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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugantriebssystem mit einer Ladevorrichtung zum Laden einer Akkuvorrichtung mittels eines externen Stromnetzes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
US 5,341,075 ist bereits ein Kraftfahrzeugantriebssystem mit einer Ladevorrichtung, die zum Laden einer Akkuvorrichtung mittels eines externen Stromnetzes vorgesehen ist und die wenigstens eine mehrphasige Gleichrichtschaltung aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine Wechselspannung des externen Stromnetzes in eine Gleichspannung umzuwandeln, bekannt.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeugantriebssystem mit einer hohen Flexibilität für ein Laden über die Ladevorrichtung bereitzustellen. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einem Kraftfahrzeugantriebssystem mit einer Ladevorrichtung, die zum Laden einer Akkuvorrichtung mittels eines externen Stromnetzes vorgesehen ist und die wenigstens eine mehrphasige Gleichrichtschaltung aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine Wechselspannung des externen Stromnetzes in eine Gleichspannung umzuwandeln.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Ladevorrichtung eine Umschalteinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, die Gleichrichtschaltung wahlweise für einen einphasigen Ladebetrieb oder einen mehrphasigen Ladebetrieb zu schalten. Dadurch kann die Ladevorrichtung vorteilhaft mit unterschiedlichen externen Stromnetzen betrieben werden, wodurch ein Kraftfahrzeugantriebssystem mit einer hohen Flexibilität für ein Laden über die Ladevorrichtung bereitgestellt werden kann. Unter einem „externen Stromnetz” soll dabei insbesondere ein von dem Antriebssystem unabhängiges Stromnetz, wie insbesondere ein öffentliches Versorgungsnetz, verstanden werden. Unter einer „mehrphasigen Gleichrichtschaltung” soll insbesondere eine Gleichrichtschaltung verstanden werden, die wenigstens zwei, vorzugsweise drei Phasen aufweist. Unter einem „mehrphasigen Ladebetrieb” soll dabei insbesondere ein Betriebsmodus verstanden werden, bei dem an wenigstens zwei Phaseneingängen der Ladevorrichtung ein gegenüber einem Nullleiterpotential verschobenes Eingangspotential anliegt. Unter einem „einphasigen Ladebetrieb” soll insbesondere ein Betriebsmodus verstanden werden, bei dem an lediglich einem der Phaseneingänge ein gegenüber dem Nulleiterpotential verschobenes Potential anliegt. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell programmiert, ausgestattet und/oder ausgelegt verstanden werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Umschalteinheit dazu vorgesehen ist, selbstständig umzuschalten. Dadurch kann ein Bedienkomfort für das Kraftfahrzeugantriebssystem erhöht werden. Unter „selbstständig umschalten” soll dabei insbesondere verstanden werden, dass die Umschalteinheit in wenigstens einem Betriebsmodus dazu vorgesehen ist, ein Anliegen einer einphasigen externen Spannung oder einer mehrphasigen externen Spannung selbstständig zu erkennen und in Abhängigkeit der erkannten externen Spannung ein Schaltelement der Umschalteinheit selbstständig zu schließen.
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Vorzugsweise weist die Ladevorrichtung zumindest zwei Phaseneingänge sowie zumindest einen Nullleitereingang auf und umfasst die Umschalteinheit wenigstens ein Schaltelement, das dazu vorgesehen ist, einen der Phaseneingänge und den Nullleitereingang miteinander zu verbinden. Dadurch kann die Gleichrichtschaltung ein besonders einfaches Layout aufweisen, da insbesondere auf eine aufwendige Umschaltung der Gleichrichtschaltung verzichtet werden kann. Unter einem Phaseneingang soll dabei insbesondere ein Kontaktelement der Ladevorrichtung verstanden werden, das zumindest in einem mehrphasige Ladebetriebsmodus ein gegenüber einem Nullleiterpotential verschobenes Potential aufweist. Unter einem Nullleitereingang soll insbesondere ein das Nullleiterpotential definierendes Kontaktelement verstanden werden. Vorzugsweise umfasst die Ladevorrichtung weiter einen Erdungseingang, wobei vorteilhafterweise das Nullleiterpotential und ein Erdungspotential wenigstens in einem Regelbetrieb gleich sind.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Kraftfahrzeugantriebssystem eine Antriebsmaschine mit wenigstens zwei Motorspulen umfasst, wobei die zumindest zwei Phaseneingänge und die zumindest zwei Motorspulen jeweils einzeln elektrisch in Reihe geschaltet sind. Dadurch kann eine einfache Anbindung der Ladevorrichtung an eine Leistungselektronik erreicht werden. Grundsätzlich ist aber auch eine andere Anbindung der Phaseneingänge an die Motorspulen denkbar, wie insbesondere eine Anbindung an einen Sternpunkt der Antriebsmaschine.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Kraftfahrzeugantriebssystem eine Leistungselektronik mit zumindest einer Inverterschaltung aufweist, die zumindest teilweise einstückig mit der Gleichrichtschaltung der Ladevorrichtung ausgebildet ist. Dadurch kann auf eine eigenständige Gleichrichtschaltung, die lediglich für einen Ladebetriebsmodus vorgesehen ist, verzichtet werden, wodurch insbesondere eine Komplexität der Ladevorrichtung besonders einfach reduziert werden kann. Unter „zumindest teilweise einstückig” soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass zumindest eine Diode, insbesondere eine Freilaufdiode, der Inverterschaltung zur Gleichrichtung einer aus dem externen Stromnetz eingespeisten Wechselspannung verwendet wird.
