DE102010010058A1 - Wiring system for vehicle, has energy storage, electric motor-generator-unit for alternating current and battery-charging unit made of external alternating current network for charging energy storage - Google Patents

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Abstract

The wiring system has energy storage (2), an electric motor-generator-unit (4) for alternating current (8) and a battery-charging unit made of an external alternating current network for charging the energy storage. The battery-charging unit has an alternating current-direct current-converter (3), and a direct current-alternating current converter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Fahrzeug und insbesondere ein Bordnetz, das eine Ladeeinheit zum Laden eines Energiespeichers aufweist.The invention relates to a vehicle electrical system for a vehicle and in particular to a vehicle electrical system which has a charging unit for charging an energy store.

Als Elektrofahrzeuge werden Fahrzeuge bezeichnet, die durch elektrische Energie angetrieben werden. Darunter fallen im Folgenden reine Elektrofahrzeuge, aber auch solche, die Kombinationen mit einer Verbrennungskraftmaschine oder einer Brennstoffzelle aufweisen. Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt. Eine Energieentnahme aus der Brennstoffzelle oder dem Energiespeicher dient allgemein zur Bereitstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes.Electric vehicles are vehicles that are powered by electrical energy. These include in the following pure electric vehicles, but also those that have combinations with an internal combustion engine or a fuel cell. In a pure electric vehicle, the drive power is provided solely by an electric machine. An energy extraction from the fuel cell or the energy storage is generally used to provide drive power and to supply the vehicle electrical system.

Die Aufladung des Speichers erfolgt durch Zufuhr von elektrischer Energie über ein Batterieladeeinheit oder einen Generator. Bei Verwendung eines Generators wird durch regeneratives Bremsen oder den Verbrennungsmotor bereitgestellte kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Dieser Vorgang kann auch während des Fahrbetriebs ausgeführt werden, bei Elektrofahrzeugen mit Hilfe einer im Fahrzeug eingebauten Batterieladeeinheit („On Board”) oder in Form eines externen Beistellladegerätes („Off Board”).The charging of the memory takes place by supplying electrical energy via a battery charger or a generator. When using a generator, kinetic energy provided by regenerative braking or the engine is converted into electrical energy. This process can also be carried out while driving, in electric vehicles with the aid of an onboard battery charger or in the form of an external off-board charger.

Aufgrund der kompakten Baugröße, des verhältnismäßig geringen Gewichts und des sehr guten Wirkungsgrades werden als On-Board-Batterie-Ladeeinheit im Wesentlichen primär getaktete Hochfrequenz-Ladeeinheiten eingesetzt. Dabei erfordern solche primär getakteten Hochfrequenz-Ladeeinheiten einigen schaltungstechnischen Aufwand, der sich auch im Gewicht und im Raumbedarf solcher Ladeeinheiten niederschlägt. Daneben sind noch Komponenten zur Versorgung des Antriebssystems (Elektromotors) oder zur Rückspeisung von Energie in die Batterie durch Rekuperation (Nutzbremsung) in Elektro- oder Plug-In-Hybrid-Fahrzeugen vorgesehen, die wie die On-Board-Ladeeinheit Teil der Leistungselektronik des Fahrzeugs sind.Due to the compact size, the relatively low weight and the very good efficiency are used as on-board battery charging unit essentially primarily clocked high-frequency charging units. In this case, such primary-clocked high-frequency charging units require some circuit complexity, which is also reflected in the weight and space requirements of such charging units. In addition, components for supplying the drive system (electric motor) or for feeding back energy into the battery by recuperation (regenerative braking) in electric or plug-in hybrid vehicles are provided, which like the on-board charging unit part of the power electronics of the vehicle are.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Umfang, Kosten und Platzbedarf der Leistungselektronik des Fahrzeugs zu verringern.Object of the present invention is to reduce the scope, cost and space requirements of the power electronics of the vehicle.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.The object is achieved by an arrangement according to claim 1. refinements and developments of the inventive concept are the subject of dependent claims.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch eine in ein Bordnetz eines Fahrzeugs integrierte Batterie-Ladeeinheit, die durch entsprechende jeweilige Verschaltung auch zur Versorgung eines Elektromotors des Fahrzeugs, zur Rückspeisung von Energie in einen Energiespeicher des Fahrzeugs (Rekuperation) und zum Laden des Energiespeichers aus einem externen Wechselstromnetz verwendet wird.The object is achieved in particular by a battery charging unit integrated into an electrical system of a vehicle, which also supplies an electric motor of the vehicle for the purpose of supplying energy to an energy storage device of the vehicle (recuperation) and for charging the energy storage device from an external one AC mains is used.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the figures of the drawings, wherein like elements are provided with the same reference numerals. It shows:

1 eine Anordnung zur Rückführung elektrischer Energie; 1 an arrangement for recycling electrical energy;

2 das Funktionsprinzip einer primär getakteten Hochfrequenz-Ladeeinheit; 2 the operating principle of a primary clocked high-frequency charging unit;

3 in einem Blockschaltbild beispielhaft die Verschaltung der Batterie-Ladeeinheit nach 2 zum Laden einer Batterie durch eine als Generator betriebene Motor-Generator-Einheit; 3 in a block diagram by way of example the interconnection of the battery charging unit 2 for charging a battery by a motor-generator unit operated as a generator;

4 in einem Blockschaltbild beispielhaft die Verschaltung der Batterie-Ladeeinheit nach 2 zum Laden einer Batterie aus einem externen Wechselstromnetz; 4 in a block diagram by way of example the interconnection of the battery charging unit 2 for charging a battery from an external AC mains;

5 in einem Blockschaltbild beispielhaft die Verschaltung der Batterie-Ladeeinheit nach 2 zum Betreiben einer Motor-Generator-Einheit als von der Batterie gespeister Motor; 5 in a block diagram by way of example the interconnection of the battery charging unit 2 for operating a motor-generator unit as a motor powered by the battery;

6 in einem Diagramm den Energiefluss bei der Speisung einer Motor-Generator-Einheit aus einer Batterie; und 6 a diagram of the energy flow in the supply of a motor-generator unit from a battery; and

7 in einem Diagramm den Energiefluss bei der Rückspeisung gewandelter Bremsenergie eines Fahrzeugs in die Batterie. 7 in a diagram, the energy flow in the recovery of converted braking energy of a vehicle in the battery.

