DE102010002154A1

DE102010002154A1 - Ladesystem zum Laden eines Energiespeichers in einem Fahrzeug und Verfahren zur Vorbereitung eines Ladebetriebs eines Energiespeichers in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102010002154A1
Application number: DE102010002154A
Authority: DE
Inventors: Roland 71706 Norden; Jochen 75365 Fassnacht; Philipp 71636 Morrison
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-08-25
Also published as: WO2011101198A2; WO2011101198A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum Laden eines Energiespeichers (8), insbesondere einer Traktionsbatterie, in einem Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine (1; 1') mit mindestens zwei magnetisch gekoppelten Statorwicklungen (6) zum Antrieb des Fahrzeuges, dem Energiespeicher (8) zur Energieversorgung der elektrischen Maschine (1; 1'), einem Bordnetz, über welches die elektrische Maschine (1; 1') und der Energiespeicher (8) elektrisch verbunden sind und mit einem Anschlusselement (9; 9'), über welches das Bordnetz zum Laden des Energiespeichers (8) mit einem externen Energieversorgungsnetz verbindbar ist. Zum Laden des Energiespeichers (8) ist die elektrische Maschine (1; 1') mit dem Anschlusselement (9; 9')) verbunden und die Statorwicklungen (6) der elektri schen Maschine (1; 1') sind derart verschaltet, dass die elektrische Maschine (1; 1') als Transformator zur galvanischen Trennung des externen Energieversorgungsnetzes von dem Bordnetz wirkt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Vorbereitung eines Ladebetriebs eines Energiespeichers (8) in einem Fahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum Laden eines Energiespeichers in einem Fahrzeug und Verfahren zur Vorbereitung eines Ladebetriebs eines Energiespeichers in einem Fahrzeug.
Stand der Technik
Seit längerem sind Fahrzeuge (Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybridfahrzeuge) bekannt, die zumindest teilweise elektrisch angetrieben werden und Energiespeicher in Form von Traktionsbatterien aufweisen, die über ein fahrzeug-externes Energieversorgungssystem, insbesondere das öffentliche Stromnetz, aufladbar sind. Dazu wird im einfachsten Fall das Bordnetz des Fahrzeuges über ein Ladekabel je nach Auslegung der elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeuges mit einer einphasigen oder dreiphasigen Steckdose des öffentlichen Stromnetzes verbunden. Um das Laden an jeder geeigneten Steckdose des öffentlichen Stromnetzes zu ermöglichen, sind in den Fahrzeugen Ladegeräte, sogenannte On-Board-Ladegeräte, vorgesehen, welche in der Regel auch einen Trenntransformator zur galvanischen Trennung des Bordnetzes des Fahrzeuges von dem externen Stromnetz im Ladebetrieb umfassen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Ladesystem zum Laden eines Energiespeichers, insbesondere einer Traktionsbatterie, in einem Fahrzeug mit

– einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Drehstrommaschine, mit mindestens zwei magnetisch gekoppelten Statorwicklungen zum Antrieb des Fahrzeuges,
– dem Energiespeicher zur Energieversorgung der elektrischen Maschine,
– einem Bordnetz, über welches die elektrische Maschine und der Energiespeicher elektrisch verbunden sind und
– einem Anschlusselement, über welches zum Laden des Energiespeichers das Bordnetz mit einem externen Energieversorgungsnetz, insbesondere einem öffentlichen Stromnetz, verbindbar ist,

Die vorliegende Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers, insbesondere einer Traktionsbatterie, in einem Fahrzeug, welches über eine elektrische Maschine, insbesondere eine Drehstrommaschine, mit mindestens zwei magnetisch gekoppelten Statorwicklungen antreibbar ist, wobei die elektrische Maschine über ein Bordnetz mit dem Energiespeicher verbunden ist und aus dem Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird. Erfindungsgemäß wird die elektrische Maschine zur Vorbereitung eines Ladebetriebs mit einer fahrzeugseitigen Anschlusseinheit verbunden, über welche das Bordnetz zum Laden des Energiespeichers mit einem externen Energieversorgungsnetz, insbesondere einem öffentlichen Stromnetz, verbindbar ist. Außerdem werden die Statorwicklungen der elektrischen Maschine derart verschaltet, dass die elektrische Maschine im Ladebetrieb als Transformator zur galvanischen Trennung des externen Energieversorgungsnetzes von dem Bordnetz wirkt.