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Zudem ist es vorteilhaft, wenn das Kraftfahrzeugantriebssystem eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung aufweist, die wenigstens teilweise einstückig mit der Inverterschaltung ausgeführt ist. Dadurch kann eine Komplexität der Ladevorrichtung weiter reduziert werden. Unter „teilweise einstückig” soll dabei insbesondere verstanden werden, dass wenigstens ein Schaltelement der Inverterschaltung in einem Ladebetriebsmodus für eine Leistungsfaktorkorrektur der Ladevorrichtung vorgesehen ist.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Leistungsfaktorkorrekturschaltung wenigstens teilweise einstückig mit der Antriebsmaschine ausgeführt ist. Dadurch kann ein Leistungsfaktor der Ladevorrichtung vorteilhaft eingestellt werden, ohne dass eine separate Leistungsfaktorkorrekturschalten vorgesehen werden muss. Vorteilhafterweise werden insbesondere die Motorspulen zur Einstellung der Leistungsfaktorkorrektur verwendet.
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Besonders bevorzugt ist die Inverterschaltung als eine 3-Level-Inverterschaltung ausgebildet. Dadurch können Anforderungen an eine Spannungsfestigkeit einzelner Bauteile der Inverterschaltung verringert werden. Zudem kann eine Effizienz der Inverterschaltung erhöht werden. Unter einer „3-Level-Interverschaltung” soll dabei insbesondere eine Inverterschaltung verstanden werden, an der wenigstens drei unterschiedliche Potentiale anliegen, bzw. abgreifbar sind.
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Zudem wird vorgeschlagen, dass das Kraftfahrzeugantriebssystem wenigstens einen Netzableit-Kondensator aufweist. Dadurch können insbesondere Rückwirkungen auf das externe Stromnetz verringert werden, wodurch beispielsweise ein Schutz vor einem unbeabsichtigten Auslösen von Sicherheitsvorrichtung des externen Stromnetzes erhöht werden kann. Unter einem „Netz-Ableitkondensator” soll dabei insbesondere ein Kondensator verstanden werden, der zwischen wenigstens einem, in wenigstens einem Betriebszustand potential führenden Leiter, wie insbesondere einer Phase, und wenigstens einem in einem Regelbetrieb potentialfreien Leiter, wie insbesondere einem Nullleiter oder einem Schutzleiter, angeordnet ist. Unter einem „Schutzleiter” soll dabei insbesondere ein Leiter verstanden werden, der ein Null-Potential definiert, wie insbesondere ein über das externe Stromnetz geerdeter Leiter. Unter „potentialfrei” soll insbesondere potentialfrei gegenüber dem Schutzleiter verstanden werden. Unter einem „Null-Leiter” soll insbesondere ein in einem Regelbetrieb potentialfreier Leiter verstanden werden. Unter einer „Phase” soll insbesondere ein Leiter verstanden werden, der in einem Regelbetrieb gegenüber dem Nullleiter ein Potential aufweist.
