用于具有多个绕组系统的电机的多部分的逆变器

背景技术

具有电动驱动的车辆使用高的操作电压来用于提供100kW或者更大的驱动功率。用于这样的驱动中的逆变器的输入电压可以高达800V或者更大。这样的逆变器中的半导体开关被根据这样的高电压进行额定，这进而导致针对半导体开关的高成本。进一步地，被根据这样的高操作电压进行额定的开关可能具有差于具有更低电压额定值的开关的电子特性，特别是考虑到开关的开关行为。

发明内容

因此，本发明的目的是提供用以允许高的开关电压的可能性，以用于提供高的驱动功率额定值，同时减少关于半导体开关的缺点。

该目的通过独立权利要求的主题来满足。通过从属权利要求、描述和各图给出了进一步的优点、特性、特征和实施例。

提出了一种电路，其中多个逆变器被组合成组合逆变器设备，其中多个逆变器的DC侧或者DC端口被串联连接。通过多个逆变器的DC端口的串联连接，多个逆变器中的每个以(例如，在组合逆变器设备的电池接口处显现的)总DC电压的一部分操作。因此，多个逆变器中的每个可以被提供有仅根据总DC电压的一部分来进行额定的半导体开关。提出了多个(“堆叠的”)逆变器的AC端口被适配用于驱动具有多个绕组系统的单个电机。特别是，多个逆变器中的每个的每个AC端口被适配为被连接到多个绕组系统中的一个。多个逆变器优选地由联合控制(针对所有堆叠的逆变器)来控制。进一步地，这样的电路可以被用于提供充电功能。

提出了具有第一逆变器和第二逆变器的电动车辆驱动电路。第一逆变器具有第一DC端口。第二逆变器具有第二DC端口。DC端口(在驱动状态下)对应于DC供给端口，并且当以相反的指向操作逆变器时可以对应于DC输出，例如以用于在DC端口处提供电池充电电压(DC)。在逆变器包括被连接为半桥的开关元件的情况下，DC端口被连接到半桥的端部。半桥中的连接点可以被连接到逆变器的AC端口。逆变器可以被提供为单向逆变器(用于将DC电压转换成AC电压以用于驱动电机)或者双向逆变器，这允许附加的功能，即受控的整流。

第一DC端口和第二DC端口被以串联连接的方式来连接。这将用于每个端口的DC电压降低到(在电池接口处提供的)总电压的一部分。每个DC端口提供正极和负极连接器。在串联连接中，第一逆变器的负极连接器被连接到第二逆变器的正极连接器。第一逆变器的正极连接器被连接到电池端口的正极连接器。第二逆变器的负极连接器被连接到电池端口的负极连接器。电池端口可以被认为是由多个逆变器形成的组合逆变器设备的DC端口。第一DC端口和第二DC端口的串联连接被连接到电池接口，即连接到组合逆变器设备的DC端口。逆变器中的每个具有多相AC端口。优选地，逆变器中的每个具有多相AC端口，多相AC端口具有多(AC)相连接器。如本文中给出的被组合在DC侧上的所有逆变器具有相同的相数。组合逆变器设备(或者包括组合逆变器设备的驱动电路)的相数等于各单个逆变器的所有相或者相连接器的总和。第一逆变器和第二逆变器的多相AC端口形成多相机器接口。(组合逆变器设备或者驱动电路的)该(AC)接口的相数是所有逆变器AC端口的所有相的总和。电动车辆驱动电路包括这样的组合逆变器设备或者对应于该组合逆变器设备。

