Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsanordnung für ein Kraft fahrzeug umfassend eine Gleichspannungsquelle, einen Spannungsumrichter mit einer Schaltanordnung und eine elektrische Maschine, wobei die Gleichspan nungsquelle über zumindest zwei Gleichspannungsleitungen mit einem Gleich spannungseingang der Schaltanordnung verbunden oder verbindbar ist und wobei ein mehrphasiger Wechselspannungsausgang der Schaltanordnung über der Anzahl an Phasen des Wechselspannungsausgangs entsprechend viele Wech selspannungsleitungen mit der elektrischen Maschine verbunden oder verbindbar ist.

Stand der Technik

Bei elektrischen Antriebsanordnungen der oben genannten Art ist in einer leis tungselektronischen Schaltung eine Gleichspannungsquelle über Gleichspan nungsleitungen mit einem Spannungsumrichter, nämlich einer Gleichspannungs seite eines Spannungsumrichters, verbunden. Der Spannungsumrichter weist unterschiedliche Bauelemente bzw. elektrische Komponenten wie beispielsweise EMV („Elektromagnetische Verträglichkeit“)-Filter, Zwischenkreiskondensatoren, eine Schaltanordnung mit zumindest zwei Halbleiterschaltern etc., auf. Über Wechselspannungsleitungen ist der Spannungsumrichter, genauer der Wechsel spannungsausgang des Spannungsumrichters, mit einer elektrischen Maschine verbunden.

Bei einem Aufbau einer elektrischen Antriebsanordnung wie oben beschrieben treten in der Regel parasitäre Kapazitäten auf. Parasitäre Kapazitäten sind für den Betrieb nicht benötigte Kapazitäten, die zum Beispiel durch die Drahtführung in einer elektrischen Maschine in deren Stator-Nut, durch parallele Leiterführung in Kabeln und Leitungen sowie auf Leiterplatten entstehen. Diese parasitären Kapa zitäten erzeugen bei Schaltvorgängen der Halbleiterschalter der Schaltanordnung des Spannungsumrichters mit hohen Spannungs-Zeit-Veränderungen (hohes dU/dt) sogenannte Ableitströme bzw. „Common-Mode“-Ströme. Die dominante parasitäre Kapazität liegt in der elektrischen Maschine, daher treten auch hier die größten Amplituden der Ableitströme auf. Diese Ableitströme werden in der Regel über das Systemgehäuse und in weiterer Folge über betriebsbedingte Kapazitä ten, wie zum Beispiel Y-Kondensatoren zu der Schaltanordnung und somit zu den Halbleiterschaltern zurückgeführt und somit der Ableitstromkreis geschlossen.

Bei derartig auftretenden „Common-Mode“-Strömen bzw. Ableitströmen besteht das Problem und die Gefahr einer ohmschen Verkoppelung zwischen Leistungsteil und Signalteil eines Spannungsumrichters, vor allem, da die Ableitströme über einen Undefinierten Pfad über das Gehäuse fließen. Des Weiteren besteht durch die hohen Spannungs-Zeit-Veränderungen an den Wechselspannungsausgängen die Gefahr einer elektromagnetischen Verkoppelung zwischen Leistungsteil und Signalteil.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine elektrische Antriebsanordnung mit einer gezielten Führung der „Common-Mode“-Ströme von einer elektrischen Maschine zu einem Spannungsumrichter darzustellen.

Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 4 gedeckt werden. Vorteilhafte Ausfüh rungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße elektrische Antriebsanordnung dient insbesondere dem Einsatz in einem Kraftfahrzeug, kann jedoch auch in jedem anderen technischen Gebiet eingesetzt werden.

Erfindungsgemäß umfasst die elektrische Antriebsanordnung eine Gleichspan nungsquelle, einen Spannungsumrichter mit einer Schaltanordnung und eine elektrische Maschine.

Bei der Gleichspannungsquelle kann es sich beispielsweise um eine (Sekundär-) Batterie handeln. Darüber hinaus sind jedoch als Gleichspannungsquelle beliebige weitere bekannte Gleichspannungsquellen möglich.

Die Gleichspannungsquelle ist entsprechend der vorliegenden Erfindung über zumindest zwei Gleichspannungsleitungen mit einem Gleichspannungseingang der Schaltanordnung verbunden oder verbindbar.

Die Schaltanordnung weist zumindest zwei Halbleiterschalter auf.

