DE102009052680A1

DE102009052680A1 - Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines Kraftfahrzeugs mit Tiefsetzsteller

Info

Publication number: DE102009052680A1
Application number: DE102009052680A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. Benecke (FH); Steffen Dipl.-Ing. Pieger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2009-11-11
Publication date: 2011-05-12

Abstract

Es soll eine DC-Hochleistungsladung für unterschiedliche HV-Batterietypen ermöglicht werden können. Hierzu wird eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie (3) eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine (1) zum Antrieb des Kraftfahrzeugs und einem Antriebsumrichter (4), der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie (3) für die elektrische Maschine wandelt, vorgeschlagen, wobei die elektrische Maschine (1) zusammen mit dem Antriebsumrichter (4) für einen Ladebetrieb der Batterie (3) als Hochsetzsteller dient. Dem Hochsetzsteller ist ein Tiefsetzsteller (7) vorgeschaltet, um eine Eingangsgleichspannung so weit herabzusetzen, dass sie nach dem Hochsetzen durch den Hochsetzsteller eine geeignete Ladespannung für die Batterie (3) darstellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs und einem Antriebsumrichter, der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie für die elektrische Maschine wandelt. Die elektrische Maschine dient hierbei zusammen mit dem Antriebsumrichter für einen Ladebetrieb der Batterie als Hochsetzsteller.
Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge werden vielfach mit einer Hochvoltbatterie (HV-Batterie) betrieben. Ist die HV-Batterie entladen muss sie mithilfe eines Ladegeräts wieder geladen werden. Hierzu wird häufig in das jeweilige Fahrzeug ein Ladegerät integriert. Derartige Ladegeräte besitzen typischerweise im Einphasenbetrieb eine Ladeleistung von 3 kW. Werden Drehstromladegeräte verwendet, so können beispielsweise auch 20 kW erreicht werden. Für jedes On-Board-Ladegerät ist im Fahrzeug entsprechender Raum vorzusehen und außerdem erhöht es das Gesamtgewicht des Fahrzeugs. Es wird nur für den Ladebetrieb genutzt und ist für den üblichen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs ungenutzt.
Von der Firma Brusa sind schienengebundene Elektrofahrzeuge bekannt, die mit Gleichspannung geladen werden. Hierzu sind DC-Schnellladestationen mit galvanischer Trennung in der Infrastruktur und Leistungsflusssteuerung vorgesehen. Die schienengebundenen Fahrzeuge stellen ein geschlossenes System dar, das einschließlich der DC-Ladespannung auf eine feste Batteriespannung ausgelegt ist.
Bei einer DC-Hochleistungsladung kann der Antriebswechselrichter in Verbindung mit den Motorinduktivitäten als Hochsetzsteller betrieben werden, wodurch beispielsweise eine Ladeleistung von 80 kW erzielt werden kann. Die Verbindung eines Hochsetzstellers oder Boost-Konverters setzt jedoch voraus, dass die DC-Eingangsspannung eine niedrigere Spannung als die HV-Batterie hat. Im Zuge einer Modularisierung der HV-Batterie und dem damit verbundenen Einsatz von unterschiedlichen Batteriespannungen kann dies jedoch nicht immer gewährleistet werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine DC-Hochleistungsladung auch bei verschiedensten Eingangsspannungen und Batteriespannungen gewährleisten zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Ladevorrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird demnach bereitgestellt eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs und einem Antriebsumrichter, der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie für die elektrische Maschine wandelt, wobei die elektrische Maschine zusammen mit dem Antriebsumrichter für einen Ladebetrieb der Batterie als Hochsetzsteller dient, und dem Hochsetzsteller ein Tiefsetzsteller vorgeschaltet ist, um eine Eingangsgleichspannung soweit herabzusetzen, dass sie nach dem Hochsetzen durch den Hochsetzsteller eine geeignete Ladespannung für die Batterie darstellt.
In vorteilhafter Weise ist es durch den Tiefsetzsteller möglich, die Spannung an einer Ladestation soweit herabzusetzen, dass der Hochsetzsteller, bestehend aus einem Elektromotor und seinem Antriebsumrichter, für Hochleistungsladen verwendet werden kann, auch wenn die Batteriespannung der zu ladenden Batterie deutlich geringer ist als eine um den Hochsetzfaktor des Hochstellers hochgesetzte Spannung der Ladestation.
In einer speziellen Ausführungsform ist die elektrische Maschine ein 3-Phasen-Motor, dessen Wicklungen in einem Sternpunkt zusammenlaufen, wobei der Tiefsetzsteller an den Sternpunkt angeschlossen ist. Darüber hinaus kann der Tiefsetzsteller eine einstellbare Halbbrücke aufweisen. Hierbei kann ein Teil des Antriebsumrichters zusammen mit einer Wicklung der elektrischen Maschine und der Halbbrücke des Tiefsetzstellers eine H-Brücke bilden. Speziell kann die Batterie eine HV-Batterie oder ein HV-Batteriemodul sein. Besonders vorteilhaft lässt sich die beschriebene Ladevorrichtung in einem Kraftfahrzeug einsetzen, wobei die elektrische Maschine und der Antriebsumrichter in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug ohnehin vorhanden sind und im Wesentlichen nur der Tiefsetzsteller, der sehr einfach und mit wenig Gewicht und Bauraum aufgebaut werden kann, in das Kraftfahrzeug neu integriert werden muss.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung zeigt.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
In dem Beispiel der Figur ist die elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs als Drehstrommaschine 1 realisiert. Ihre Wicklungen sind pro Phase als Induktivitäten 2 symbolisiert. Der Drehstrommotor 1 wird von einer HV-Batterie 3 mit Energie versorgt.
Zur Wandlung des von der HV-Batterie 3 gelieferten Gleichstroms in einen für den Drehstrommotor 1 notwendigen Drehstrom wird ein Antriebsumrichter 4 vorgesehen. Sein Eingang ist an die HV-Batterie 3 angeschlossen, während sein Ausgang an die drei Phasen des Drehstrommotors 1 angeschlossen ist. Der Antriebsumrichter 4 ist hier für jede Phase mit zwei Schaltelementen 5 ausgestattet, die mit der jeweiligen Induktivität des Drehstrommotors 1 eine Halbbrücke bilden. Der Aufbau eines derartigen Antriebsumrichters 4 ist an sich bekannt.
Die Induktivitäten des Drehstrommotors 1 sind in einem Sternpunkt 6 miteinander verbunden. An diesen Sternpunkt 6 ist nun erfindungsgemäß ein Tiefsetzsteller 7 geschaltet. Der Tiefsetzsteller 7 besteht hier aus einer Serienschaltung von zwei Schalterelementen 5, die hier ebenso aufgebaut sind wie die Schalterelemente 5 des Antriebsumrichters 4. Die Serienschaltung ist zwischen die Eingangsklemmen 8 und 9 des Tiefsetzstellers geschaltet, an die die Gleichspannung einer Ladestation angelegt wird. Der Knoten zwischen den Schalterelementen 5 des Tiefsetzstellers 7 ist mit dem Sternpunkt 6 des Drehstrommotors 1 verbunden. Darüber hinaus ist der Eingangsanschluss 9 des Tiefsetzstellers 7 hier direkt mit dem Minuspol der HV-Batterie 3 verbunden.
Die Schaltelemente 5 des Tiefsetzstellers 7 werden in Abhängigkeit von der Spannung der Ladestation und der Spannung der HV-Batterie 3 angesteuert. Es ergibt sich dadurch eine pulsierende Spannung, deren Mittelwert der gewünschten Gleichspannung am Sternpunkt 6 des Drehstromantriebs 1 entspricht. Dieser Mittelwert kann über die Länge der Impulse beziehungsweise deren Dichte variiert werden.
In Elektro- und Hybridfahrzeugen sind Elektromotoren, Antriebsumrichter und Batterien bereits verbaut. Um die Ladevorrichtung gemäß oben beschriebener Struktur an board zu vervollständigen muss lediglich noch der Tiefsetzsteller in das Fahrzeug integriert werden. Mit dieser Zusatzbeschaltung zu heute im Fahrzeug bereits vorhandenen Komponenten/Bauteilen ist somit ein Laden beliebiger HV-Batterien an einer nahezu beliebigen durch die Infrastruktur bereitgestellten DC-Spannung möglich. Insbesondere können auch HV-Batterien, welche ein niedrigeres Spannungspotential als eine von der Infrastruktur bereitgestellte DC-Spannung besitzen, geladen werden. Ein weiterer besonderer Vorteil liegt darin, dass durch die Verwendung des Antriebsumrichters ein Hochleistungsladen möglich ist, ohne dass in das Fahrzeug ein komplettes Hochleistungsladegerät integriert werden müsste.
Es wird somit ein Vier-Quadranten-DC-Ladegerät (Buck-Boost bidirektional) zum Laden einer HV-Batterie von batterieelektrischen und Plug-in-Hybridfahrzeugen bereitgestellt. Ein derartiges Hochleistungsladen ist mit galvanisch isolierenden On-Board-Ladegeräten kaum wirtschaftlich und technisch realisierbar.
Bezugszeichenliste