在实施例中，电动车辆驱动电路(或者组合逆变器设备)包括控制电路。控制电路被适配为切换逆变器内的开关元件。特别是，控制电路被适配为控制逆变器的半桥。控制电路被适配为向逆变器的开关提供脉宽调制(PWM)信号。控制电路被连接到第一逆变器和第二逆变器这两者的控制输入。特别是，控制电路被连接到驱动电路内的至少两个或者所有逆变器(或者其n>2的子组)的控制输入。控制电路被适配为控制第一逆变器和第二逆变器(或者与其连接的所有逆变器)，以便在多相机器接口处联合地提供旋转电流系统(AC)。第一逆变器和第二逆变器均可以被提供为3相逆变器，每个具有3相AC端口。在该示例中，多相机器接口被提供为6相AC端口。在具有3相的附加逆变器的情况下，多相机器接口被提供为9相AC端口(所有三个逆变器的所有3相之和)。逆变器可以被适配为驱动操作电机的相同转子的多个绕组系统(即，被布置在相同定子上的绕组系统)。在示例中，每个逆变器可以被连接到(单独的)绕组系统(被分配给它)。绕组系统中的每个的相可以被以三角形配置连接，或者可以被以星点配置连接。在其它示例中，逆变器可以被适配为驱动一个或多个开路端部绕组系统。在这些示例中，每个绕组系统被提供有两个端部。这些端部中的一个可以被连接到逆变器中的第一逆变器，并且相对的端部可以被连接到逆变器中的第二逆变器。如果提供了多于一个的绕组系统，则每个相绕组系统作为第一端部和第二相对的端部，其中第一端部可以被连接到第一逆变器或者第一逆变器组，并且第二端部可以被连接到第二逆变器(不是第一组的一部分)或者第二逆变器组(不同于第一组)。

控制电路被适配为将DC端口处出现的电压限制到不大于阈值的电压限度。阈值可以是给定电压容限间隙和在电池接口处出现的电压的一半之和。一般而言，如果k个逆变器被如本文中给出的那样组合，则阈值是1/k，加上容限间隙。控制电路使在DC端口处出现的电压平衡，使得每个端口处的电压彼此相差不多于给定限度。控制电路利用单独的PWM控制信号来控制逆变器。PMW控制信号被与在逆变器的DC端口处显现的特定DC负载相联系。通过平衡在DC端口处的显现的DC负载，在DC端口处显现的电压被平衡。

(形成组合逆变器的)逆变器中的每个具有低于电池接口的操作电压或者电压额定值的额定值电压。额定值电压可以由晶体管——其为逆变器内的开关元件——的漏极-源极或者发射极-集电极电压的最大额定值来限定或者被限定为晶体管的击穿电压。

优选地，每个DC端口被提供有单独的链路电容器(与相应的DC端口并联连接的电容器)。另外，在链路电容器处显现的电压被以如下这样的方式平衡：它们不必被根据驱动电路/组合逆变器设备的最大DC电压来进行额定，而是被根据其一部分来进行额定。优选地，第一电容器被并联连接到第一DC端口，并且第二电容器被并联连接到第二DC端口。特别是，针对每个逆变器的每个DC端口，存在与其并联连接的单独的电容器。因此DC端口被串联连接，DC端口处的电容器也形成串联连接。串联连接的端部与电池接口连接(并联)。电容器形成电容分压器。另外，逆变器的DC端口形成分压器。

电动车辆驱动电路可以被经由机器接口连接到电机，或者可以包括被附接到机器接口的电机。特别是，电机的绕组系统或者绕组或者相连接器被连接到多相机器接口。电机具有多个绕组系统，并且特别是第一绕组系统和第二绕组系统。绕组系统正在操作电机的相同转子。换句话说，绕组系统被适配为联合地创建被施加在转子上的扭矩。优选地，这两个逆变器被适配为在多相机器接口处联合地提供单个旋转电流系统。由逆变器创建的旋转电流系统优选地是由逆变器创建的仅有的电流系统，旋转电流系统是由逆变器给出的组合电流的结果。优选地，旋转电流系统仅具有对称组件(只要电路和/或电机是无故障的)。绕组系统可以是星形或者三角形配置(如上面所提及的那样)。进一步地，绕组系统可以是开路端部绕组系统，其中相对的端部被连接到不同的逆变器。逆变器以及优选地其控制被适配为在电机内提供旋转场以用于采用星形配置或者三角形配置的绕组系统或者用于具有开路端部的绕组系统。