Weiterhin erfindungsgemäß ist ein mehrphasiger Wechselspannungsausgang der Schaltanordnung über der Anzahl an Phasen des Wechselspannungsausgangs entsprechend viele Wechselspannungsleitungen mit der elektrischen Maschine verbunden oder verbindbar. Die elektrische Maschine stellt einen elektrischen Verbraucher der elektrischen Antriebsanordnung dar. Die elektrische Maschine kann sowohl elektromotorisch wie auch generatorisch betrieben werden.

Entsprechend einer ersten Variante der vorliegenden Erfindung sind die Gleich spannungsleitungen derart ausgebildet und durch den Spannungsumrichter bis hin zur elektrischen Maschine geführt, dass sie im Bereich der elektrischen Maschine mit jeweils zumindest einem Y-Kondensator elektrisch gekoppelt sind.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der ersten Variante der vorlie genden Erfindung weist die elektrische Maschine einen Rotor, einen Stator und ein Gehäuse auf, wobei die Y-Kondensatoren mit dem Stator der elektrischen Maschine und/oder dem Gehäuse der elektrischen Maschine elektrisch gekoppelt sind.

Bei dem Gehäuse kann es sich um ein Gehäuse handeln, dass lediglich die elekt rische Maschine zumindest teilweise einfasst, oder auch um ein Gehäuse, das die elektrische Maschine und zumindest eine weitere Komponente der elektrischen Antriebsanordnung zumindest teilweise einfasst (Systemgehäuse). Es kann auch ein Gehäuse vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine zumindest teilweise einfasst und ein weiteres Gehäuse, das zumindest eine weitere Komponente der elektrischen Antriebsanordnung zumindest teilweise einfasst. Diese beiden Ge häuse können miteinander verbunden sein. Weiterhin kann ein Gehäuse der elektrischen Maschine in ein Gehäuse, das zumindest eine weitere Komponente der elektrischen Antriebsanordnung zumindest teilweise einfasst, integriert sein.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der ersten Variante der vorliegenden Erfindung sind die Gleichspannungsleitungen zwischen dem Wech selspannungsausgang der Schaltanordnung und der elektrischen Maschine derart geführt, dass die Wechselspannungsleitungen zwischen den beiden im Wesentli chen parallel geführten Gleichspannungsleitungen liegen. Derart können die Wechselspannungsleitungen auf einfache Art und Weise abgeschirmt werden, ohne dafür zusätzliche bauliche Komponenten vorsehen zu müssen.

Entsprechend einer zweiten Variante der vorliegenden Erfindung ist ein Gehäuse der elektrischen Maschine derart ausgebildet und durch den Spannungsumrichter bis hin zur Schaltanordnung geführt, dass es im Bereich der Schaltanordnung mit zumindest einem Y-Kondensator elektrisch gekoppelt ist.

Bevorzugt weist sowohl in der ersten Variante wie auch in der zweiten Variante der vorliegenden Erfindung der Spannungsumrichter einen Zwischenkreiskonden- sator auf, wobei der Zwischenkreiskondensator mit dem Gleichspannungseingang der Schaltanordnung elektrisch gekoppelt ist. Der Zwischenkreiskondensator wirkt als Energiepuffer bzw. dient der Spannungsglättung.

Weiterhin weist der Spannungsumrichter sowohl in der ersten Variante wie auch in der zweiten Variante der vorliegenden Erfindung einen EMV-Filter auf, wobei der EMV-Filter zwischen die Gleichspannungsquelle und den Zwischenkreiskondensa tor geschaltet ist. Der EMV-Filter unterdrückt elektrische Störungen an den Gleichspannungsleitungen auf ein zulässiges Maß. Der Filter besteht für gewöhn lich aus Y-Kondensatoren, X-Kondensatoren, Dämpfungswiderständen und mag netischen Komponenten, wie z.B. Ferriten, wobei im Zuge der vorliegenden Erfin dung die Y-Kondensatoren örtlich getrennt vom EMV-Filter angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der elektrischen Antriebsanordnung erlaubt eine gezielte Rückführung der Störströme über die Gleichspannungsleitung von der elektrischen Maschine zu der Schaltanordnung, wobei die Ableitströme über das Gehäuse auf ein Minimum reduziert werden. Durch diese gezielte Rückfüh rung in geometrischer Nähe zu den Wechselspannungsleitungen wird ein Störs trompfad mit möglichst geringer Impedanz und einem definiertem „Common- Mode“-Strompfad realisiert.

