推进装置、电传动系以及用于充电、逆变和回馈的装置的制作方法

本发明涉及一种推进装置、一种电传动系及一种用于借助逆变充电拓扑来充电、逆变和回馈的方法。本发明尤其是涉及通过少的硬件额外花费对逆变器的功能范围进行扩展。

背景技术：

在现有技术中已知以下逆变器，其能够实现由直流电压蓄能器(例如牵引电池)来提供交流电压(例如三相交流电压)以便运行电动机(例如牵引电机)。在三相电动机的情况下，通常使用分别具有两个开关的三个支路，其中同一支路的每两个开关之间的中间抽头与电机的电感相连接。通过六个开关的适当控制，现在可以使用直流电源(例如电池或电源)来为所述电机提供电能。

us2013/0057200和us2013/0307333公开了现有技术的相应逆变装置。

技术实现要素：

从上述的现有技术出发，本发明的任务是，创造一种新的逆变充电拓扑，其能够通过尽可能少的附加部件由dc-电源给电池充电，能量从所述电池回馈到电网中或者能够给其他电池充电。

上面所提出的任务根据本发明通过一种用于由直流电压接口给电池充电(“充电运行”)、用于给电机供应来自电池的电能(“逆变运行”)以及用于将电能从电池回馈到所述直流电压接口中(“回馈运行”)的装置来解决。因此，所述装置能够借助所述电机或所述电机的电感实现直流电源(或者在其位置上所连接的电池)与用于运行所述电机的牵引电池之间的所有能量流。该装置包括一种每个开关支路分别具有两个开关的三相逆变器。所述开关支路可分别具有两个igbt(isolatedgatebipolartransistor：绝缘栅双极型晶体管)。所述开关可彼此独立地导通或不导通地切换。在使用igbt的情况下，可使用寄生二极管作为续流二极管，以便能够不依赖于相应开关的开关状态地实现在一个方向上的通过电流。根据本发明，设置附加的开关，其被布置在所述开关支路的第一开关支路与所述开关支路的第二开关支路之间和/或在所述开关支路的第一开关支路与所述开关支路的第三开关支路之间。所述附加的开关基本上意味着相对于常规的这类逆变器而言的唯一的硬件额外花费。所述附加的开关被设置用于在逆变运行中被闭合并且因此构成常规的逆变器，并且在充电运行中以及在回馈运行中被断开，以便提供附加的、根据本发明所设定的功能。通过这种方式，电池可不依赖于两侧的电压水平而通过少的附加部件(即仅仅唯一一个附加的开关)由dc-充电站充电。附加地，电池可将能量馈送到电网中，其中两侧的电压水平与电池无关。这通过可选的附加的逆变器实现。附加地，外部的电池(例如外部电动汽车的牵引电池)可通过所观察的、根据本发明的电动汽车的牵引电池与两个电池的电压水平无关地被充电。这例如可能在紧急情况下或在抛锚时是有利的，并且确保或提高了电动汽车的机动性。通过在下面进一步阐述的所发明的方案，不仅高压电池可以由dc-电源充电(dc-加油站)，其他电池可通过电动汽车(ev)的牵引电池来充电，并且电池可将电能回馈到电网中，使得所述牵引电池提供dc-输出电压。所要调节的输出电压(在充电运行中为电池电压，在回馈中为dc-输出电压)可不依赖于输入电压(充电：dc-电源、回馈：电池)地自由调节，也就是说，输出电压可任意地且不依赖于电源地来进行调节。在此，输出电压并不是指电池电压，而是指所要调节的电压，其中可以根据通过电流，要么电池进行充电，要么dc-电源(例如充电设备)进行充电。“电源”在此根据情况要么指的是dc-电源要么指的是所观察的(本)汽车的电池。

从属权利要求示出了本发明的优选扩展方案。

所述开关支路优选具有被布置在其相应开关之间的用于电机的相应电感的接口。因此，所提出的装置被设置用于电连接到(例如三相的)电动机上并且因此能够实现所述电机的电感的集成。这些电感可用作为蓄能器，以便与相应电压水平尽可能无关地实现开头所提到的能量流方向。所述电感可尤其是星形地彼此电连接，由此得出结合附图所讨论的应用情况和通过电流。