驱动电路被适配为将来自电池接口的电功率(DC电压/功率)传递到多相AC端口(AC电压/功率)，由此执行逆变(将DC电压/功率转换成AC电压/功率)。驱动电路可以是单向的，并且提供从电池接口到多相AC端口(即，到电机)的功率路径。

电路的实施例附加地允许相反的功率传递方向。因此，逆变器和电路可以被提供为双向的。这允许要在多相AC端口或者电机处提供的所生成的电功率被传递到电池接口。该传递被与整流相联系。特别是，这允许传递要被传递到电池端口的由电机生成的电能，并且允许传递要被传递到电池端口的由在多相AC端口处的外部充电站(DC或者AC充电站)提供的电能。该传递(也被称为回收或者AC充电或DC充电)被与整流处理相联系，整流处理优选地是受控的整流处理。

驱动电路可以包括充电接口，特别是DC充电接口或者AC充电接口(三相或者单相)。该充电接口或者其连接器被连接到绕组系统中的第一绕组系统的星点。优选地，充电接口或者其另外的连接器被连接到电池接口或者其连接器。特别是，充电接口的第一连接器(例如，正极连接器)被连接到第一绕组系统的星点，第一绕组系统被连接到第一逆变器的多相AC端口，第一逆变器例如是被连接到电池接口的第一(例如，正极)连接器的逆变器。充电接口的第二连接器(例如，负极连接器)被连接到电池接口的另外的(例如，负极)连接器。

被提供为DC充电接口的充电接口包括两个电压连接器(V+，V-)。电容串联连接可以被提供在充电接口处，被并联连接到充电接口的电压连接器。充电接口处的电容串联连接包括被经由接合点串联连接的两个电容器。换句话说，电容串联连接具有接合点。该接合点被连接到绕组系统中的第二绕组系统的星点。在电路内多于两个逆变器的情况下，电容串联连接中的电容器的数量等于逆变器的数量，星点中的每个被连接到单独的星点(除了被连接到充电接口的连接器的第一星点之外)。充电接口可以被连接到绕组的至少一个星点，或者可以被连接到绕组的开路端部(或者开路端部的第一侧)。

充电接口的第一(正极)连接器和第一星点/第一绕组系统/开路端部之间的连接可以是开关连接。该连接可以包括开关，特别是断路器开关。充电接口的第二(负极)连接器和电池接口的相应的连接器之间的连接可以是开关连接。该连接可以包括开关，特别是断路器开关。接合点和第二星点/第二绕组系统/相对的端部之间的连接可以是开关连接。该连接可以包括开关，特别是断路器开关。

电路并且特别是控制电路被适配为将逆变器连同由绕组系统提供的电感一起作为DCDC转换器设备来操作。DCDC转换器设备可以由多个(两个)DCDC转换器来提供。在多个DCDC转换器的情况下，控制电路被适配为以交替的方式操作DCDC转换器。第一DCDC转换器可以由第一绕组系统和与其连接的(第一)逆变器提供，并且第二DCDC转换器可以由第二绕组系统和与其连接的(第二)逆变器提供。相应的绕组系统为相应的逆变器提供操作电感。逆变器被提供为DCDC的开关元件。DCDC被适配为将在绕组系统的星点和电池接口的连接器处提供的DC电压转换成在逆变器的DC端口处(即在电池接口处)提供的电压。控制电路被适配为控制逆变器以根据要在电池接口处提供的给定设定点电压来提供电压。逆变器和绕组系统提供将充电接口处的DC电压转换成电池接口处的(更高的)DC电压的一个或多个DCDC。

在一些实施例中，逆变器均具有相同数量的逆变器相。多相AC端口均具有相同数量的端口相。端口相的数量优选地等于逆变器相的数量。逆变器被适配为操作所有端口相的全部或者仅操作所有端口相的子组。特别是，如果逆变器或者绕组系统的子组具有故障，则仅剩余的逆变器或者绕组系统被通电。控制电路被适配为提供该功能。这允许在故障的情况下以更低的功率运行驱动，而不是对整个驱动进行断电。