Die galvanische Trennung des Fahrzeug-Bordnetzes vom externen Energieversorgungsnetz hat grundsätzlich den Vorteil, dass Fehlauslösungen von RCD-Schutzschaltern und ein gefährliches Nichtauslösen desselben aufgrund eines Gleichstromfehlerstroms vermieden werden. Bedingt durch die taktende Arbeitsweise der Leistungshalbleiter innerhalb der Leistungselektronik, welche das Bindeglied zwischen der Traktionsbatterie und der elektrischen Maschine darstellt, kommt es zu kapazitiven Ableitströmen, welche in einem potentialverbundenen Ladebetrieb zu einem erhöhten Risiko an Fehlauslösungen führen. Auch der für den Betrieb eines RCD-Schutzschalters vom Typ A oder AC geforderte hohe Isolationswiderstand für Gleichströme kann durch die galvanische Trennung sicher erreicht werden. Da das Ladegerät an beliebiger Steckdose funktionieren muss und somit durchaus kein RCD oder ein RCD Typ A oder AC vorgeschaltet sein kann, stellt die galvanische Trennung eine sichere immer funktionierende Lösung dar.
Die grundlegende erfinderische Idee besteht in der Doppelnutzung der elektrischen Maschine als Antriebsaggregat einerseits und als Trenntransformator im Ladebetrieb andererseits. Dadurch kann auf einen zusätzlichen separaten Trenntransformator an Bord des Fahrzeuges verzichtet werden, was zu erheblichen Einsparungen bei Kosten, Gewicht und Bauraum führt.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann die elektrische Maschine über einen Wechselrichter oder auch über einen Gleichrichter und einen nachgeschalteten Hochtiefsetzsteller mit dem Energiespeicher verbunden sein.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass Statorwicklungen der elektrischen Maschine, welche in einem Motorbetrieb parallel geschaltet sind, im Ladebetrieb zumindest teilweise in Reihe geschaltet sind. Auf diese Weise kann die Impedanz der Statorwicklungen erhöht und damit der Stromfluss begrenzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Rotor der elektrischen Maschine während des Ladebetriebs blockiert, so dass der Ladestrom nicht zu einer Bewegung des Fahrzeuges führen kann. Vorteilhaft wird der Rotor in einer vorgegebenen Relativposition zu einem Stator der elektrischen Maschine blockiert, insbesondere ”Pol auf Pol”, so dass eine möglichst gute magnetische Kopplung zwischen primärer und sekundärer Seite des Transformators gewährleistet ist. Dieses Blockieren kann beispielsweise mit Hilfe eines Sperrbolzens und/oder einer Reibkupplung erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Sperrbolzen zusätzlich zur Verhinderung eines Wegrollens des Fahrzeuges, z. B. im Parkbetrieb, verwendet.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Verschaltung einer dreiphasigen elektrischen Maschine bei Einsatz als Antriebsaggregat (Fahrbetrieb),
2 eine schematische Darstellung der Verschaltung der elektrischen Maschine gemäß 1 bei Einsatz als Trenntransformator (Ladebetrieb) und
3 eine schematische Darstellung der Verschaltung einer einphasigen elektrischen Maschine bei Einsatz als Trenntransformator (Ladebetrieb).
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren sind identische oder funktionsgleiche Komponenten jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 1 mit einer Verschaltung, wie sie erfindungsgemäß im Motor- oder Fahrbetrieb eingesetzt wird. An die elektrische Maschine 1 ist ein Wechselrichter in Form eines Pulswechselrichters 2 angeschlossen. Der Pulswechselrichter 2 umfasst mehrere Leistungsbauelemente – häufig auch als Leistungshalbleiter bezeichnet – in Form von Leistungsschaltelementen 3a–3f, welche mit einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 verbunden sind und die Phasen U, V, W entweder gegen ein hohes Bezugspotential T+ oder ein niedriges Bezugspotential T– schalten. Die mit dem hohen Bezugspotential T+ verbundenen Leistungsschaltelemente 3a–3c werden dabei auch als ”High-Side-Schalter” und die mit dem niedrigen Bezugspotential T– verbunden Leistungsschaltelemente 3d–3f als ”Low-Side-Schalter” bezeichnet. Der Pulswechselrichter 2 umfasst ferner weitere Leistungsbauelemente in Form von Freilaufdioden 4a–4f, die im dargestellten Ausführungsbeispiel in Form einer sechspulsigen Gleichrichter-Brückenschaltung angeordnet sind. Dabei ist jeweils eine Diode 4a–4f parallel zu einem der Leistungsschaltelemente 3a–3f angeordnet. Die Leistungsschaltelemente können beispielsweise als IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) ausgeführt sein. Der Pulswechselrichter 2 bestimmt Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 1 und wird von einem nicht dargestelltem Steuergerät entsprechend angesteuert.