Als Energiespeicher für Elektrofahrzeuganwendungen lassen sich verschiedene Akkumulatoren- bzw. Batterietypen wie beispielsweise Bleibatterien, Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Zink- oder Lithium-Ionen-Zellen nutzen. Die bei einem Ladevorgang zugeführte elektrische Energie wird verwendet, um den Ladezustand (SOC) des Akkumulators zu erhöhen. Alle Akkumulatoren beziehungsweise Batterien werden bei angepasster Spannungslage mit speziellen Kennlinien geladen, wobei der Ladevorgang mit Gleichstrom durchgeführt wird.As an energy storage for electric vehicle applications, various types of batteries or batteries such as lead acid batteries, nickel-metal hydride, nickel-zinc or lithium-ion cells can be used. The electrical energy supplied during a charging process is used to increase the state of charge (SOC) of the accumulator. All accumulators or batteries are charged at an adapted voltage level with special characteristics, the charging process is carried out with direct current.

1 zeigt eine Anordnung zur Rückführung unter bestimmten Betriebsbedingungen des Fahrzeugs erzeugter elektrischer Energie in einen Energiespeicher. Das Fahrzeug 1 weist einen Energiespeicher 2, einen Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer 3, eine Motor-Generator-Einheit 4, Antriebsräder 5 und ein Reduktionsgetriebe 6 auf. Die Rückführung von elektrischer Energie in den Energiespeicher 2 erfolgt dabei durch Umwandlung von mechanischer Energie der Antriebsräder 5. Dazu ist die Motor-Generator-Einheit 4 über das Reduktionsgetriebe 6 mit der Achse und damit den Antriebsrädern 5 des Fahrzeugs 1 verbunden. Die mechanische Energie 33 an den Antriebsrädern 5 wird durch die Motor-Generator-Einheit 4 in elektrische Energie gewandelt, die in Form von Wechselstrom 8 vorliegt. 1 shows an arrangement for returning under certain operating conditions of the vehicle generated electrical energy in an energy storage. The vehicle 1 has an energy storage 2 , an AC-DC converter 3 , a motor-generator unit 4 , Drive wheels 5 and a reduction gear 6 on. The return of electrical energy in the energy storage 2 takes place by converting mechanical energy of the drive wheels 5 , This is the motor-generator unit 4 over the reduction gear 6 with the axle and thus the drive wheels 5 of the vehicle 1 connected. The mechanical energy 33 on the drive wheels 5 is through the motor-generator unit 4 converted into electrical energy, in the form of alternating current 8th is present.

Dieser Wechselstrom 8 wird durch den Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer 3 in Gleichstrom 9 gewandelt, der dem Energiespeicher 2 zugeführt wird. Dabei kann die mechanische Energie 33 an den Antriebsrädern 5 von einem Verbrennungsmotor herrühren oder aber von der Bremsenergie (Rekuperation) beim Abbremsen des Fahrzeugs. Um beispielsweise bei einem reinen Elektrofahrzeug mechanische Energie an den Antriebsrädern 5 bereitzustellen, wird der Energiefluss umgekehrt (Pfeile 9, 8, 33 umgekehrt wie in 1 gezeigt). Elektrische Energie aus dem Energiespeicher 1 wird als Gleichstrom einem Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer zugeführt, der diesen in einen Wechselstrom wandelt und damit den Motor-Generator-Einheit 4 speist. Dieser wiederum gibt die dadurch erzeugte mechanische Energie über das Reduktionsgetriebe 6 an die Antriebsräder 5 ab.This alternating current 8th is through the AC-DC converter 3 in direct current 9 converted, the energy storage 2 is supplied. This can be the mechanical energy 33 on the drive wheels 5 from an internal combustion engine or from the braking energy (recuperation) when braking the vehicle. For example, in a pure electric vehicle mechanical energy to the drive wheels 5 to provide the energy flow is reversed (arrows 9 . 8th . 33 vice versa as in 1 shown). Electrical energy from the energy storage 1 is supplied as a DC to a DC-AC converter, which converts it into an AC and thus the motor-generator unit 4 fed. This in turn gives the mechanical energy generated thereby via the reduction gear 6 to the drive wheels 5 from.