附图说明

图1至图3示出了包括两个逆变器的创新驱动电路的实施例。图2和图3示出了具有电机以及具有充电接口的应用。

具体实施方式

图1示出了被连接到两个逆变器I1、I2的电池A。逆变器具有DC端口S1、S2，它们被串联连接。这造成逆变器的DC端口的串联连接。在电池A向逆变器I1、I2供给DC功率的情况下，逆变器I1、I2的DC端口S1、S2是逆变器的输入端口。第一逆变器I1的第一DC端口S1被与作为第二逆变器I2的一部分的第二端口S2串联连接。在逆变器的AC侧上，存在AC端口P1、P2。每个端口具有三个相，使得各部分是多相端口。第一电容器C1被并联连接到第一逆变器I1的第一端口S1。第二电容器C2被并联连接到第二逆变器I2的第二端口S2。电容器C1、C2形成串联连接。电容器C1、C2被经由接合连接，该接合被连接到连接逆变器I1、I2的DC端口S1、S2的接合。因此，逆变器I1、I2的DC端口S1、S2也被以串联连接的方式连接。DC端口S1、S2的串联连接和电容器C1、C2的串联连接是(关于它们的相应的端部并且关于它们的相应的接合)并联连接的。

在示例中，电池A是800V电池。由于逆变器DC端口S1、S2的串联连接，每个逆变器在DC端口处均被提供有400V。逆变器可以被提供有额定低于800V的开关元件。特别是，逆变器的开关元件可以是MOSFET或者IGBT，特别是硅IGBT。在示例中，开关元件是额定600V(阻断电压)或者650V(阻断电压)的IGBT。逆变器I1、I2是被串联连接的三相转换器(逆变器)。六相电机EM被连接到相端口P1、P2。相端口P1、P2中的每个是多相端口(每个具有3个相)。相端口P1、P2一起形成驱动电路的多相机器接口，具有匹配的绕组系统和相的电机可以如图1中给出的那样被连接到该多相机器接口。在各图中，电机EM具有第一绕组系统WS1和第二绕组系统WS2，每个绕组系统具有3个相。绕组系统WS1、WS2没有被以直接的方式彼此连接。图1示出了被与驱动电路外部的电池An连接并且被与驱动电路外部的电机EM连接的驱动电路。然而，电池A和/或电机EM可以是驱动电路的部分。

图1中的方案也在图2和图3中给出。在图2中，第一逆变器I1和第二逆变器I2被更详细地给出，并且被以开关元件(IGBT)示出。两个逆变器I1、I2被提供为半桥的集合，特别是每相一个半桥。针对每个三相逆变器I1、I2，给出了三个半桥。每个半桥包括串联连接的两个开关元件。进一步地，图2中的电容器C1和C2是以串联连接的方式给出的。每个逆变器I1、I2的每个DC端口S1、S2被提供有并联电容器C1、C2。逆变器I1、I2的DC端口S1、S2的串联连接被附接到电池接口+、-。电池接口具有正极连接器+和负极连接器-，电池接口被提供为DC连接器接口。在电池接口+、-处，提供操作电压U_dc。图2示出了被附接到具有绕组系统的外部电机的驱动电路。图2的电路具有电池接口+、-，电池(例如如图1中给出的电池A)可以被附接到电池接口+、-。仅被象征性地示出的控制电路CC被连接到逆变器I1、I2(并且特别是与其中的开关元件相连接)。

图2可以被用于描述牵引模式下的电路操作。该模式由控制电路CC提供。控制电路CC根据牵引模式控制逆变器I1、I2。牵引模式也可以被描述为驱动模式。在该模式下，电机EM的机器扭矩被通过(经由控制CC)控制逆变器I1和I2的相电流来控制。此外，dc链路电容电压，即被提供在逆变器I1、I2的DC端口S1、S2处的电压优选地被平衡，以确保800V被本质上均等地划分给它们。在该观点中，“本质上均等”优选地意味着所有DC端口处的最低电压和所有DC端口处的最高电压之间的比率不大于1.1、1.2、1.3或者1.5。该平衡通过如下而是可能的：通过经由控制电路CC对应地控制逆变器来将一个逆变器I1的相电流偏移增加/减少到另一个逆变器I2。在故障的情况下，驱动能够以减少的相数(3、4或者5)操作(与电机/逆变器中的总相数相比，所述总相数在当前示例中为6)。该特征允许例如在自主驾驶或者跛行回家特征中的故障安全操作。