所述附加的开关可包括第一igbt和与该igbt并联的二极管，并且优选具有两个反向串联的igbt和两个分别与一个igbt并联的二极管。在此，所述二极管尤其是彼此反向地定向，由此防止：通过电流可与所述附加的开关的开关状态无关地通过一个或另一个二极管。

所述附加的开关被设置用于进行可逆的电隔离。在该设计方案中，所述附加的开关可被理解为“机械开关”或者“继电器”。根据哪些能量在所述直流电源与所述电池之间或者在所述直流电源与所述牵引电机之间或者在所述牵引电机与所述电池之间移动，所述附加的开关的这一种或另一种实施方式可被证明为是适合的。

相对于所述直流电压接口沿截止方向定向的二极管可与三个开关支路的每个开关并联。换句话说，分别并联的二极管被定向成，使得由所述直流电源引起的直流电流将不流过二极管中的任何一个。

优选地，所述装置被设置为，

-在充电运行以及在所述电池上的电压比所述直流电压接口上的电压更小的情况下，

-脉冲控制所述开关支路的第一开关支路的第一开关；

-断开所述开关支路的第一开关支路的第二开关；

-断开所述开关支路的第二开关支路的第三开关；

-断开所述开关支路的第二开关支路的第四开关；

-断开所述开关支路的第三开关支路的第五开关；并且

-断开所述开关支路的第三开关支路的第六开关；和/或

-在充电运行以及在所述电池上的电压比所述直流电压接口上的电压更高的情况下，

-闭合所述开关支路的第一开关支路的第一开关；

-断开所述开关支路的第一开关支路的第二开关；

-断开所述开关支路的第二开关支路的第三开关；

-脉冲控制所述开关支路的第二开关支路的第四开关；

-断开所述开关支路的第三开关支路的第五开关；并且

-脉冲控制所述开关支路的第三开关支路的第六开关；和/或

-在回馈运行以及在直流电压接口上的电压比所述电池的电压更小的情况下，

-断开所述开关支路的第一开关支路的第二开关；

-脉冲控制所述开关支路的第二开关支路的第三开关；

-断开所述开关支路的第二开关支路的第四开关；

-脉冲控制所述开关支路的第三开关支路的第五开关；以及

-断开所述开关支路的第三开关支路的第六开关；和/或

-在回馈运行以及在直流电压接口上的电压比所述电池的电压更高的情况下，

-断开所述开关支路的第一开关支路的第一开关；

-脉冲控制所述开关支路的第一开关支路的第二开关；

-闭合所述开关支路的第二开关支路的第三开关；

-断开所述开关支路的第二开关支路的第四开关；

-闭合所述开关支路的第三开关支路的第五开关；以及

-断开所述开关支路的第三开关支路的第六开关。

通过这种方式，就可实现所有在图5中所描述的运行状态和开关状态。

根据本发明的第二方面，提出了一种用于可电驱动的推进装置的电传动系，其包括一种根据上述权利要求中任一项所述的装置。通过这种方式，所述传动系可实现特征、特征组合和由其得出的优点以及尤其是结合现有技术所描述的情境和应用情况。

根据本发明的第三方面，提出了一种可电驱动的推进装置(例如轿车、摩托车、两轮车、运输机、载货汽车、空中和/或水上交通工具)，该推进装置具有根据最先所提到的发明方面的装置以及替代地或附加地具有根据第二所提到的发明方面的电传动系。在所述可电驱动的推进装置方面，也得出对应于上述实施的优点、特征和特征组合。

独立于发明方面地，在确定的装置中，所述附加的开关的设计方案可通过一种简单的半导体开关(例如仅一个igbt，取代两个相反串联的igbt)来设计。如果例如所述直流电源的电压水平始终大于或始终小于所述电池的电压水平，则已经可以通过各个igbt的适合定向，实现阻止通过电流经过本征二极管。