Aufgrund der notwendigen Spannungsanpassung und Isolation weisen die dabei eingesetzten Batterie-Ladeeinheiten in der Regel einen Transformator auf, der die Netzspannung in Abhängigkeit vom Batterietyp und von der Anzahl der Zellen auf ein entsprechendes Ladespannungsniveau transformiert. Anschließend wird die Wechselspannung gleichgerichtet und geglättet. Die einfachsten Batterie-Ladeeinheiten arbeiten dabei mit herkömmlichen, für 50 Hz Netzfrequenz ausgelegten Transformatoren und sind einfach in ihrer Ausführung und dementsprechend sehr kostengünstig. Sie werden hauptsächlich mit ungeregelten Ladekurven, so genannten W- oder Wa-Ladekennlinien angeboten. Da sich der Ladestrom in Abhängigkeit von der Akkumulatorspannung einstellt und die Akkumulatorspannung mit zunehmender Ladezeit ansteigt, kommt es zu einem Rückgang des Ladestroms mit zunehmendem Ladezustand des Akkumulators.Due to the necessary voltage adaptation and insulation, the battery charging units used in this case usually have a transformer which transforms the mains voltage depending on the type of battery and the number of cells to a corresponding charging voltage level. Then the AC voltage is rectified and smoothed. The simplest battery charging units work with conventional, designed for 50 Hz power frequency transformers and are simple in their design and therefore very cost-effective. They are mainly offered with unregulated charging curves, so-called W or Wa charging characteristics. Since the charging current adjusts as a function of the accumulator voltage and the accumulator voltage increases with increasing charging time, the charging current decreases as the state of charge of the accumulator increases.

Dabei beeinflussen allerdings Netzspannungsschwankungen aufgrund der fehlenden Regelung der Ausgangsspannung den Verlauf der Ladekurve sehr stark. Ist beim Laden die Netzspannung zu niedrig, wird der Akkumulator nicht vollständig geladen. Es kann jedoch im umgekehrten Fall bei erhöhter Ladespannung auch zu einer sehr hohen Ladespannung am Akkumulator kommen, was zu einer Überladung und Schädigung des Akkumulators führen kann. Neben dem sehr hohen Gewicht derartiger Batterie-Ladeeinheiten (50-Hz-Batterie-Ladeeinheiten) ist auch der Ladewirkungsgrad verhältnismäßig gering (< 80%) und die Wärmeverluste sind entsprechend hoch.However, mains voltage fluctuations due to the lack of control of the output voltage affect the course of the charging curve very strong. If the mains voltage is too low during charging, the accumulator will not be fully charged. However, in the reverse case with increased charging voltage can also come to a very high charging voltage to the accumulator, which can lead to overcharging and damage to the battery. In addition to the very high weight of such battery charging units (50 Hz battery charging units), the charging efficiency is relatively low (<80%) and the heat losses are correspondingly high.

Aufgrund des Gewichts, der Größe und des geringen Wirkungsgrades werden diese „50 Hz”-Ladgeräte in der Automobilindustrie insbesondere bei der On-Board-Technik kaum verwendet, sondern finden hauptsächlich ihren Einsatz in der Lagertechnik bevorzugt bei Blei-Säure-Batterien. Auch die mögliche Ladecharakteristik schränkt die universelle Verwendung der Ladetechnik für verschieden Akkumulatorentypen stark ein. Eine bessere Abstimmung auf die unterschiedlichen Akkumulatorentypen ermöglichen geregelte lineare Batterie-Ladeeinheiten. Diese weisen ebenfalls einen großen Transformator auf, der die Netzspannung in Ladespannung umwandelt.Due to their weight, size and low efficiency, these "50 Hz" chargers are rarely used in the automotive industry, especially in on-board technology, but are mainly used in bearing technology, preferably in lead-acid batteries. Also, the possible charging characteristics severely limits the universal use of charging technology for different battery types. A better match to the different types of accumulators allow controlled linear battery charging units. These also have a large transformer, which converts the mains voltage into charging voltage.

Die Steuerung der Ladespannung erfolgt über einen Regler, der einen Gleichrichter steuert. Die einfachste Überwachung des Ladevorgangs erfolgt durch Abschalten/oder Umschaltung der eingestellten Spannung. Durch die Regelung ist diese Batterie-Ladeeinheit wesentlich weniger von Schwankungen der Netzspannung abhängig. Aber auch hier besteht ein wesentlicher Nachteil darin, dass eine solche Batterie-Ladeeinheit ein großes Volumen und ein hohes Gewicht aufweist, so dass auch diese Technologie nur bedingt für den On-Board Einsatz geeignet ist, insbesondere bei großen Ladeleistungen. Zusätzlich verbleiben die Nachteile des geringen Wirkungsgrades und der notwendigen Blindleistungskompensation.The control of the charging voltage via a controller that controls a rectifier. The easiest way to monitor the charging process is by switching off / or switching over the set voltage. By regulating this battery charging unit is much less dependent on fluctuations in the mains voltage. But even here there is a significant disadvantage is that such a battery charging unit has a large volume and high weight, so that this technology is only partially suitable for on-board use, especially for large charging power. In addition, the disadvantages of the low efficiency and the necessary reactive power compensation remain.