Die elektrische Maschine 1 dient als Antriebsaggregat des Fahrzeuges und ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als dreiphasige Drehstrommaschine in Form einer Asynchron- oder Synchronmaschine mit einer Polpaarzahl von 4 ausgeführt. Dementsprechend weist ein Stator 5 zwölf Statorwicklungen 6 auf, die in bekannter Weise in Sternschaltung miteinander verschaltet sind. Ebenso könnten die Statorwicklungen 6 aber auch in Dreieckschaltung verschaltet sein. Schematisch ist auch ein Rotor 7 der elektrischen Maschine angedeutet.
Zur Energieversorgung der elektrischen Maschine 1 ist ein Energiespeicher 8, hier in Form einer Batterie, vorgesehen. Der Energiespeicher 8 ist über ein fahrzeuginternes Energieversorgungsnetz – häufig als Bordnetz bezeichnet mit der elektrischen Maschine 1 sowie mit weiteren nicht dargestellten Fahrzeugkomponenten verbunden. Der Energiespeicher 8 kann dabei als Hochvoltbatterie und das Energieversorgungsnetz zum Beispiel als Hochvolt-Traktionsnetz in einem Hybridfahrzeug ausgeführt sein. Ist das Fahrzeug als Hybridfahrzeug ausgeführt, kann die elektrische Maschine 1 wahlweise auch im Generatorbetrieb betrieben werden, wobei mechanische Energie in elektrische Energie gewandelt und in dem Energiespeicher 8 gespeichert wird.
Parallel zum Pulswechselrichter 2 ist ein so genannter Zwischenkreis-Kondensator C angeordnet, der im Wesentlichen zur Stabilisierung der Batteriespannung dient.
2 zeigt die elektrische Maschine 1 gemäß 1 mit einer Verschaltung, welche zur Vorbereitung eines Ladebetriebs des Energiespeichers 8 vorgenommen wird, um die elektrische Maschine als Trenntransformator nutzen zu können. Dabei werden primärseitig jeweils zwei in Reihe geschaltete Statorwicklungen einerseits mit einem der Phasenanschlüsse L1 bis L3 und andererseits mit einem Neutralleiteranschluss N eines Anschlusselementes 9 verbunden, welches zum Beispiel als fahrzeugseitige Steckdose ausgeführt sein kann. Über das Anschlusselement 9 lässt sich das Bordnetz zum Laden des Energiespeichers 9 z. B. über ein nicht dargestelltes Ladekabel mit einem nicht dargestellten fahrzeugexternen Energieversorgungsnetz, wie z. B. dem öffentlichen Stromnetz, verbinden. Sekundärseitig, also wechselrichterseitig, werden die Statorwicklungen 6, wie in 2 dargestellt, entsprechend der Primärseite verschaltet. Durch das ”In-Reihe-Schalten” von im Motorbetrieb ursprünglich parallel geschalteten Statorwicklungen, wird die Impedanz im Ladebetrieb erhöht und damit der Netzstrom begrenzt. Im Falle der dargestellten 8-poligen Maschine wird eine Vervierfachung der Impedanz erreicht. Bei höheren Polpaarzahlen kann auf diese Weise die Impedanz entsprechend weiter erhöht werden.
Im Ladebetrieb ist somit die elektrische Maschine 1 zusammen mit dem Pulswechselrichter 2 zwischen das externe Energieversorgungsnetz und den aufzuladenden Energiespeicher 8 geschaltet und bilden insofern gemeinsam ein On-Board-Ladegerät für den Energiespeicher 8.