附图说明

下面参照附图详细描述本发明的实施例。在附图中：

图1为第一电路图，说明了根据本发明的装置的一种实施例以及在第一运行状态下的通过电流；

图2为第一电路图，说明了根据本发明的装置的一种实施例以及在第二运行状态下的通过电流；

图3为第一电路图，说明了根据本发明的装置的一种实施例以及在第三运行状态下的通过电流；

图4为第一电路图，说明了根据本发明的装置的一种实施例以及在第四运行状态下的通过电流；以及

图5为用于应用于根据本发明的一种实施例的装置的开关状态表。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的装置1的一种实施例的电路图，在该装置中，逆变器通过中间电路电容cz居间协调直流电源dc、电机3与电池4之间的能量流。如在现有技术中所常见的那样，设置有三个开关支路ss1、ss2、ss3，所述开关支路分别具有两个开关igbt1、igbt2、igbt3、igbt4、igbt5、igbt6。在相应开关igbt1、igbt2、igbt3、igbt4、igbt5、igbt6之间星形地连接上所述电机3的相应电感l1、l2、l3。根据本发明的附加的开关s10具有两个另外的igbtigbt7、igbt8，其彼此反向地串联并且具有其栅上的电连接。为了提供逆变运行，所述附加的开关s10被接通，由此实现一种按照根据现有技术的逆变器的类型的电装置。为了提供充电运行，所述附加的开关s10被切断。所示的通过电流在回馈运行的情况下得出，在回馈运行中，所述附加的开关s10被断开并且所述直流电源dc的电源电压小于电压ubatt。为了电能由电池4向直流电源dc回馈，相应开关igbt1至igbt6利用所示的信号来控制，其中s0对应于断开的开关，并且st对应于igbt的脉冲运行。实线所示的电流路径表示一致的或始终不变的电流方向，而虚线所示的电流路径表示断断续续的电流控制或交替方向的电流控制。例如，针对以下情况得出电流iigbt5ein、即iigbt5ein：所述第三开关支路ss3的开关igbt5被接通，而在所述第三开关支路ss3的igbt5被切断的情况下得出电流iigbt5aus。在每种情况下，第三电感l3都在相同的方向上被电流通过。相应的适用于通过所述第二开关支路ss2的通过电流和所述开关igbt3、igbt4以及所述第二电感l2。

图2示出了图1中所示的装置处于第二运行状态下，在该运行状态下，能量由电池4回馈到直流电源dc中，其中所述附加的开关s10被断开并且所述直流电源dc的电压大于所述电池4的电压ubatt。为了能量由电池4回馈到直流电源dc中，需要电池电压ubatt的升压。这种应用情况例如能够实现结构类型类似、但电压水平更高的外部牵引电池通过内部牵引电池4的充电。所述开关igbt1、igbt4和igbt6被切断(控制信号s0)。所述开关igbt3、igbt5持久地接通(开关信号s1)。所述开关igbt2脉冲地运行(开关信号st)。得出所示的电流，其中与图1中相同实施的那些适用于该图示。

图3示出了根据本发明的装置1的结合图1和图2所讨论的实施例，在该装置中，所述电池4被充电，而所述直流电源dc的电压大于电池电压ubatt。在这一根据本发明的运行模式中，所述附加的开关s10也被断开。所述开关igbt2至igbt6被断开(开关信号s0)，而所述开关igbt1脉冲地运行(开关信号st)。在所述开关igbt1被切断时，就得出通过所述开关igbt2的本征二极管的通过电流，该通过电流通过所述第一电感l1和所述开关igbt3或igbt5向着所述电池4的方向传输。如果所述第一开关igbt1被导电地接通，则得出通过所述直流电源dc的断断续续的通过电流。

图4示出了根据本发明的装置1的结合图1至3所阐述的实施例处于充电运行(电池4通过所述直流电源dc充电)中，而所述直流电源dc具有比所述电池电压ubatt更小的电压。相应地，所述直流电源的电压必须升压，为此根据本发明断开所述附加的开关s10，所述第一开关igbt1被接通(开关信号s1)，所述第二开关igbt2被断开(开关信号s0)并且所述开关igbt4、igbt6脉冲地运行(开关信号st)。所述开关igbt3、igbt5的开关状态并没有决定生意义，因为通过电流可分别通过相应的本征二极管进行。因此，所述电池4可被充电，尽管所述电池4具有比所连接的直流电源dc或外部汽车的为了在此充电而使用的牵引电池更高的电压水平。

上面所探讨的图形仅仅示出了根据本发明的相关的运行状态，在这些运行状态中，所述附加的开关s10被断开。对于闭合的附加的开关s10的在电气技术上与现有技术相同的情况而言，得出传统的逆变器的替代电路图，其功能对于专业人员而言是已知的并且因此在此不进一步观察。

图5示出了一种图表，说明了根据本发明的装置的工作点的总览。根据图5的图表反映了在权利要求8中所定义的开关状态。