischer Strom in der oder den Phasen der elektrischen Maschine 3 vorgegeben werden, der durch das Bereitstellen der Ausgangsspannung am Motoranschluss 12 des Spannungskonverters eingestellt werden soll. Soll die elektrische Maschine 3 verzögert werden, um beispielsweise ein elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug abzubremsen, so kann auch ein entsprechendes Bremsmoment vorgegeben werden. Ferner kann auch für das Einstellen eines sicheren Betriebsmodus der Betriebsmodus des aktiven Kurzschlusses oder des Freilaufmodus vorgegeben werden. Ferner können auch die Spannungsverhältnisse am Maschinenanschluss 12 bzw. dem Gleichspannungsanschluss 11 ermittelt werden. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, festzulegen, ob der Spannungskonverter 1 im Hochsetzstellermodus oder im Tiefsetzstellermodus betrieben werden soll. Ferner ist somit auch eine präzise Regelung zur Einstellung der Spannungsverhältnisse am Gleichspannungsanschluss 11 bzw. am Maschinenanschluss 12 möglich.The selection of the operating mode may be in accordance with the previously received setpoint specifications for a torque of the electric machine 3 be determined. Alternatively, instead of the torque, an electric current in the phase or phases of the electric machine 3 by providing the output voltage at the motor terminal 12 of the voltage converter is to be set. Should the electric machine 3 delayed, for example, to decelerate an electrically driven motor vehicle, so a corresponding braking torque can be specified. Furthermore, the operating mode of the active short circuit or of the freewheeling mode can also be specified for setting a safe operating mode. Furthermore, the voltage conditions at the machine connection 12 or the DC voltage connection 11 be determined. In this way it is in particular possible to determine whether the voltage converter 1 in the boost converter mode or in the buck converter mode to be operated. Furthermore, there is thus also a precise control for adjusting the voltage conditions at the DC voltage connection 11 or at the machine connection 12 possible.

Hierzu kann beispielsweise in Schritt 115 die Größe der Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss 11 des Spannungskonverters 1 ermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Größe der Phasenspannung am Motoranschluss 12 des Spannungskonverters 1 ermittelt werden. Basierend auf den ermittelten Spannungen kann in Schritt 130 dann der Betriebsmodus unter Verwendung der ermittelten Gleichspannung und/oder der ermittelten Phasenspannung ausgewählt werden.For this purpose, for example, in step 115 the size of the DC voltage at the DC voltage connection 11 of the voltage converter 1 be determined. Additionally or alternatively, the size of the phase voltage at the motor connection 12 of the voltage converter 1 be determined. Based on the determined voltages, in step 130 then the operating mode using the determined DC voltage and / or the determined phase voltage can be selected.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen bidirektionalen Spannungskonverter. Der Spannungskonverter umfasst mindestens vier Betriebsmodi zur Konvertierung einer Gleichspannung in eine Spannung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine bzw. zur Konvertierung einer Generatorspannung in eine Gleichspannung. Die jeweilige konvertierte Spannung wird dabei geglättet und mit deutlich verringertem Störanteil bereitgestellt als bei konventionellen Stromstellern. Der Schaltungsaufbau ermöglicht insbesondere einen Betrieb mit hohen Schaltfrequenzen. Somit kann die Schaltfrequenz auf einem Bereich jenseits des menschlichen Hörbereiches verlagert werden. Darüber hinaus ermöglichen hohe Schaltfrequenzen auch eine Reduktion des Gewichts und des erforderlichen Bauraums für den Spannungskonverter.In summary, the present invention relates to a bidirectional voltage converter. The voltage converter comprises at least four operating modes for converting a DC voltage into a voltage for controlling an electrical machine or for converting a generator voltage into a DC voltage. The respective converted voltage is smoothed and provided with a significantly reduced noise component than with conventional current regulators. The circuit construction in particular allows operation with high switching frequencies. Thus, the switching frequency can be shifted to an area beyond the human hearing range. In addition, high switching frequencies also allow a reduction in weight and the required installation space for the voltage converter.