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Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Ladevorrichtung eine Überwachungseinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, wenigstens eine externe Netz- und/oder Ladekenngröße zu überwachen. Dadurch kann eine Betriebssicherheit erhöht werden. Unter „Vorsorgungskenngrößen” sollen dabei insbesondere Kenngrößen verstanden werden, die durch das externe Stromnetz vorgegeben sind, wie beispielsweise eine Netzspannung des externen Stromnetzes oder eine Wechselfrequenz des externen Stromnetzes. Unter „Vorrichtungskenngrößen” sollen dabei insbesondere durch die Ladevorrichtung bedingte Kenngrößen verstanden werden, wie beispielsweise ein Ladestrom, ein Fehlerstrom oder eine Isolationsfehler der Ladevorrichtung.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
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1 einen ersten Teil eines Schaltschema für ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems,
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2 einen zweiten Teil des Schaltschemas des ersten Ausführungsbeispiels und
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3 ein Schaltschema eines zweiten erfindungsgemäßen Antriebssystems.
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Die 1 und 2 zeigen ein Schaltschema für ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugantriebssystems. 1 zeigt einen ersten Teil des Schaltschemas. 2 zeigt einen zweiten Teil des Schaltschemas. Verbindungsstellen, an denen die beiden Teile miteinander verbunden sind, sind in den beiden Figuren durch jeweils identische Großbuchstaben A, B, C, D, E, F gekennzeichnet. Das Kraftfahrzeugantriebssystem ist grundsätzlich für unterschiedliche Antriebssysteme vorgesehen. Mittels des Kraftfahrzeugantriebssystems sind sowohl rein elektrische Antriebssysteme als auch Hybridantriebssysteme ausgebildet. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist als ein rein elektrisches Antriebssystem ausgebildet.
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Das Antriebssystem umfasst eine elektrische Antriebsmaschine 19a, eine Akkuvorrichtung 11a und eine Ladevorrichtung 10a zum Laden der Akkuvorrichtung 11a mittels eines externen Stromnetzes. Die Antriebsmaschine 19a ist als ein Drehstrommotor ausgebildet. Die Antriebsmaschine 19a umfasst drei Motorspulen 20a, 21a, 22a. Für eine Energieversorgung umfasst die Antriebsmaschine 19a drei getrennte Phasen 28a, 29a, 30a. In einem Fahrbetriebsmodus erzeugt die Antriebsmaschine 19a aus einer ihr zugeführten elektrischen Leistung ein Antriebsmoment. In einem Generatorbetriebsmodus erzeugt die Antriebsmaschine 19a aus einer ihr zugeführten mechanischen Leistung, die der Antriebsmaschine 19a beispielsweise über Antriebsräder zugeführt werden kann, elektrische Leistung.
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Die Akkuvorrichtung 11a umfasst eine Hochvolt-Batterie. Die Akkuvorrichtung 11a stellt eine Gleichspannung bereit, die wenigstens 100 Volt beträgt. Die Hochvolt-Batterie umfasst eine Mehrzahl hintereinander geschalteter Einzelzellen. Eine minimale Batteriespannung beträgt 105,6 Volt. Eine maximale Batteriespannung beträgt 413 Volt, wobei die maximale Batteriespannung grundsätzlich auch größer sein kann. Die Akkuvorrichtung 11a weist zwei Batterieklemmen 31a, 32a auf, die jeweils einen definierten Pol der Akkuvorrichtung 11a ausbilden.
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Zur elektrischen Anbindung der Antriebsmaschine 19a an die Akkuvorrichtung 11a umfasst das Antriebssystem eine Leistungselektronik 23a. Die Leistungselektronik 23a umfasst eine Inverterschaltung 24a mit zwei Leitern 33a, 34a, die jeweils mit einer der Batterieklemmen 31a, 32a der Akkuvorrichtung 11a verbunden sind. Die Inverterschaltung 24a ist mittels dreier Halbbrücken 35a, 36a, 37a ausgebildet. Jede der drei Halbbrücken 35a, 36a, 37a ist elektrisch mit einer der Motorspulen 20a, 21a, 22a der Antriebsmaschine 19a verbunden. Die Halbbrücken 35a, 36a, 37a sind jeweils zwischen den beiden Leitern 33a, 34a angeordnet. Jede Halbbrücke 35a, 36a, 37a umfasst zwei Schaltelemente 38a, 39a und zwei parallel zu den Schaltelementen 38a 39a angeordnete Freilaufdioden. Die Freilaufdioden einer Halbbrücke sind entgegengesetzt angeordnet. Die Motorspulen 20a, 21a, 22a der Antriebsmaschine 19a sind an einen Brückenpunkt der jeweiligen Halbbrücke 35a, 36a, 37a angebunden. Die Schaltelemente der Halbbrücken 35a, 36a, 37a sind als Transistoren ausgebildet.