Neben der in 2 dargestellten Verschaltung sind in Abhängigkeit von der Polpaarzahl auch weitere Verschaltungen denkbar, so ist es zum Beispiel auch denkbar, die netzseitig und wechselrichterseitig angeschlossenen Polpaare abwechselnd zu verschalten. Für die Anwendbarkeit der Erfindung ist letztendlich lediglich entscheidend, dass die Statorwicklungen der elektrischen Maschine für den Ladebetrieb zumindest teilweise derart verschaltet sind, dass die elektrische Maschine als Transformator mit einer Primärseite und einer dazu magnetisch gekoppelten Sekundärseite wirkt. Insofern ist es erforderlich, dass die originär als Antriebsaggregat eingesetzte elektrische Maschine zumindest zwei magnetisch gekoppelte Statorwicklungen aufweist.
Eine alternative Ausführungsform einer elektrischen Maschine ist in 3 dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der anhand der 1 und 2 erläuterten Ausführungsform einerseits dadurch, dass anstelle einer dreiphasigen elektrischen Maschine 1 eine einphasige elektrische Maschine 1' eingesetzt wird und andererseits dadurch, dass anstelle des Wechselrichters 2 ein Gleichrichter 11 mit einem in Richtung des Energiespeichers 8 nachgeschalteten kombinierten Hochtiefsetzsteller 12 vorgesehen ist. Der Gleichrichter 11 umfasst dabei vier Dioden 13a–13d, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel in Form einer zweipulsigen Gleichrichter-Brückenschaltung angeordnet sind.
Der kombinierte Hochtiefsetzsteller 12 umfasst einen ersten Schaltungszweig mit einer Reihenschaltung aus einem ersten Schaltelement 14a und einer ersten Diode 15a. Ein zweiter, parallel dazu geschalteter Schaltungszweig weist eine Reihenschaltung aus einem zweiten Schaltelement 14b und einer zweiten Diode 15b auf. Zwischen dem Schaltelement 14a, 14b und der Diode 15a, 15b ist jeweils ein Mittelabgriff vorgesehen, an welche eine Induktivität 16 angeschlossen ist. Der Zwischenkreiskondensator C und der Energiespeicher 8 sind dabei jeweils parallel zum zweiten Schaltelement 14b geschaltet.
3 zeigt die elektrische Maschine 1' – analog 2 für Maschine 1 – mit einer Verschaltung, welche zur Vorbereitung eines Ladebetriebs des Energiespeichers 8 vorgenommen wird, um die elektrische Maschine als Trenntransformator nutzen zu können. Die Hälfte der Statorwicklungen, im dargestellten Ausführungsbeispiel also sechs, werden primärseitig in Reihe geschaltet und einerseits mit einem Phasenanschluss L1' und andererseits mit einem Neutralleiteranschluss N' eines Anschlusselementes 9' verbunden. Über das Anschlusselement 9' lässt ich das Bordnetz zum Laden des Energiespeichers 8 mit dem wiederum nicht dargestellten fahrzeugexternen Energieversorgungsnetz verbinden. Sekundärseitig werden die mit dem Gleichrichter 11 verbundenen übrigen Statorwicklungen 6 ebenfalls in Reihe geschaltet. Durch geeignete Ansteuerung des Hochtiefsetzstellers 12 kann eine Blindleistungskompensation realisiert werden, welche zu dem hohen erforderlichen Innenwiderstand beitragen kann.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine 1' im Ladebetrieb zusammen mit dem Gleichrichter 11 und dem Hochtiefsetzsteller 12 zwischen das externe Energieversorgungsnetz und den aufzuladenden Energiespeicher 8 geschaltet, so dass die elektrische Maschine 1', der Gleichrichter 11 und der Hochtiefsetzsteller 12 gemeinsam das On-Board-Ladegerät für den Energiespeicher 8 bilden.
Währens des Ladebetriebs, also während des Betriebes der elektrischen Maschine als Transformator, ist es vorteilhaft, den Rotor der elektrischen Maschine zu blockieren, um ein Anfahren des Fahrzeuges sicher zu vermeiden. Vorteilhaft wird der Rotor dabei in einer vorgegebenen Relativposition zum Stator der elektrischen Maschine blockiert, so dass beispielsweise eine optimale magnetische Kopplung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite erreicht wird.
Das Blockieren des Rotors kann dabei auf vielfältige Weise realisiert werden. So sind beispielsweise ein oder mehrere Sperrbolzen denkbar, mit dessen/deren Hilfe der Rotor in der vorgegebenen oder gewünschten Lage arretiert wird. Der Bolzen kann dabei z. B. elektromotorisch angesteuert werden. Eine Spitze des Bolzens sowie eine korrespondierende Führungsöffnung im Rotor sind dabei vorzugsweise so ausgeführt, dass sich die gewünschte Lage beim Einführen des Bolzens in die Führungsöffnung automatisch einstellt. Vorteilhaft kann ein derartiger Sperrbolzen auch zur Verhinderung eines Wegrollens des Fahrzeuges, z. B. im Parkbetrieb, genutzt werden.