Eine Lösung für die oben beschriebenen Probleme bietet der Einsatz primär getakteter Batterie-Ladeeinheiten. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass sich mit hohen Frequenzen höhere Leistungen übertragen lassen und/oder der Transformator (als die Komponente mit dem höchsten Volumen und Gewicht) bei gleicher übertragener Leistung wesentlich kleiner ausführbar ist. Der lineare Transformator wird durch einen Gleichrichter und einen elektronischen Schalter (z. B. durch eine Schalter-Brücke) ersetzt, die die Wechselspannung mit geringer Frequenz (50 Hz) vom Netz in eine Wechselspannung mit einer deutlich höheren Frequenz (üblich sind 20 kHz–200 kHz) umwandeln. Ein Hochfrequenztransformator (z. B. im KFZ-Bereich) mit wesentlich kleineren Abmessungen gegenüber dem 50-Hz-Modell wandelt die hochfrequente Wechselspannung auf das geforderte Ladespannungsniveau um. Anschließend erfolgt der gewohnte Gleichrichtvorgang mit anschließender Siebung über einen Ausgleichskondensator. Aufgrund der Umwandlung der Spannung von Netzfrequenz auf wesentlich höhere Frequenzen wird diese Ladetechnologie auch als HF-Technologie (HF = Hochfrequenz) bezeichnet. Der bei dieser Ladetechnologie eingesetzte Transformator ist wesentlich effizienter und entwickelt weniger Verlustwärme. Daher können Hochfrequenz-Ladeeinheiten auch wesentlich kleiner und mit geringerem Gewicht bei dennoch hohem Wirkungsgrad von bis zu 93% hergestellt werden.One solution to the problems described above is to use primary clocked battery charging units. In this case, the effect is exploited that higher powers can be transmitted at high frequencies and / or the transformer (as the component with the highest volume and weight) with the same transmitted power is much smaller executable. The linear transformer is replaced by a rectifier and an electronic switch (eg by a switch bridge) which converts the low frequency (50 Hz) alternating voltage from the mains into an alternating voltage at a much higher frequency (20 kHz 200 kHz). A high-frequency transformer (eg in the automotive sector) with much smaller dimensions compared to the 50 Hz model converts the high-frequency AC voltage to the required charging voltage level. Subsequently, the usual rectification process with subsequent screening via a balancing capacitor. Due to the conversion of the voltage from mains frequency to much higher frequencies, this charging technology is also referred to as HF technology (HF = high frequency). The transformer used in this charging technology is much more efficient and develops less heat loss. Therefore High-frequency charging units can also be made much smaller and lighter in weight yet high efficiency of up to 93%.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer primär getakteten Hochfrequenz-Ladeeinheit 26 mit einem Filter 10, einem dieser nachgeschalteten Gleichrichter 11, einem diesem nachgeschalteten Leistungsfaktorkorrekturfilter 12, diesem nachgeschalteten Glättungseinheiten 13, 17 und 19, nachfolgend einem elektronischen Hochfrequenzschalter 14, nachfolgend einem Hochfrequenztransformator 15, nachfolgend einem Ladeschalter 18 und schließlich einer Steuereinheit 20. Als Hochfrequenz werden im Weitern Frequenzen über 20 kHz angesehen. Das Funktionsprinzip einer solchen primär getakteten Batterie-Ladeeinheit beruht dabei auf einer Wandlung in zwei Stufen. Die Wechselspannung (Netzspannung) mit 50 Hz wird mit Hilfe des Gleichrichters 11 gleichgerichtet und der Glättungseinheit 13 geglättet, so dass an dieser Stelle eine Gleichspannung vorliegt. 2 shows an embodiment of a primary clocked high-frequency charging unit 26 with a filter 10 , one of these downstream rectifiers 11 , a downstream PFC correction filter 12 , this downstream smoothing units 13 . 17 and 19 , subsequently an electronic high-frequency switch 14 , following a high frequency transformer 15 , following a charging switch 18 and finally a control unit 20 , Frequencies above 20 kHz are considered as high frequency. The operating principle of such a primary clocked battery charging unit is based on a conversion in two stages. The AC voltage (mains voltage) with 50 Hz is using the rectifier 11 rectified and the smoothing unit 13 smoothed, so that there is a DC voltage at this point.

Daran anschließend wird der Gleichstrom über den elektronischen Hochfrequenzschalter 14 wieder in eine hochfrequente Wechselspannung, z. B. mit einer Frequenz von 70 kHz oder höher umgesetzt. Diese hochfrequente Wechselspannung wird durch den Hochfrequenztransformator 15 auf das erwünschte Niveau der Ladespannung umgesetzt, anschließend über den Gleichrichter 16 gleichgerichtet, so dass an dieser Stelle wiederum eine Gleichspannung vorliegt. Mit Hilfe der nachgeschalteten Komponenten Glättungseinheit 17, Ladeschalter 18 und Siebkette 19 wird die Gleichspannung geglättet. Die Steuereinheit 20 steuert den elektronischen Hochfrequenzschalter 14 (z. B. Pulsweitenmodulation), um beispielsweise einen Akkumulator mit der richtigen Spannung und Stromstärke auch unter schwankender Belastung zu laden.Subsequently, the direct current through the electronic high-frequency switch 14 back into a high-frequency AC voltage, z. B. implemented with a frequency of 70 kHz or higher. This high frequency AC voltage is generated by the high frequency transformer 15 converted to the desired level of the charging voltage, then via the rectifier 16 rectified, so that there is again a DC voltage at this point. With the help of the downstream components smoothing unit 17 , Charging switch 18 and sieve chain 19 the DC voltage is smoothed. The control unit 20 controls the electronic high-frequency switch 14 (eg pulse width modulation), for example, to charge a rechargeable battery with the correct voltage and current even under fluctuating load.