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In dem Fahrbetriebsmodus erzeugt die Inverterschaltung 24a aus der Gleichspannung der Akkuvorrichtung 11a eine Wechselspannung. Die von der Inverterschaltung 24a erzeugte Wechselspannung definiert eine Leistung, die die Antriebsmaschine 19a abgibt. Zudem ist über die Wechselspannung eine Drehzahl, die die Antriebsmaschine 19a aufweist, einstellbar. Die Wechselspannung liegt als Drehstrom an den Motorspulen 20a, 21a, 22a der Antriebsmaschine 19a an.
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In dem Generatorbetriebsmodus wandelt die Inverterschaltung 24a die von der Antriebsmaschine 19a erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Die Inverterschaltung 24a wirkt dabei als ein Hochsetzsteller, der die von der Antriebsmaschine 19a bereitgestellte Wechselspannung in eine höhere Gleichspannung umsetzt. Grundsätzlich kann die Inverterschaltung 24a aber auch ohne einen Hochsetz-Betrieb betrieben werden. Die Gleichspannung, in die die Inverterschaltung 24a die von der Antriebsmaschine 19a erzeugte Wechselspannung umwandelt, bewirkt einen Ladevorgang der Akkuvorrichtung 11a.
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Die Ladevorrichtung 10a ist teilweise einstückig mit der Inverterschaltung 24a ausgebildet. Die Ladevorrichtung 10a umfasst eine mehrphasige Gleichrichtschaltung 12a, die eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt. Die Ladevorrichtung 10a umfasst drei Phaseneingänge 14a, 15a, 16a sowie an die Phaseneingänge 14a, 15a, 16a anschließende Phasen 42a, 43a, 44a, einen Nullleitereingang 17a und einen an den Nulleitereingang 17a anschließenden Nullleiter 45a sowie einen Schutzleitereingang 46a und einen an den Schutzleitereingang 46a anschließenden Schutzleiter 47a. Die drei Phaseneingänge 14a, 15a, 16a sind für einen Drehstrom vorgesehen. Der Nulleitereingang 17a ist in Bezug auf ein Erdungspotential im Wesentlichen potentialfrei. Ein über den Nullleiter 45a fließender Strom ist in einem ordnungsgemäßen Regelbetrieb Null. Der Schutzleiter 47a, der über das externe Stromnetz mit einer Erde verbunden ist, definiert das Erdungspotential.
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In dem Ladebetriebsmodus ist die Ladevorrichtung 10a über die Inverterschaltung 24a mit der Akkuvorrichtung 11a verbunden. Die Phasen 42a, 43a, 44a der Ladevorrichtung 10a sind jeweils über eine der Motorspulen 20a, 21a, 22a mit einer der Phasen 28a, 29a, 30a der Antriebsmaschine 19a verbunden. Die einzelnen Phasen 42a, 43a, 44a der Ladevorrichtung sind damit jeweils an eine der Halbbrücken 35a, 36a, 37a der Inverterschaltung 24a angebunden. Die Gleichrichtschaltung 12a ist einstückig mit der Inverterschaltung 24a ausgeführt.
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Die Phase 42a ist damit in dem Ladebetriebsmodus an den Brückenpunkt der Halbbrücke 35a angebunden. Die Freilaufdioden 40a, 41a der Halbbrücke 35a bilden in Bezug auf den Brückenpunkt eine Gleichrichtschaltung für die Phase 42a aus. Die beiden weiteren Halbbrücken 36a, 37a sind in Bezug auf die Phasen 43a, 44a korrespondierend geschaltet. Eine in dem Ladebetriebsmodus an den drei Phasen 42a, 43a, 44a anliegende Wechselspannung wird damit in eine an den Leitern 33a, 34a anliegende Gleichspannung umgewandelt.
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Zur Erhöhung eines Leistungsfaktors umfasst die Ladevorrichtung 10a eine an die Gleichrichtschaltung 12a angebundene Leistungsfaktorkorrekturschaltung 25a. Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung 25a ist teilweise einstückig mit der Inverterschaltung 24a und teilweise einstückig mit der Antriebsmaschine 19a ausgebildet. Die Motorspulen 20a, 21a, 22a der Antriebsmaschine 19a bilden jeweils eine Induktivität für die Leistungsfaktorkorrekturschaltung 25a aus. Die Halbbrücken 35a, 36a, 37a der Inverterschaltung 24a bilden jeweils ein Schaltelement für die Leistungsfaktorkorrekturschaltung 25a aus. Die Schaltelemente 38a, 39a der Halbbrücke 35a sind für die Phase 42a vorgesehen. Die Schaltelemente der weiteren Halbbrücken 36a, 37a sind analog für die Phasen 43a, 44a vorgesehen.