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Claims (10)

Spannungskonverter (1), mit: einem Gleichspannungsanschluss (11), der ein erstes Anschlusselement (A1) und ein zweites Anschlusselement (A2) umfasst; einem Maschinenanschluss (12), der ein drittes Anschlusselement (A3) und einen viertes Anschlusselement (A4) umfasst; und einer Konvertierungsvorrichtung (13), die dazu ausgelegt ist, eine vorbestimmte Gleichspannung (U1) zwischen dem ersten Anschlusselement (A1) und dem zweiten Anschlusselement (A2) in eine Phasenspannung (U2) für eine elektrische Maschine (3) zu konvertieren und die konvertierte Phasenspannung (U2) zwischen dem dritten Anschlusselement (A3) und dem vierten Anschlusselement (A4) bereitzustellen, und die ferner dazu ausgelegt ist eine von der elektrischen Maschine (3) zwischen dem dritten Anschlusselement (A3) und dem vierten Anschlusselement (A4) bereitgestellte Phasenspannung (U2) in eine vorbestimmte Gleichspannung (U1) zu konvertieren und die konvertierte Gleichspannung (U1) zwischen dem ersten Anschlusselement (A1) und dem zweiten Anschlusselement (A2) bereitzustellen; wobei die Konvertierungsvorrichtung (13) in einem ersten Betriebsmodus die Gleichspannung (U1) zwischen dem ersten Anschlusselement A1) und dem zweiten Anschlusselement (A2) in eine Phasenspannung (U2) konvertiert, deren Maximalwert größer ist als die Gleichspannung (U1) zwischen dem ersten Anschlusselement (A1) und dem zweiten Anschlusselement (A2), in einem zweiten Betriebsmodus die Gleichspannung (U1) zwischen dem ersten Anschlusselement (A1) und dem zweiten Anschlusselement (A2) in eine Phasenspannung (U2) konvertiert, deren Maximalwert kleiner ist als die Gleichspannung (U1) zwischen dem ersten Anschlusselement (A1) und dem zweiten Anschlusselement (A2), in einem dritten Betriebsmodus die Phasenspannung (U2) zwischen dem dritten Anschlusselement (A3) und dem vierten Anschlusselement (A4) in die vorbestimmte Gleichspannung (U1) konvertiert, wobei der Maximalwert der Phasenspannung (U2) kleiner ist als die vorbestimmte Gleichspannung (U1), und in einem vierten Betriebsmodus die Phasenspannung (U2) zwischen dem dritten Anschlusselement (A3) und dem vierten Anschlusselement (A4) in die vorbestimmte Gleichspannung (U1) konvertiert, wobei der Maximalwert der Phasenspannung (U2) größer ist als die vorbestimmte Gleichspannung (U1).Voltage converter ( 1 ), comprising: a DC voltage connection ( 11 ) comprising a first terminal member (A1) and a second terminal member (A2); a machine connection ( 12 ) comprising a third terminal (A3) and a fourth terminal (A4); and a conversion device ( 13 ), which is designed to convert a predetermined DC voltage (U1) between the first connection element (A1) and the second connection element (A2) into a phase voltage (U2) for an electrical machine ( 3 ) and to provide the converted phase voltage (U2) between the third terminal element (A3) and the fourth terminal element (A4), and which is further adapted to one of the electric machine ( 3 ) to convert phase voltage (U2) provided between the third connection element (A3) and the fourth connection element (A4) into a predetermined direct voltage (U1) and the converted direct voltage (U1) between the first connection element (A1) and the second connection element (A2) provide; the conversion device ( 13 In a first operating mode, the DC voltage (U1) between the first connection element A1) and the second connection element (A2) is converted into a phase voltage (U2) whose maximum value is greater than the DC voltage (U1) between the first connection element (A1) and the second terminal element (A2), in a second operating mode, the DC voltage (U1) between the first terminal element (A1) and the second terminal element (A2) converted into a phase voltage (U2) whose maximum value is smaller than the DC voltage (U1) between the first Terminal element (A1) and the second connection element (A2), in a third operating mode, the phase voltage (U2) between the third terminal element (A3) and the fourth connection element (A4) in the predetermined DC voltage (U1) converted, wherein the maximum value of the phase voltage ( U2) is less than the predetermined DC voltage (U1), and in a fourth mode of operation, the phase voltage (U2) between the third Terminal element (A3) and the fourth connection element (A4) in the predetermined DC voltage (U1) is converted, wherein the maximum value of the phase voltage (U2) is greater than the predetermined DC voltage (U1). Spannungskonverter (1) nach Anspruch 1, wobei die Konvertierungsvorrichtung (13) folgendes umfasst: ein erstes Schaltelement (S1), das zwischen dem ersten Anschlusselement (A1) und einem ersten Knotenpunkt (K1) angeordnet ist; ein zweites Schaltelement (S2), das zwischen dem ersten Knotenpunkt (K1) und dem zweiten Anschlusselement (A2) angeordnet ist; ein drittes Schaltelement (S3), das zwischen dem dritten Anschlusselement (A3) und einem zweiten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist; ein viertes Schaltelement (S4), das zwischen dem zweiten Knotenpunkt (K2) und dem vierten Anschlusselement (A4) angeordnet ist; eine Induktivität (L), die zwischen dem ersten Knotenpunkt (K1) und dem