Alternativ dazu kann das Blockieren des Rotors auch mit Hilfe einer Reibkupplung bewerkstelligt werden. Dabei wird der Rotor mittels einer Bremsvorrichtung festgestellt und damit blockiert, sobald er die gewünschte Position erreicht hat.

Claims

Ladesystem zum Laden eines Energiespeichers (8), insbesondere einer Traktionsbatterie, in einem Fahrzeug mit – einer elektrischen Maschine (1; 1'), insbesondere einer Drehstrommaschine, mit mindestens zwei magnetisch gekoppelten Statorwicklungen (6) zum Antrieb des Fahrzeuges, – dem Energiespeicher (8) zur Energieversorgung der elektrischen Maschine (1; 1'), – einem Bordnetz, über welches die elektrische Maschine (1; 1') und der Energiespeicher (8) elektrisch verbunden sind und – einem Anschlusselement (9; 9'), über welches zum Laden des Energiespeichers (8) das Bordnetz mit einem externen Energieversorgungsnetz, insbesondere einem öffentlichen Stromnetz, verbindbar ist, wobei zum Laden des Energiespeichers (8) die elektrische Maschine (1; 1') mit dem Anschlusselement (9; 9')) verbunden ist und die Statorwicklungen (6) der elektrischen Maschine (1; 1') derart verschaltet sind, dass die elektrische Maschine (1; 1') als Transformator zur galvanischen Trennung des externen Energieversorgungsnetzes von dem Bordnetz wirkt.
Ladesystem nach Anspruch 1, wobei die elektrische Maschine (1) über einen Wechselrichter (2) mit dem Energiespeicher (8) verbunden ist.
Ladesystem nach Anspruch 1, wobei die elektrische Maschine (1') über einen Gleichrichter (11) und einen nachgeschalteten Hochtiefsetzsteller (12) mit dem Energiespeicher (8) verbunden ist.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Statorwicklungen (6) der elektrischen Maschine, welche in einem Motorbetrieb parallel geschaltet sind, im Ladebetrieb zumindest teilweise in Reihe geschaltet sind.
Ladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Rotor (7) der elektrischen Maschine (1; 1') während des Ladebetriebs blockiert ist, insbesondere in einer vorgegebenen Relativposition zu einem Stator (5) der elektrischen Maschine (1; 1').
Ladesystem nach Anspruch 5, wobei der Rotor (7) mit Hilfe eines Sperrbolzens und/oder einer Reibkupplung blockierbar ist.
Ladesystem nach Anspruch 6, wobei der Sperrbolzen zusätzlich zur Verhinderung eines Wegrollens des Fahrzeuges, insbesondere im Parkbetrieb, verwendbar ist.
Verfahren zur Vorbereitung eines Ladebetriebs eines Energiespeichers (8), insbesondere einer Traktionsbatterie, in einem Fahrzeug, welches über eine elektrische Maschine (1; 1'), insbesondere eine Drehstrommaschine, mit mindestens zwei magnetisch gekoppelten Statorwicklungen (6) antreibbar ist, wobei die elektrische Maschine (1; 1') über ein Bordnetz mit dem Energiespeicher (8) verbunden ist und aus dem Energiespeicher (8) mit elektrischer Energie versorgt wird, bei dem – die elektrische Maschine (1; 1') mit einer Anschlusseinheit (9; 9') verbunden wird, über welche das Bordnetz zum Laden des Energiespeichers (8) mit einem externen Energieversorgungsnetz, insbesondere einem öffentlichen Stromnetz, verbindbar ist, und – die Statorwicklungen (6) der elektrischen Maschine (1; 1') derart verschaltet werden, dass die elektrische Maschine (1; 1') im Ladebetrieb als Transformator zur galvanischen Trennung des externen Energieversorgungsnetzes von dem Bordnetz wirkt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Statorwicklungen (6) der elektrischen Maschine (1; 1'), welche in einem Motorbetrieb parallel geschaltet sind, zumindest teilweise in Reihe geschaltet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei ein Rotor (7) der elektrischen Maschine (1; 1') blockiert wird.