Kurzbeschreibunq der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeich nungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausfüh rungsbeispiels gemäß einer ersten Variante einer erfin dungsgemäßen elektrischen Antriebsanordnung.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausfüh- rungsbeispiels gemäß einer zweiten Variante einer erfin dungsgemäßen elektrischen Antriebsanordnung.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausfüh rungsbeispiels gemäß einer zweiten Variante einer erfin dungsgemäßen elektrischen Antriebsanordnung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In Fig.1 ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels gemäß einer ersten Variante einer elektrischen Antriebsanordnung 1 dargestellt.

Die elektrische Antriebsanordnung 1 umfasst ein Systemgehäuse 8a, eine Gleich spannungsquelle 2, einen Spannungsumrichter 3 mit einem EMV-Filter 10, einem Zwischenkreiskondensator 9 und einer Schaltanordnung 4 sowie eine elektrische Maschine 5. Die Gleichspannungsquelle 2 ist über zwei Gleichspannungsleitungen DC+, DC- mit einem zweiphasigen Gleichspannungseingang der Schaltanordnung 4 verbunden. Ein dreiphasiger Wechselspannungsausgang der Schaltanordnung 4 ist über drei Wechselspannungsleitungen ACu, ACv, ACw mit der elektrischen Maschine 5 verbindbar. Der Zwischenkreiskondensator 9 ist mit dem Gleichspan nungseingang der Schaltanordnung 4 elektrisch gekoppelt. Der EMV-Filter 10 ist zwischen die Gleichspannungsquelle 2 und den Zwischenkreiskondensator 9 geschaltet. Weiters kann auch ein ausgangsseitiger, nämlich wechselspannungs ausgangsseitiger, EMV-Filter in Form einer „Common-Mode-Choke“ implementiert werden (nicht dargestellt).

Bei der Gleichspannungsquelle 2 handelt es sich um eine Sekundärbatterie.

Bei dem Spannungsumrichter 3 handelt es sich um einen Gleichspannungs- Wechselspannungs-Umrichter (DC/AC-Umrichter). Die Schaltanordnung 4umfasst eine Vollbrückenschaltung mit drei Brückenzweigen 11a, 11b, 11c. Eine derartige Ausführung mit drei Brückenzweigen stellt jedoch lediglich eine beispielhafte Aus führungsform dar - es sind auch Vollbrückenschaltungen mit beispielsweise zwei, vier, fünf oder sechs oder einer beliebigen anderen Anzahl an Brückenzweigen denkbar.

Jeder Brückenzweig 11a, 11b, 11c weist zwei Halbleiterschalter, nämlich einen ersten Halbleiterschalter 12a, 12b, 12c und einen zweiten Halbleiterschalter 13a, 13b, 13c, auf. Bei dem ersten Halbleiterschalter 12a, 12b, 12c handelt es sich jeweils um den oberen Halbleiterschalter des jeweiligen Brückenzweigs 11a, 11b, 11c, auch „High-Side“-Schalter genannt. Bei dem zweiten Halbleiterschalter 13a,

13b, 13c handelt es sich jeweils um den unteren Halbleiterschalter des jeweiligen Brückenzweigs 11a, 11b, 11c, auch „Low-Side“-Schalter genannt. Bei den Halb leiterschaltern handelt es sich beispielsweise um bipolare Transistoren mit einem isolierten „Gate“ -Anschluss (IGBTs), Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOS- FETs), Siliziumkarbidtransistoren (SiC), Galliumnitridtransistoren (GaN) oder an dere bekannte Halbleiterschalter.

Sämtliche Brückenzweige 11a, 11b, 11c sind an einem Anschluss mit einem An schluss des Zwischenkreiskondensators 9 elektrisch verbunden. Die anderen Anschlüsse der Brückenzweige 11a, 11b, 11c sind mit einem weiteren Anschluss des Zwischenkreiskondensators 9 elektrisch verbunden. Jeweilige Knotenpunkte 14a, 14b, 14c der Brückenzweige können jeweils über eine Wechselspannungslei tung ACu, ACv, ACw mit einem Phasenanschluss der elektrischen Maschine 5 elektrisch verbunden werden.

Die Halbleiterschalter 12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c der Schaltanordnung 4 werden über eine Steuereinheit angesteuert.