Derartige primär geschaltete Hochfrequenz-Batterie-Ladeeinheiten sind unempfindlich gegenüber Schwankungen der Netzeingangsspannung, ermöglichen einen hohen Wirkungsgrad (in optimierten Fällen bis zu 93%) und es ist keine Blindleistungskompensation erforderlich. Nachteilig wirkt sich die ungleichmäßige Belastung des Netzes durch den elektronischen Schalter aus. Daher sind aufgrund des Schaltbetriebs mit hohen Frequenzen aufwendige Maßnahmen zur Verbesserung des EMV-Verhaltens (Störemission) erforderlich, wie in der 2 durch das Filter 10 dargestellt. Zusätzlich ist aufgrund der Verformung des Netzstroms (Stromimpulse) eine relativ aufwendige Leistungsfaktorkorrektur (z. B. mittels eines Leistungsfaktorkorrekturfilters 12 wie in der 2 durch dargestellt) erforderlich. Trotzdem wird die vorgestellte HF-Ladetechnologie derzeit aufgrund des geringen Gewichtes, des geringen Volumens und der hohen Energieeffizienz bei der Realisierung von On-Board-Ladeeinheiten bevorzugt.Such primary switched high-frequency battery charging units are insensitive to fluctuations in the mains input voltage, allow high efficiency (in optimized cases up to 93%) and no reactive power compensation is required. A disadvantage is the uneven loading of the network by the electronic switch. Therefore, due to the switching operation with high frequencies consuming measures to improve the EMC behavior (noise emission) required, as in 2 through the filter 10 shown. In addition, due to the deformation of the mains current (current pulses), a relatively expensive power factor correction (eg by means of a power factor correction filter 12 like in the 2 represented by) required. Nevertheless, the presented RF charging technology is currently preferred due to the low weight, the low volume and the high energy efficiency in the realization of on-board charging units.

Dabei kann eine derartige Batterie-Ladeeinheit 26 in mehrere Funktionsgruppen unterteilt werden. Eine solche Unterteilung ergibt zunächst zwei Funktionsgruppen (siehe auch 2). Die eine Funktionsgruppe sieht dabei einen ersten Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer 29 mit Filter 10, den Gleichrichter 11, das Leistungsfaktorkorrekturfilter 12 und die Glättungseinheit 13 vor. Die andere Funktionsgruppe ist ein Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer 29 (z. B. Gleichstromsteller, Chopper, etc.) mit dem Hochfrequenzschalter 14, dem Hochfrequenztransformator 15, dem Gleichrichter 16, den Glättungseinheiten 17, 19, dem Ladeschalter 18 und der Steuereinheit 20.In this case, such a battery charging unit 26 be divided into several functional groups. Such a subdivision initially results in two functional groups (see also 2 ). The one function group sees a first DC-DC converter 29 with filter 10 , the rectifier 11 , the power factor correction filter 12 and the smoothing unit 13 in front. The other functional group is a DC-DC converter 29 (eg DC chopper, chopper, etc.) with the high frequency switch 14 , the high-frequency transformer 15 , the rectifier 16 , the smoothing units 17 . 19 , the charging switch 18 and the control unit 20 ,

Dabei kann der Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer 29 nochmals in zwei Unterfunktionsgruppen unterteilt werden. Davon ist eine Unterfunktionsgruppe ein Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer 30, der den Hochfrequenzschalter 14 und den Hochfrequenztransformator 15 aufweist. Die andere Unterfunktionsgruppe ist als zweiter Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer 31 ausgeführt und weist den Gleichrichter 16, die Glättungseinheiten 17 und 19, den Ladeschalter 18 und die Steuereinheit 20 auf.In this case, the DC-DC converter 29 again divided into two sub-function groups. Of these, a sub-functional group is a DC-AC converter 30 that the high frequency switch 14 and the high-frequency transformer 15 having. The other sub-function group is as a second AC-DC converter 31 executed and has the rectifier 16 , the smoothing units 17 and 19 , the charging switch 18 and the control unit 20 on.

Erfindungsgemäß ist es daher vorteilhafterweise möglich, durch eine entsprechende Verschaltung einzelne oder mehrere Funktions- und Unterfunktionsgruppen einer Batterie-Ladeeinheit zur Versorgung des Antriebssystems eines Elektrofahrzeugs (Elektromotor), zur Rückspeisung von kinetischer Energie in eine Batterie und zum Laden der Batterie über einen externen Netzanschluss zu verwenden. Dies führt zu einer effizienten Verwendung einzelner Funktionsgruppen (Umsetzer) der Batterie-Ladeeinheit durch Mehrfachnutzung, sowohl bei einem Ladevorgang bei Stillstand des Fahrzeuges, wie auch im Betrieb des Fahrzeuges (Fahrt), wenn der Elektromotor aus der Batterie versorgt wird oder die Bremsenergie in die Batterie (Nutzbremsung, Rekuperation) zurückgespeist wird. Daraus ergeben sich weitere wesentliche Vorteile hinsichtlich der Kosten, des Gewichts und des Einbauvolumens.According to the invention, it is therefore advantageously possible, by means of an appropriate interconnection, to supply one or more functional and sub-functional groups of a battery charging unit to supply the drive system of an electric vehicle (electric motor), to feed kinetic energy back into a battery and to charge the battery via an external power connection use. This leads to an efficient use of individual functional groups (converter) of the battery charging unit by multiple use, both during a charging process when the vehicle is stationary, as well as in the operation of the vehicle (drive), when the electric motor is powered from the battery or the braking energy in the Battery (regenerative braking, recuperation) is fed back. This results in further significant advantages in terms of cost, weight and installation volume.

3 zeigt beispielhaft eine Verschaltung des zweiten Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzers 31 der Batterie-Ladeeinheit 26 nach 2 zum Laden einer Batterie 2 über eine als Generator betriebene Motor-Generator-Einheit 4. Die Batterie-Ladeeinheit 26 weist den ersten Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer 28, den zweiten Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer 31 und den Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer 30 auf (vgl. auch 2). Die Batterie 2 ist über eine Schalteinrichtung 32 auf den zweiten Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer 31 aufgeschaltet, der wiederum über die Schalteinrichtung 32 auf die als Generator betriebene Motor-Generator-Einheit 4 aufgeschaltet ist. 3 shows an example of an interconnection of the second AC-DC converter 31 the battery charging unit 26 to 2 to charge a battery 2 via a motor-generator unit operated as a generator 4 , The battery charging unit 26 indicates the first AC to DC converter 28 , the second AC-DC converter 31 and the DC-AC converter 30 on (see also 2 ). The battery 2 is via a switching device 32 to the second AC-DC converter 31 switched, in turn, via the switching device 32 on the motor-generator unit operated as a generator 4 is switched on.