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Zur Umschaltung zwischen dem Ladebetriebsmodus und dem Fahrbetriebsmodus weist das Kraftfahrzeugantriebssystem eine Betriebsmodus-Umschaltvorrichtung 48a auf. Die Betriebsmodus-Umschaltvorrichtung 48a umfasst drei Schaltelemente 49a, 50a, 51a, die jeweils den einzelnen Phasen 28a, 29a, 30a der Antriebsmaschine 19a zugeordnet sind. In einer Schaltstellung, die dem Ladebetriebsmodus zugeordnet ist, verbindet die Betriebsmodus-Umschaltvorrichtung 48a die Phasen 42a, 43a, 44a der Ladevorrichtung mit den Phasen 28a, 29a, 30a der Antriebsmaschine 19a. Die Schaltelemente 49a, 50a, 51a verbinden in dem Ladebetriebsmodus jeweils genau eine der Phasen 42a, 43a, 44a mit einer der Phasen 28a, 29a, 30a.
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In einer zweiten Schaltstellung, die den Fahrbetriebsmodus und dem Generatorbetriebsmodus zugeordnet ist, verbindet die Betriebsmodus-Umschaltvorrichtung 48a die drei Phasen 28a, 29a, 30a der Antriebsmaschine 19a miteinander. Die Motorspulen 20a, 21a, 22a, die mit den Phasen 28a, 29a, 30a der Antriebsmaschine 19a verbunden sind, sind damit an einem Sternpunkt 52a miteinander verbunden. Die drei Schaltelemente 49a, 50a, 51a der Betriebsmodus-Umschaltvorrichtung 48a verbinden die Phasen 28a, 29a, 30a der Antriebsmaschine 19a jeweils einzeln mit dem Sternpunkt 52. Die Betriebsmodus-Umschaltvorrichtung 48a bildet somit einen Sternpunkt-Schütz aus, mittels der die Antriebsmaschine 19a unabhängig von einem Betriebszustand der Ladevorrichtung 10a und unabhängig von der Inverterschaltung 24a lastfrei geschaltet werden kann.
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Zur Einstellung der an den beiden Leitern 33a, 34a und den Batterieklemmen 31a, 32a anliegenden Gleichspannung umfasst die Ladevorrichtung 10a einen Spannungswandler 53a, der nach der Inverterschaltung 24a angeordnet ist. Der Spannungswandler 53a ist bidirektional ausgeführt, d. h. sowohl für einen Leistungsfluss von der Inverterschaltung 24a zur Akkuvorrichtung 11a als auch für einen Leistungsfluss von der Akkuvorrichtung 11a zu der Inverterschaltung 24a vorgesehen. Der Spannungswandler 53a ist für die Ladevorrichtung 10a, d. h. zum Laden der Akkuvorrichtung 11a mittels des externen Stromnetzes, und für die Leistungselektronik 23a, d. h. zum Betrieb der Antriebsmaschine 19a mittels der Akkuvorrichtung 11a, vorgesehen. Der Spannungswandler 53a ist mit der Inverterschaltung 24a elektrisch in Reihe geschaltet. Der Spannungswandler 53a ist zwischen der Inverterschaltung 24a und der Akkuvorrichtung 11a angeordnet. Der Spannungswandler 53a umfasst eine Spule 55a und einen Kondensator 56a. Zudem umfasst der Spannungswandler 53a eine Schalteinheit 54a mit zwei Schaltelementen und eine Diodeneinheit 57a mit zwei Dioden. Der Kondensator 56a ist zwischen den Leitern 33a, 34a der Inverterschaltung 24a angeordnet. Die Schalteinheit 54a und die Diodeneinheit 57a bilden schaltungstechnisch eine Halbbrücke aus. Die Spule 55a, die in den Leiter 33a eingebunden ist, ist an einen Brückenpunkt der durch die Schalteinheit 54a und die Diodeneinheit 57a ausgebildeten Halbbrücke angebunden.