Die beiden Gleichspannungsleitungen DC+, DC- sind derart ausgebildet und durch den Spannungsumrichter 3 bis hin zur elektrischen Maschine 5 geführt, dass sie jeweils im Bereich der elektrischen Maschine 5 mit einem Y-Kondensator 7a, 7b elektrisch gekoppelt sind. Die Y-Kondensatoren 7a, 7b sind entweder direkt an einem Blechpaket des Stators der elektrischen Maschine 5 oder mit einem Ge häuse 8b der elektrischen Maschine 5, das mit dem Blechpaket des Stators elektrisch leitend verbunden ist, angeordnet, d.h., dass die Y-Kondensatoren 7a,

7b bei dieser Variante in geometrischer Nähe des Stators angebunden werden.

Das Gehäuse 8b der elektrischen Maschine 5 ist in das Systemgehäuse 8a inte griert.

Die Gleichspannungsleitungen DC+, DC- sind zwischen dem Wechselspannungs ausgang der Schaltanordnung 4 und der elektrischen Maschine 5 derart geführt, dass die Wechselspannungsleitungen ACu, ACv, ACw zwischen den beiden im Wesentlichen parallel geführten Gleichspannungsleitungen DC+, DC- liegen.

Die elektrische Antriebsanordnung 1 kann dahingehend betrieben werden, dass der Spannungsumrichter 3 von der Gleichspannungsquelle 2 gespeist wird und die Schaltanordnung 4 des Spannungsumrichters 3 an den Knotenpunkten 14a, 14b, 14c mit der elektrischen Maschine 5 als elektrischen Verbraucher verbunden ist. Darüber hinaus kann jedoch in einem weiteren Betriebsmodus der elektrischen Antriebsanordnung 1 auch elektrische Energie, die von der elektrischen Maschine 5 in einem Generatorbetrieb bereitgestellt wird, durch die Schaltanordnung 4 des Spannungsumrichters 3 in eine Gleichspannung umgeformt werden. Diese Gleichspannung kann daraufhin in die Gleichspannungsquelle 2 eingespeist wer den. Ist die Gleichspannungsquelle 2 beispielsweise als Sekundärbatterie ausge bildet, so kann diese derart geladen werden.

In Fig. 2 und Fig. 3 ist jeweils eine schematische Darstellung eines Ausführungs beispiels gemäß einer zweiten Variante einer elektrischen Antriebsanordnung 1 dargestellt. Die elektrische Antriebsanordnung 1 umfasst ein Systemgehäuse 8a, eine Gleich spannungsquelle 2, einen Spannungsumrichter 3 mit einem EMV-Filter 10, einem Zwischenkreiskondensator 9 und einer Schaltanordnung4 sowie eine elektrische Maschine 5. Die Gleichspannungsquelle 2 ist über zwei Gleichspannungsleitungen DC+, DC- mit einem zweiphasigen Gleichspannungseingang der Schaltanordnung 4 verbunden. Ein dreiphasiger Wechselspannungsausgang der Schaltanordnung 4 ist über drei Wechselspannungsleitungen ACu, ACv, ACw mit der elektrischen Maschine 5 verbindbar. Der Zwischenkreiskondensator 9 ist mit dem Gleichspan nungseingang der Schaltanordnung 4 elektrisch gekoppelt. Der EMV-Filter 10 ist zwischen die Gleichspannungsquelle 2 und den Zwischenkreiskondensator 9 geschaltet.

Weiters kann auch ein ausgangsseitiger, nämlich wechselspannungsausgangssei tiger, EMV-Filter in Form einer „Common-Mode-Choke“ implementiert werden (nicht dargestellt).

Bei der Gleichspannungsquelle 2 handelt es sich um eine Sekundärbatterie.

Bei dem Spannungsumrichter 3 handelt es sich um einen Gleichspannungs- Wechselspannungs-Umrichter (DC/AC-Umrichter). Die Schaltanordnung 4 um fasst eine Vollbrückenschaltung mit drei Brückenzweigen 11a, 11b, 11c. Eine derartige Ausführung der Schaltanordnung 4 mit drei Brückenzweigen stellt jedoch lediglich eine beispielhafte Ausführungsform dar - es sind auch Vollbrückenschal tungen mit beispielsweise zwei, vier, fünf oder sechs oder einer beliebigen ande ren Anzahl an Brückenzweigen denkbar.