zweiten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist.Voltage converter ( 1 ) according to claim 1, wherein the conversion device ( 13 ) comprises: a first switching element (S1) disposed between the first terminal (A1) and a first node (K1); a second switching element (S2) disposed between the first node (K1) and the second terminal (A2); a third switching element (S3) disposed between the third terminal (A3) and a second node (K2); a fourth switching element (S4) disposed between the second node (K2) and the fourth terminal (A4); an inductance (L) disposed between the first node (K1) and the second node (K2). Spannungskonverter (1) nach Anspruch 2, wobei der Spannungskonverter (1) ferner eine Steuervorrichtung (14) umfasst, die dazu ausgelegt ist, das erste, das zweite, das dritte und das vierte Schaltelement (S1–S4) in Abhängigkeit von einem ausgewählten Betriebsmodus anzusteuern. Voltage converter ( 1 ) according to claim 2, wherein the voltage converter ( 1 ) a control device ( 14 ) configured to drive the first, second, third and fourth switching elements (S1-S4) in response to a selected operating mode. Spannungskonverter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Konvertierungsvorrichtung (13) ferner dazu ausgelegt ist, in einem fünften Betriebsmodus das dritte Schaltelement (S3) und das vierte Schaltelement (S4) zu schließen, um das dritte Anschlusselement (A3) und das vierte Anschlusselement (A4) elektrisch zu verbinden. Voltage converter ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the conversion device ( 13 ) is further configured to close the third switching element (S3) and the fourth switching element (S4) in a fifth operating mode to electrically connect the third terminal element (A3) and the fourth terminal element (A4). Spannungskonverter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zwischen dem dritten Anschlusselement (A3) und dem vierten Anschlusselement (A4) bereitgestellte Phasenspannung (U2) eine Wechselspannung ist.Voltage converter ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, wherein the phase voltage (U2) provided between the third connection element (A3) and the fourth connection element (A4) is an alternating voltage. Elektrisches Antriebssystem, mit: einem Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5; einem elektrischen Energiespeicher (2), der mit dem Gleichspannungsanschluss (11) des Spannungskonverters (1) elektrisch gekoppelt ist; und einer elektrischen Maschine (3), die einen Phasenanschluss umfasst, der mit dem Maschinenanschluss (12) des Spannungskonverters (1) elektrisch gekoppelt ist.An electric drive system, comprising: a voltage converter according to any one of claims 1 to 5; an electrical energy store ( 2 ) connected to the DC voltage connection ( 11 ) of the voltage converter ( 1 ) is electrically coupled; and an electric machine ( 3 ) comprising a phase connection connected to the machine connection ( 12 ) of the voltage converter ( 1 ) is electrically coupled. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 6, wobei die elektrische Maschine (3) eine mehrphasige elektrische Maschine umfasst, und das elektrische Antriebssystem für jede Phase der elektrischen Maschine (3) mindestens einen Spannungskonverter (1) umfasst.Electric drive system according to claim 6, wherein the electric machine ( 3 ) comprises a multi-phase electric machine, and the electric drive system for each phase of the electric machine ( 3 ) at least one voltage converter ( 1 ). Kraftfahrzeug, insbesondere, Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug, mit einem elektrischen Antriebssystem nach Anspruch 6 oder 7.Motor vehicle, in particular, air, water or land vehicle, with an electric drive system according to claim 6 or 7. Verfahren (100) zum Konvertieren einer elektrischen Spannung, mit den Schritten: Bereitstellen (110) eines Spannungskonverters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; Auswählen (120) eines Betriebsmodus; und Ansteuern (130) des Spannungskonverters (1) in Anhängigkeit von dem ausgewählten Betriebsmodus.Procedure ( 100 ) for converting an electrical voltage, comprising the steps of: providing ( 110 ) of a voltage converter ( 1 ) according to any one of claims 1 to 5; Choose ( 120 ) of an operating mode; and driving ( 130 ) of the voltage converter ( 1 ) depending on the selected operating mode. Verfahren (100) nach Anspruch 9, mit dem Schritt: Ermitteln (115) einer Gleichspannung an dem Gleichspannungsanschluss (11) des Spannungskonverters (1) und/oder Ermitteln einer Phasenspannung an dem Motoranschluss (12) des Spannungskonverters (1); wobei der Schritt (120) zum Auswählen des Betriebsmodus den Betriebsmodus unter Verwendung der ermittelten Gleichspannung und/oder der ermittelten Phasenspannung auswählt. Procedure ( 100 ) according to claim 9, comprising the step of: determining ( 115 ) of a DC voltage at the DC voltage terminal ( 11 ) of the voltage converter ( 1 ) and / or determining a phase voltage at the motor terminal ( 12 ) of the voltage converter ( 1 ); the step ( 120 ) selects the operating mode using the determined DC voltage and / or the determined phase voltage to select the operating mode.
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