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Die Ladevorrichtung 10a und die Leistungselektronik 23a weisen eine hinreichend hohe Spannungsfestigkeit von beispielsweise 1200 Volt auf. Insbesondere die Gleichrichtschaltung 12a, die einstückig mit der Inverterschaltung 24a ausgeführt ist, ist auf diese Spannungsfestigkeit ausgelegt. Der Spannungswandler 53a wandelt insbesondere in dem Ladebetriebsmodus die Gleichspannung, die an den Leitern 33a, 34a anliegt, in eine niedrigere Ladespannung um. Die Ladespannung, die ebenfalls eine Gleichspannung ist, ist über den Spannungswandler 53a einstellbar. Eine Spannungsfestigkeit der nach dem Spannungswandler 53a angeordneten Bauteile kann dadurch grundsätzlich geringer sein als die Spannungsfestigkeit der Ladevorrichtung 10a und der Leistungselektronik 23a.
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Weiter umfasst die Ladevorrichtung 10a eine Filtereinheit 58a. Die Filtereinheit 58a bildet einen EMV-Filter aus. Die Filtereinheit 58a umfasst eine Spulen-Kondensator-Einheit mit einer Mehrzahl von paarweise angeordneten Kondensatoren und Spulen. Die Spulen-Kondensator-Einheit bildet für jede Phase 42a, 43a, 44a der Ladevorrichtung 10a einen Tiefpassfilter aus. Eine Grenzfrequenz, oberhalb der die Filtereinheit 58a dämpft, ist größer als eine maximal zu erwartende Netzfrequenz des externen Stromnetzes.
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Die Ladevorrichtung 10a umfasst ferner eine Entstöreinheit 59a mit einem Netz-Ableitkondensator 26a. Der Netz-Ableitkondensator 26a ist als y-Kondensator klassifiziert. Weiter umfasst die Entstöreinheit 59a drei x-Kondensatoren 60a, 61a, 62a. Die x-Kondensatoren 60a, 61a, 62a sind jeweils paarweise zwischen die drei Phasen 42a, 43a, 44a der Ladevorrichtung 10a geschaltet. Jeweils zwei der x-Kondensatoren 60a, 61a, 62a sind in Bezug auf zwei der Phasen 42a, 43a, 44a in Reihe geschaltet. Die drei x-Kondensatoren 60a, 61a, 62a sind über einen gemeinsamen Kontaktpunkt elektrisch miteinander verbunden. Der Netz-Ableitkondensator 26a ist an den gemeinsamen Kontaktpunkt der x-Kondensatoren 60a, 61a, 62a angebunden. Der Netz-Ableitkondensator 26a ist damit zwischen die drei Phasen 60a, 61a, 62a und den Nullleiter 45a der Ladevorrichtung 10a geschaltet. Zudem umfasst die Entstöreinheit 59a einen Kondensator 63a der zwischen den Nullleiter 45a und den Schutzleiter 47a geschaltet ist.
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Zur Anbindung der Akkuvorrichtung 11a umfasst die Leistungselektronik 23a einen Zwischenkreis 64a. Der Zwischenkreis 64a umfasst einen Kondensator, der zwischen den beiden Leitern 33a, 34a der Inverterschaltung 24a angeordnet ist. Die Leistungselektronik 23a umfasst zwei weitere, Netz-Ableitkondensatoren 27a, 65a, die ebenfalls als y-Kondensatoren klassifiziert sind. Die Netzableit-Kondensatoren 27a, 65a der Ladevorrichtung 10a sind nach dem Zwischenkreis 64a angeordnet. Der Netz-Ableitkondensator 27a ist zwischen dem Leiter 33a und dem Schutzleiter 47a angeordnet. Der Netz-Ableitkondensator 65a ist zwischen dem Leiter 34a und dem Schutzleiter 47a angeordnet.
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Die Ladevorrichtung 10a umfasst weiter eine Überwachungseinheit 66a. Die Überwachungseinheit 66a ist an die drei Phasen 42a, 43a, 44a den Nullleiter 45a und den Schutzleiter 47a angebunden. Die Überwachungseinheit 66a überwacht insbesondere Spannungen, die an den Phasen 42a, 43a, 44a dem Nullleiter 45a und dem Schutzleiter 47a auftreten. Zudem überwacht sie elektrische Ströme, die durch die Phasen 42a, 43a, 44a den Nullleiter 45a und den Schutzleiter 47a fließen. Weiter bildet die Überwachungseinheit einen Isolationswächter aus, der insbesondere einen Isolationswiderstand der Phasen gegen den Schutzleiter bestimmt. Der Isolationswiderstand ist in 1 als Ersatzwiderstand gemeinsam mit einem Ersatzkondensator, der Leitungskapazitäten ersetzt, in einer Ersatzschaltung 67a dargestellt.