图2可以被用于描述具有开路端部绕组的实施例。在该情况下，WS1的星点将是开路的。如图2中所示，这样的绕组系统WS1具有被连接到逆变器I1的第一端部。进一步地，与第一端部相对的端部(即，通过使星点开路而产生的开路端部)将被连接到逆变器I2。绕组系统WS2将不被呈现。代替被连接到WS2(如图2中所描绘的那样)，逆变器I2的AC端口将被连接到与逆变器I1的AC端口相对的WS1的开路端部。

图3示出了用于提供另一特征(即充电功能)的驱动电路。图3示出了被经由相应的DC端口S1、S2连接到两个逆变器I1、I2的电池A。逆变器I1、I2的AC端口P1、P2被连接到电机EM的绕组系统WS1、WS2。绕组系统WS1、WS2具有星点SP1、SP2。第一绕组系统WS1被提供有第一星点SP1。第二绕组系统WS2被提供有第二星点SP2。给出了充电接口CI，其被连接到电机EM，即被连接到绕组系统WS1之一以及电池接口+、-中的连接器-。充电接口CI具有被示出为正极连接器的第一连接器V+，以及被示出为负极连接器的第二连接器V-。第一连接器V+被可开关地连接到第一绕组系统WS1的星点SP1。充电接口CI的第二连接器V-被连接到电池接口的负极连接器-。

两个电容器C3、C4被经由接合点JP串联连接。所得到的串联连接的端部被并联连接到充电接口CI。电容器C3、C4之中的连接的接合点JP被连接到第二绕组系统WS2的星点SP2。这允许在充电接口CI处施加DC充电电压。逆变器I1、I2被操作以便提供DC/DC转换器。由逆变器提供的DC/DC转换器将充电接口CI处的电压转换成电池接口+、-处的期望DC电压，以便使用DC充电电流对电池A进行充电。以该方式，充电站CS可以被附接到充电接口ci，并且可以被用于对电池A进行充电。为了提供DC/DC转换器，逆变器被用作逆变器的开关元件，并且绕组的感应被用作DC/DC转换器的操作电感器。

在充电接口CI的第一(正极)连接器V+和第一绕组系统WS的第一星点SP1之间给出可开关的连接。可开关的连接由第一开关SW1提供。第二开关SW2被提供在接合点JP和第二绕组系统WS2的星点SP2之间。第三开关SW3被提供在充电接口CI的第二(负极)连接器V-和电池接口的第二(负极)连接器-之间。

在下面描述了在图3中示出的电路的应用。为了从400V充电站CS对800V电池A进行充电，使用图3中的电路。在此，充电站CS被经由两个输入电容C3、C4连接到两个星点SP1、SP2，并且被连接到电池A的负极连接器-。在该情况下，由电机EM的绕组提供的电感和逆变器I1、I2被用作交替的DCDC(升压)转换器。控制电路可以被适配为以交替的方式切换第一逆变器的开关和第二逆变器的开关。输入电容C3、C4被用于滤除电压和电流纹波。具有与其连接的三相绕组系统的每个逆变器I1、I2被用于将电压从充电站侧上的200V(即SP1和SP2之间以及SP2和V-之间)升压(转换)到dc链路侧上(即在电容器C1、C2中的每个处)的400V。充电接口处的(400V的)输入电压被分成其各部分(一半)。所分成的电压中的每个被DCDC转换成在逆变器的DC端口处的电压。由于端口是被连接的，因此电池接口处的电压是DC端口S1、S2处提供的电压之和。这造成电压从400V升压至800V。通过连接三个开关SW1、SW2和SW3而使得能够实现充电场景。在牵引的情况下，这些开关SW1–SW3被关闭，以便不干扰EM操作。控制电路被适配为根据当前场景(充电或者驾驶/牵引)来控制开关SW1-SW3。