1: Drehstrommaschine
2: Induktivitäten
3: HV-Batterie
4: Antriebsumrichter
5: Schalterelemente
6: Sternpunkt
7: Tiefsetzsteller
8, 9: Eingangsklemmen

Claims

Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie (3) eines Kraftfahrzeugs mit – einer elektrischen Maschine (1) zum Antrieb des Kraftfahrzeugs und – einem Antriebsumrichter (4), der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie (3) für die elektrische Maschine (1) wandelt, wobei – die elektrische Maschine (1) zusammen mit dem Antriebsumrichter (4) für einen Ladebetrieb der Batterie (3) als Hochsetzsteller dient, dadurch gekennzeichnet, dass – dem Hochsetzsteller ein Tiefsetzsteller (7) vorgeschaltet ist, um eine Eingangsgleichspannung soweit herabzusetzen, dass sie nach dem Hochsetzen durch den Hochsetzsteller eine geeignete Ladespannung für die Batterie (3) darstellt.
Ladevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) ein 3-Phasen-Motor ist, dessen Wicklungen in einem Sternpunkt (6) zusammenlaufen, und der Tiefsetzsteller (7) an den Sternpunkt (6) angeschlossen ist.
Ladevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Tiefsetzsteller (7) eine Halbbrücke aufweist.
Ladevorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Antriebsumrichters (4) zusammen mit einer Wicklung (2) der elektrischen Maschine (1) und der Halbbrücke des Tiefsetzstellers eine H-Brücke bildet.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (3) eine Hochvolt-Batterie oder ein Hochvolt-Batteriemodul ist.
Kraftfahrzeug mit einer Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.