Jeder Brückenzweig 11a, 11b, 11c weist zwei Halbleiterschalter, nämlich einen ersten Flalbleiterschalter 12a, 12b, 12c und einen zweiten Flalbleiterschalter 13a, 13b, 13c, auf. Bei dem ersten Flalbleiterschalter 12a, 12b, 12c handelt es sich jeweils um den oberen Halbleiterschalter des jeweiligen Brückenzweigs 11a, 11b, 11c, auch „High-Side“-Schalter genannt. Bei dem zweiten Halbleiterschalter 13a,

13b, 13c handelt es sich jeweils um den unteren Halbleiterschalter des jeweiligen Brückenzweigs 11a, 11b, 11c, auch „Low-Side“-Schalter genannt. Bei den Halb leiterschaltern handelt es sich beispielsweise um bipolare Transistoren mit einem isolierten „Gate“ -Anschluss (IGBTs), Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOS- FETs), Siliziumkarbidtransistoren (SiC), Galliumnitridtransistoren (GaN) oder an dere bekannte Halbleiterschalter.

Sämtliche Brückenzweige 11a, 11b, 11c sind an einem Anschluss mit einem An schluss des Zwischenkreiskondensators 9 elektrisch verbunden. Die anderen Anschlüsse der Brückenzweige 11a, 11b, 11c sind mit einem weiteren Anschluss des Zwischenkreiskondensators 9 elektrisch verbunden. Jeweilige Knotenpunkte 14a, 14b, 14c der Brückenzweige können jeweils über eine Wechselspannungslei tung ACu, ACv, ACw mit einem Phasenanschluss der elektrischen Maschine 5 elektrisch verbunden werden.

Die Halbleiterschalter 12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c der Schaltanordnung 4 werden über eine Steuereinheit angesteuert.

Die elektrische Maschine 5 weist ein Gehäuse 8b auf, das in das Systemgehäuse 8a integriert ist. Das Gehäuse 8b ist derart ausgebildet und durch den Span nungsumrichter 3 bis hin zu der Schaltanordnung 4 geführt, dass es im Bereich der Schaltanordnung 4 mit zwei Y-Kondensatoren 7a, 7b elektrisch gekoppelt ist. Die Y-Kondensatoren 7a, 7b sind gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels ge mäß der zweiten Variante der elektrischen Antriebsanordnung 1 auf der Gleich spannungsseite der Schaltanordnung 4 angeordnet und gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der zweiten Variante der elektrischen Antriebsan ordnung 1 auf der Wechselspannungsseite der Schaltanordnung 4 angeordnet Das Gehäuse 8b ist zwischen dem Wechselspannungsausgang der Schaltanord nung 4 und der elektrischen Maschine 5 derart geführt, dass es die Wechselspan nungsleitungen ACu, ACv, ACw axial einschließt.

Bei beiden Ausführungsbeispielen der zweiten Variante ist das Gehäuse 8b zwi schen der elektrischer Maschine 5 und dem Spannungsumrichter 3 bzw. der Schaltanordnung 4 des Spannungsumrichters 3 geometrisch derart ausgebildet, dass es nahe beim Stator der elektrischen Maschine 5 verbunden wird.

Die elektrische Antriebsanordnung 1 kann in beiden Varianten dahingehend be trieben werden, dass der Spannungsumrichter 3 von der Gleichspannungsquelle 2 gespeist wird und die Schaltanordnung 4 des Spannungsumrichters 3 an den Knotenpunkten 14a-14c mit der elektrischen Maschine 5 als elektrischen Verbrau cher verbunden ist. Darüber hinaus kann jedoch in einem weiteren Betriebsmodus der elektrischen Antriebsanordnung 1 auch elektrische Energie, die von der elektrischen Maschine 5 in einem Generatorbetrieb bereitgestellt wird, durch die Schaltanordnung 4 des Spannungsumrichters 3 in eine Gleichspannung umge formt werden. Diese Gleichspannung kann daraufhin in die Gleichspannungsquel le 2 eingespeist werden. Ist die Gleichspannungsquelle 2 beispielsweise als Se kundärbatterie ausgebildet, so kann diese derart geladen werden.

Bezuqszeichenliste

1 Elektrische Antriebsanordnung

2 Gleichspannungsquelle

3 Spannungsumrichter

4 Schaltanordnung

5 Elektrische Maschine

7a, 7b Y-Kondensator

8a Systemgehäuse (der elektrischen Antriebsanordnung)

8b Gehäuse (der elektrischen Maschine)

9 Zwischenkreiskondensator

10 EMV-Filter

11a, 11b, 11c Brückenzweig 12a, 12b, 12c Erster Halbleiterschalter 13a, 13b, 13c Zweiter Halbleiterschalter 14a, 14b, 14c Knotenpunkt

DC+, DC- Gleichspannungsleitung ACu, ACv, ACw Wechselspannungsleitung