Der von der Motor-Generator-Einheit 4 bereitgestellte Wechselstrom wird durch den zweiten Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer 31 in Gleichstrom gewandelt, der der Batterie 2 zum Laden zugeführt wird. Die als Generator betriebene Motor-Generator-Einheit 4 kann die in Wechselstrom gewandelte kinetische Energie beispielsweise durch Kopplung mit dem Antriebssystem eines Fahrzeugs beziehen. Dabei kann die kinetische Energie mittels eines Verbrennungsmotors erzeugt werden oder aber bei einem Bremsvorgang frei werden (Rekuperation). Der erste Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer 28 und der Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer 30 der Batterie-Ladeeinheit 26 werden in diesem Ausführungsbeispiel nicht verwendet.The one from the motor generator unit 4 provided AC power is through the second AC-DC converter 31 converted into direct current, that of the battery 2 is fed to the store. The generator-driven motor-generator unit 4 For example, the AC-converted kinetic energy can be obtained by coupling with the drive system of a vehicle. In this case, the kinetic energy can be generated by means of an internal combustion engine or be released during a braking process (recuperation). The first AC-DC converter 28 and the DC-AC converter 30 the battery charging unit 26 are not used in this embodiment.

4 zeigt beispielhaft die Verschaltung des ersten und zweiten Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzers 28 und 31 und des Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzers 30 für das Laden der Batterie 2 aus einem externen Wechselstromnetz, das zum Beispiel eine Spannung von 220 V bei 50 Hz aufweist. Die Batterie 2 ist dabei über die Schalteinrichtung 32 auf den zweiten Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer 31 aufgeschaltet, der wiederum über die Schalteinrichtung 32 auf den Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer 30 aufgeschaltet ist. Der Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer 30 ist über die Schalteinrichtung 32 auf den ersten Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer 28 aufgeschaltet, der über die Schalteinrichtung 32 auf das Wechselstromnetz aufgeschaltet ist. Damit wirkt die Anordnung in dieser Konstellation als Batterie-Ladeeinheit 26 mit Anschluss an das Wechselstromnetz. Alle Funktionsgruppen der Batterie-Ladeeinheit 26, der erste und zweite Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer 28, 31 und der Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer 30 werden dabei verwendet. 4 shows by way of example the interconnection of the first and second AC-DC converter 28 and 31 and the DC-AC converter 30 for charging the battery 2 from an external AC mains having, for example, a voltage of 220 V at 50 Hz. The battery 2 is about the switching device 32 to the second AC-DC converter 31 switched, in turn, via the switching device 32 to the DC-AC converter 30 is switched on. The DC-AC converter 30 is about the switching device 32 to the first AC-DC converter 28 switched on, the over the switching device 32 is switched to the AC mains. Thus, the arrangement acts in this constellation as a battery charging unit 26 with connection to the AC mains. All functional groups of the battery charging unit 26 , the first and second AC-DC converters 28 . 31 and the DC-AC converter 30 are used.

5 zeigt die Konstellation bei der der Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer 30 zum Betreiben der Motor-Generator-Einheit 4 als von der Batterie 2 gespeister Motor eingesetzt wird. Die Motor-Generator-Einheit 4 ist über die Schalteinrichtung 32 auf den Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer 30 aufgeschaltet und dieser ist wiederum über die Schalteinrichtung 32 auf die Batterie 2 aufgeschaltet. Der von der Batterie 2 abgegebene Gleichstrom wird durch den Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer 30 in Wechselstrom gewandelt, der dann in die als Motor betriebene Motor-Generator-Einheit 4 eingespeist wird. Die Motor-Generator-Einheit 4 wird bei dieser Konstellation zum Antrieb eines Fahrzeugs verwendet werden (Elektro- oder Hybrid-Fahrzeug). Vorteilhafterweise entfällt ein dedizierter, also nur für diese eine Konstellation ausgelegter Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer, wie er üblicherweise verbaut wird. Der erste und der zweite Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer 28 und 31 werden bei diesem Ausführungsbeispiel nicht verwendet. 5 shows the constellation in which the DC-AC converter 30 for operating the motor-generator unit 4 as from the battery 2 powered motor is used. The motor-generator unit 4 is about the switching device 32 to the DC-AC converter 30 switched on and this is in turn on the switching device 32 on the battery 2 switched. The one from the battery 2 discharged DC is through the DC-AC converter 30 converted into alternating current, which then in the motor-driven motor-generator unit 4 is fed. The motor-generator unit 4 will be used in this constellation to drive a vehicle (electric or hybrid vehicle). Advantageously, eliminates a dedicated, so only for this one constellation designed DC-AC converter, as it is usually installed. The first and second AC-DC converters 28 and 31 are not used in this embodiment.

Es besteht erfindungsgemäß also auch umgekehrt die Möglichkeit, durch Mehrfachnutzung von Funktionsgruppen der Leistungselektronik eines Hybridfahrzeugs und durch Erweiterung der Batterie-Ladeeinheit mit zusätzlichen Baugruppen (zum Beispiel einem Inverter) eine Funktionserweiterung als Plug-In-Hybridfahrzeug mit On-Board-Batterie-Ladeeinheit zu schaffen. Diese umfasst beispielsweise die Möglichkeit des stationären Aufladens einer Batterie und erlaubt ebenfalls eine vorteilhafte Optimierung hinsichtlich der Kosten, des Gewichts und des erforderlichen Volumens für die Unterbringung in einem Fahrzeug.It is therefore according to the invention, therefore, the possibility of multiple use of functional groups of the power electronics of a hybrid vehicle and by extension of the battery charging unit with additional modules (for example, an inverter) to a functional extension as a plug-in hybrid vehicle with on-board battery charging unit create. This includes, for example, the possibility of stationary charging of a battery and also allows a favorable optimization in terms of cost, weight and volume required for accommodation in a vehicle.