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Zur Umschaltung zwischen einem Ein-Phasen-Ladebetrieb und einem Drei-Phasen-Ladebetrieb umfasst die Ladevorrichtung 10a eine Umschalteinheit 13a. Die Umschalteinheit 13a umfasst ein Schaltelement 18a, das dazu vorgesehen ist, den Nullleiter 45a der Ladevorrichtung 10a mit einer der Phasen 42a, 43a, 44a zu verbinden. Die Umschalteinheit 13a ist automatisiert ausgebildet. Erkennt die Umschalteinheit 13a eine an den Phaseneingängen 14a, 15a, 16a und dem Nullleitereingang 17a anliegende einphasige Wechselspannung, schließt sie das Schaltelement 18a selbstständig und verbindet den Nullleiter 45a mit der Phase 44a. Bei einer an der Ladevorrichtung 10a anliegenden einphasigen Wechselspannung sind zwei der drei Phaseneingängen 14a, 15a, 16a im Wesentlichen potentialfrei. Die Umschalteinheit 13a erkennt eine Art der anliegenden Wechselspannung anhand von Potentialen der drei Phaseneingänge 14a, 15a, 16a. Die zwischen dem Phaseneingang 14a und dem Nulleitereingang 17a anliegende einphasige Wechselspannung liegt durch das Schließen des Schaltelements 18a zwischen zwei der drei Phasen 42a, 43a, 44a an. Die Gleichrichtschaltung 12a wandelt die in dem dargestellten Ausführungsbeispiels zwischen den beiden Phasen 42a, 44a anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung um.
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Zudem ist die Umschalteinheit 13a zur Erkennung einer Gleichspannung vorgesehen. Erkennt die Umschalteinheit 13a in dem Ladebetriebsmodus eine zwischen dem Phaseneingang 14a und dem Nullleitereingang 17a anliegende Gleichspannung, schließt die Umschalteinheit 13a ebenfalls das Schaltelement 18a. Die Gleichrichtschaltung 12a lässt die damit an den Phasen 42a, 44a anliegende Gleichspannung im Wesentlich widerstandsfrei durch, wodurch sie analog zu einer gewandelten Wechselspannung auch an den beiden Leitern 33a, 34a der Inverterschaltung 24a anliegt.
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In dem Ladebetriebsmodus wird eine Leistung zum Laden der Akkuvorrichtung 11a über die Phaseneingänge 14a, 15a, 16a und den Nullleitereingang 17a der Ladevorrichtung 10a eingespeist. Entlang eines Energieflusses der über die Ladevorrichtung 10a eingespeisten Leistung sind nacheinander folgend die Filtereinheit 58a und die Betriebsmodus-Umschaltvorrichtung 48a angeordnet. An die Betriebsmodus-Umschaltvorrichtung 48a schließt die Antriebsmaschine 19a an, die durch die Anbindung der Phasen 42a, 43a, 44a an die Motorspulen 20a, 21a, 22a ebenfalls in den Energiefluss eingebunden ist. Ausgehend von der Antriebsmaschine 19a geht der Energiefluss durch die Inverterschaltung 24a. Die Inverterschaltung 24a ist über den Zwischenkreis 64a und den Spannungswandler 53a an die Akkuvorrichtung 11a angebunden.
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Zur Steuerung umfasst das Antriebssystem eine Steuer- und Regeleinheit 68a. Die Steuer- und Regeleinheit 68a umfasst wenigstens ein Steuergerät mit einer Prozessoreinheit, die für eine Steuerung und Regelung vorgesehen ist. Grundsätzlich kann die Steuer- und Regeleinheit 68a auch mehrere, baulich getrennt ausgeführte Steuergeräte aufweisen, die für unterschiedliche Funktionen der Steuer- und Regeleinheit 68a vorgesehen sind. Die Steuer- und Regeleinheit 68a ist insbesondere zur Steuerung der Ladevorrichtung 10a und der Inverterschaltung 24a vorgesehen. Sie steuert die aktiv steuerbaren Schaltelemente der Inverterschaltung 24a. Weiter ist die Steuer- und Regeleinheit 68a für die Betriebsmodus-Umschaltvorrichtung 48a vorgesehen. Die Steuer- und Regeleinheit 68a schaltet insbesondere die Schaltelemente 49a, 50a, 51a. Zudem ist die Steuer- und Regeleinheit 68a für die Überwachungseinheit 66a vorgesehen, d. h. eine elektronische Auswertung der Überwachungseinheit 66a wird von der Steuer- und Regeleinheit 68a durchgeführt. Außerdem ist die Steuer- und Regeleinheit 68a zur Steuerung der Umschalteinheit 13a vorgesehen. Dazu bestimmt die Steuer- und Regeleinheit 68a mittels der Überwachungseinheit 66a die zwischen den Phaseneingängen 14a, 15a, 16a und dem Nullleitereingang 17a anliegenden Spannungen und schaltet in Abhängigkeit von den erkannten Spannungen das Schaltelement 18a der Umschalteinheit 13a.