6 veranschaulicht anhand eines Ausführungsbeispiels die Verwendung des Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzers 30 der Batterie-Ladeeinheit 26 (vgl. 5) bei der Speisung einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs, zum Beispiel einer Motor-Generator-Einheit, aus einem Energiespeicher (Batterie). Das Fahrzeug 1 weist demnach den Energiespeicher 2, die Motor-Generator-Einheit 4, die Antriebsräder 5, das Reduktionsgetriebe 6 und die Batterie-Ladeeinheit 26 auf. Während der Fahrt des Fahrzeugs 1 fließt Gleichstrom vom Energiespeicher 2 zur Batterie-Ladeeinheit 26 und wird über deren Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer 30 (siehe 5) in Wechselstrom 24 gewandelt. Mit diesem Wechselstrom wird die Motor-Generator-Einheit 4 gespeist, die die dadurch erzeugte kinetische Energie 7 über das Reduktionsgetriebe 6 an die Antriebsräder 5 abgibt und diese antreibt. Damit entfällt ein dedizierter Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer für den Antrieb des Fahrzeugs 1. 6 illustrates, by means of an embodiment, the use of the DC-AC converter 30 the battery charging unit 26 (see. 5 ) in the supply of an electrical machine of a vehicle, for example a motor-generator unit, from an energy store (battery). The vehicle 1 therefore has the energy storage 2 , the motor generator unit 4 , the drive wheels 5 , the reduction gearbox 6 and the battery charging unit 26 on. While driving the vehicle 1 DC current flows from the energy storage 2 to the battery charging unit 26 and is via their DC-AC converter 30 (please refer 5 in AC 24 changed. With this alternating current is the motor-generator unit 4 fed the kinetic energy generated thereby 7 over the reduction gear 6 to the drive wheels 5 surrenders and drives them. This eliminates a dedicated DC-AC converter for driving the vehicle 1 ,

Bei einer der 4 entsprechenden Verschaltung kann dann der Energiespeicher 2 des Fahrzeugs 1 im Stand des Fahrzeugs 1 aus dem Netz geladen werden. In diesem Fall wird die (Netz-)Wechselspannung 25 in die Batterie-Ladeeinheit 26 eingespeist und zur Aufladung des Energiespeichers 2 in den (Lade-)Gleichstrom 22 gewandelt (vgl. 4).At one of the 4 corresponding interconnection can then the energy storage 2 of the vehicle 1 in the state of the vehicle 1 be downloaded from the network. In this case, the (mains) AC voltage 25 into the battery charging unit 26 fed and for charging the energy storage 2 in the (charging) direct current 22 changed (cf. 4 ).

7 veranschaulicht anhand eines Ausführungsbeispiels die Verwendung des Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzers 31 der Batterie-Ladeeinheit 26 zur Rückspeisung gewandelter Bremsenergie in den Energiespeicher eines Fahrzeugs (Rekuperation). Die Rückführung von elektrischer Energie in den Energiespeicher 2 erfolgt dabei durch Umwandlung der kinetischen Energie an den Antriebsrädern 5. Dazu ist der Motor-Generator-Einheit 4 über das Reduktionsgetriebe 6 mit der Achse beziehungsweise den Antriebsrädern 5 des Fahrzeugs 1 mechanisch gekoppelt. Die Bremsenergie 33 der Antriebsräder 5 wird durch die als Generator betriebene Motor-Generator-Einheit 4 in elektrische Energie, in Form eines Wechselstroms 27 gewandelt. Dieser Wechselstrom 27 wird durch den zweiten Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer 31 (vgl. 3) der Batterie-Ladeeinheit 26 in einen Gleichstrom 23 gewandelt, der dem Energiespeicher 2 (Batterie des Fahrzeugs) zugeführt wird. 7 illustrates the use of the AC-DC converter based on an embodiment 31 the battery charging unit 26 to regenerate converted braking energy into the energy storage of a vehicle (recuperation). The return of electrical energy in the energy storage 2 takes place by converting the kinetic energy to the drive wheels 5 , This is the motor-generator unit 4 over the reduction gear 6 with the axle or the drive wheels 5 of the vehicle 1 mechanically coupled. The braking energy 33 the drive wheels 5 is powered by the motor-generator unit operated as a generator 4 into electrical energy, in the form of an alternating current 27 changed. This alternating current 27 is through the second AC-DC converter 31 (see. 3 ) of the battery charging unit 26 in a direct current 23 converted, the energy storage 2 (Battery of the vehicle) is supplied.

Durch die mehrfache Verwendung der Umsetzer (zum Beispiel Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer zur Rekuperation und Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer zur Speisung einer Motor-Generator-Einheit für den Antrieb und die Verwendung beider beim Laden aus einem externen Wechselstromnetz) in der On-Board-Batterie-Ladeeinheit werden die Kosten für die gesamte Elektronik eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs deutlich reduziert und das Volumen und/oder das Gewicht der Fahrzeugelektronik deutlich verringert.Multiple use of converters (eg, AC to DC converters for recuperation and DC to AC converters to power a motor-generator unit for propulsion and use both when charging from an external AC grid) in the on-board Battery charging unit, the cost of the entire electronics of an electric or hybrid vehicle are significantly reduced and the volume and / or weight of the vehicle electronics significantly reduced.

Claims (7)

Bordnetz für ein Fahrzeug (1) mit einem Energiespeicher (2), einer elektrischen Motor-Generator-Einheit (4) für Wechselstrom (8, 27) und einer zum Laden des Energiespeichers (2) aus einem externen Wechselstromnetz ausgebildeten Batterie-Ladeeinheit (26), die einen ersten Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer (28), einen Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer (30) und einen zweiten Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer (31) aufweist, sowie mit einer Schalteinrichtung (32), die dazu ausgebildet ist, zum Laden des Energiespeichers (2) aus dem Wechselstromnetz diese auf den zweiten Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer (31), diesen wiederum auf den Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer (30), diesen wiederum auf den ersten Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer (28) und diesen auf das Wechselstromnetz aufzuschalten, zum Laden des Energiespeichers (2) durch die als Generator betriebene Motor-Generator-Einheit (4) den Energiespeicher (2) auf den zweiten Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer (31) und diesen wiederum auf die Motor-Generator-Einheit (4) aufzuschalten sowie zum Betreiben der Motor-Generator-Einheit (4) als von dem Energiespeicher (2) gespeister Motor diesen auf den Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer (30) und diesen wiederum auf den Energiespeicher (2) aufzuschalten.On-board network for a vehicle ( 1 ) with an energy store ( 2 ), an electric motor-generator unit ( 4 ) for alternating current ( 8th . 27 ) and one for charging the energy store ( 2 ) battery charging unit formed from an external AC power network ( 26 ), a first AC-DC converter ( 28 ), a DC-AC converter ( 30 ) and a second AC-DC converter ( 31 ), as well as with a switching device ( 32 ), which is designed to charge the energy store ( 2 ) from the AC mains this to the second AC-DC converter ( 31 ), this in turn to the DC-AC converter ( 30 ), this in turn to the first AC-DC converter ( 28 ) and this aufzuschalten on the AC mains, for charging the energy storage ( 2 ) by the generator-operated motor-generator unit ( 4 ) the energy store ( 2 ) to the second AC-DC converter ( 31 ) and this in turn to the motor-generator unit ( 4 ) and to operate the motor-generator unit ( 4 ) as the energy store ( 2 ) motor fed this to the DC-AC converter ( 30 ) and this in turn on the energy storage ( 2 ) aufzuschalten. Bordnetz nach Anspruch 1, bei dem der Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer (30) einen steuerbaren Schalter (14) und einen Transformator (15) aufweist.The vehicle electrical system according to claim 1, wherein the DC-AC converter ( 30 ) a controllable switch ( 14 ) and a transformer ( 15 ) having. Bordnetz nach Anspruch 2, bei dem der Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer (30) in einem Frequenzbereich von 20 kHz bis 200 kHz.The vehicle electrical system according to claim 2, wherein the DC-AC converter ( 30 ) in a frequency range of 20 kHz to 200 kHz. Bordnetz nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der erste Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer (28) ein Filter (10), einen diesem nachgeschalteten Gleichrichter (11), ein diesem nachgeschaltetes Leistungsfaktorkorrekturfilter (12) und eine diesem nachgeschaltete Glättungseinheit (13) aufweist.Vehicle electrical system according to Claim 1, 2 or 3, in which the first AC-DC converter ( 28 ) a filter ( 10 ), a downstream rectifier ( 11 ), a downstream power factor correction filter ( 12 ) and a downstream smoothing unit ( 13 ) having. Bordnetz nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der zweite Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer (31) einen Gleichrichter (16), eine diesem nachgeschaltete Glättungseinheit (17), einen dieser nachgeschalteten Ladeschalter (18) und eine diesem nachgeschaltete Glättungseinheit (19) aufweist.Vehicle electrical system according to one of the preceding claims, in which the second AC-DC converter ( 31 ) a rectifier ( 16 ), a downstream smoothing unit ( 17 ), one of these downstream charging switch ( 18 ) and a downstream smoothing unit ( 19 ) having. Bordnetz nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Ladeeinheit (26) eine derart ausgebildete Steuereinheit (20) aufweist, dass von der Ladeeinheit (26) eine zum Laden des Energiespeichers (2) erforderliche Stromstärke zur Verfügung gestellt wird.Vehicle electrical system according to one of the preceding claims, in which the charging unit ( 26 ) a control unit formed in this way ( 20 ), that of the loading unit ( 26 ) one for charging the energy storage ( 2 ) required power is provided. Bordnetz nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Motor-Generator-Einheit (4) über ein Reduktionsgetriebe (6) mit Antriebsrädern (5) des Fahrzeugs (1) mechanisch gekoppelt und dazu ausgebildet ist, bei Betrieb als Generator an den Antriebsrädern (5) anliegende kinetische Energie (33) in elektrische Energie umzusetzen und bei Betrieb als von dem Energiespeicher (2) gespeister Motor Wechselstrom in kinetische Energie (7) für die Antriebsräder (5) umzusetzen.Vehicle electrical system according to one of the preceding claims, in which the motor-generator unit ( 4 ) via a reduction gear ( 6 ) with drive wheels ( 5 ) of the vehicle ( 1 ) is mechanically coupled and designed to operate as a generator on the drive wheels ( 5 ) kinetic energy ( 33 ) to convert into electrical energy and when operating as from the energy storage ( 2 ) motor fed alternating current into kinetic energy ( 7 ) for the drive wheels ( 5 ) implement.
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