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In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bleibender Bauteile, Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der 1 und 2 verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 durch den Buchstaben b in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels der 3 ersetzt. Bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, kann grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels in den der 1 und 2 verwiesen werden.
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In 3 ist eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems dargestellt. Das Antriebssystem umfasst eine Ladevorrichtung 10b, eine elektrische Antriebsmaschine 19b und eine Leistungselektronik 23b. Zudem umfasst das Antriebssystem eine Akkuvorrichtung 11b. Die Ladevorrichtung 10b umfasst drei Phaseneingänge 14b, 15b, 16b, die jeweils einzeln mit einer Motorspule 20b, 21b, 22b der Antriebsmaschine 19b verbunden sind.
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Die Ladevorrichtung 10b ist analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel ausgestaltet. Die Ladevorrichtung 10b umfasst eine Filtereinheit 58b und eine Überwachungseinheit 66b. Weiter umfasst die Ladevorrichtung 10b eine Gleichrichtschaltung 12b mit angebundener Leistungsfaktorkorrekturschaltung 25, die teilweise einstückig mit der Leistungselektronik 23b ausgeführt ist. Zudem umfasst die Ladevorrichtung 10b eine Entstöreinheit 59b mit Netz-Ableitkondensatoren 26b, 27b, 65b und einen Spannungswandler 53b.
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Zur Umschaltung zwischen einem einphasigen Ladebetrieb und einem mehrphasigen Ladebetrieb umfasst die Ladevorrichtung 10b eine Umschalteinheit 13b, die ein Schaltelement 18b umfasst, das dazu vorgesehen ist, einen der drei Phaseneingängen 14b, 15b, 16b der Ladevorrichtung 10b mit einem Nullleitereingang 17b der Ladevorrichtung 10b zu verbinden.
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Im Unterschied zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel umfasst die Leistungselektronik 23b eine Inverterschaltung 24b, die als eine Drei-Level-Inverterschaltung ausgebildet ist. Die Inverterschaltung 24b umfasst insgesamt sechs Halbbrücken 35b, 35b', 36b, 36b', 37b, 37b'. Jeweils zwei der Halbbrücken 35b, 35b', 36b, 36b', 37b, 37b' sind für eine Phase 28b, 29b, 30b der Antriebsmaschine 19b vorgesehen. Die jeweils paarweise angeordneten Halbbrücken 35b, 35b', 36b, 36b', 37b, 37b', die für eine der Phasen 28b, 29b, 30b vorgesehen sind, sind zwischen zwei Leiter 33b, 34b der Inverterschaltung 24b geschaltet. Die Phasen 28b, 29b, 30b sind jeweils an einen Punkt zwischen den beiden entsprechenden Halbbrücken 35b, 35b', 36b, 36b', 37b, 37b' angebunden. Brückenpunkte aller sechs Halbbrücken 35b, 35b', 36b, 36b', 37b, 37b' sind jeweils über eine Diode an einen Leiter 69b der Inverterschaltung 24b angebunden. Ein Zwischenkreis 64b der Leistungselektronik weist zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren auf. Der Leiter 69b, an den die zusätzlichen Dioden der Inverterschaltung 24b angebunden sind, ist an einem Punkt zwischen den beiden Kondensatoren des Zwischenkreises 64b angebunden. Der Leiter 69b der Inverterschaltung 24b und die beiden Leiter 33b, 34b bilden drei unterschiedliche Potentiale der Drei-Level-Inverterschaltung aus. Der Leiter 69b der Inverterschaltung 24b definiert dabei ein Mittenpotential, gegen das Potentiale der beiden Leiter 33b, 34b verschoben sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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