DE102010039886A1

DE102010039886A1 - Antriebssystem für ein batteriebetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102010039886A1
Application number: DE102010039886A
Authority: DE
Inventors: Günter Schwesig; Stefan Völkel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-08-28
Also published as: WO2012025256A1; DE102010039886B4; CN203251231U

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für ein batteriebetriebenes Fahrzeug. Erfindungsgemäß weist dieses Antriebssystem einen zwei selbstgeführte Stromrichter (16, 18) aufweisenden Spannungszwischenkreis-Umrichter (2), die gleichspannungsseitig mittels eines einen Zwischenkreis-Kondensator (20) aufweisenden Spannungszwischenkreises (22) miteinander verknüpft sind, einen mehrphasigen elektrischen Motor (4) mit herausgeführtem Sternpunkt (6), wobei dieser Motor (4) anschlussseitig mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen (R, S, T) eines der beiden selbstgeführten Stromrichter (18) verknüpft ist, und dessen herausgeführter Sternpunkt (6) mittels eines Schalters (10) mit einem Pluspol (36) der Batterie (8) verbindbar ist, der mittels eines dreiphasigen Schalters (12) mit netzseitigen Anschlüssen (30, 32, 34) verbindbar ist, die mittels mehreren Drosseln (28) mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen des zweiten selbstgeführten Stromrichters (16) verbunden sind, wobei ein Minuspol (38) der Batterie (8) mit einer Minus-Stromschiene (26) des Spannungszwischenkreises (22) verknüpft ist, und eine Betriebssteuereinrichtung (14) auf, die signaltechnisch mit den Schaltern (10, 12) verbunden ist. Somit erhält man ein Antriebssystem, das einen netzfreundlichen Netzanschluss aufweist, der an unterschiedlichen Netzspannungen anschließbar ist, dessen Batteriespannung unterhalb bzw. oberhalb einer gleichgerichteten Netzspannung liegen kann und das zur Unterstützung eines Smart Grid Energie in ein angeschlossenes Netz einspeisen kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein batteriebetriebenes Fahrzeug.
Aus der EP 0 593 472 B1 ist ein Antriebssystem für ein batteriebetriebenes Fahrzeug bekannt. Dieses bekannte Antriebssystem eines Elektrofahrzeugs weist einen selbstgeführten Stromrichter, insbesondere einen IGBT-Stromrichter, einen dreiphasigen elektrischen Motor, eine Batterie, mehrere Schalter und eine eine Betriebssteuereinrichtung aufweisende Steuereinrichtung auf. Mit den wechselspannungseitigen Anschlüssen des IGBT-Stromrichters ist der Motor anschlussseitig mittels dreier Schalter verbindbar. Gleichspannungsseitig weist der IGBT-Stromrichter einen Zwischenkreis-Kondensator auf, der mittels zweier weiterer Schalter elektrisch parallel zur Batterie schaltbar ist. Im Fahrbetrieb sind diese Schalter geschlossen, so dass die Batterie die Gleichspannungsversorgung des IGBT-Pulsstromrichters ist, der daraus ein mehrphasiges Wechselspannungssystem variabler Amplitude und Frequenz generiert.
Der in dieser EP-Patentschrift offenbarten Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der IGBT-Pulsstromrichter und ein Bordladegerät eines Elektrofahrzeugs niemals gleichzeitig in Betrieb sein können. Mittels des Bordladegeräts wird beim Parken die Batterie des Elektrofahrzeugs aus einem Versorgungsnetz geladen. Während des Parkens ist der IGBT-Pulsstromrichter ausgeschaltet. Aus diesem Grund ist dieses Antriebssystem derart ausgestaltet, dass zwei Brückenzweige des IGBT-Pulsstromrichters einen Vierquadrantensteller bilden, der als netzfreundliche Einspeisung für den Zwischenkreis-Kondensator dient, und der dritte Brückenzweig dieses IGBT-Pulsstromrichters als Tiefsetzsteller bzw. Ladechopper für die Batterie verwendet wird. Dazu wird ein Anschluss dieser Batterie vom Spannungszwischenkreis getrennt und mittels eines weiteren Schalters mit einem wechselspannungsseitigen Anschluss eines Brückenzweiges des IGBT-Pulsstromrichters verknüpft. Mittels des Vierquadrantenstellers, der als Hochsetzsteller betrieben wird, wird weitgehend ein sinusförmiger oberschwingungsarmer Strom mit einem Leistungsfaktor gleich Eins aus einem angeschlossenen Versorgungsnetz entnommen. Dadurch ist die Spannung am Zwischenkreis-Kondensator immer größer als der Scheitelwert der Versorgungsspannung. Aus diesem Zwischenkreis-Kondensator wird mittels des Tiefsetzstellers die Batterie geladen. Der Vorteil dieses Antriebssystems besteht darin, dass kein separates Bordladegerät mehr benötigt wird, wodurch Platz und Gewicht eingespart werden.
Nachteilig wirkt sich aus, dass die Amplitude der Batteriespannung immer kleiner sein muss als die Amplitude einer gleichgerichteten Netzspannung. Dadurch weist die Zwischenkreisspannung einen geringen Wert auf, wodurch bei vorbestimmter Leistung eines angetriebenen elektrischen Motors sehr hohe Ströme fließen können. Auch kann keine Energie in ein angeschlossenes Versorgungsnetz gespeist werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem für ein batteriebetriebenes Fahrzeug anzugeben, das die aufgeführten Nachteile nicht mehr aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
Dadurch, dass der Spannungszwischenkreis-Umrichter netz- und lastseitig jeweils einen selbstgeführten Stromrichter, dass der elektrische Motor einen herausgeführten Sternpunkt aufweist und dass die Batterie mit einer ihrer beiden Anschlüsse mittels eines Schalters mit dem herausgeführten Sternpunkt oder mit wechselspannungsseitigen Drosseln des netzseitigen selbstgeführten Stromrichters des Spannungszwischenkreis-Umrichters verbindbar ist, kann die Batteriespannung Unter- oder oberhalb einer gleichgerichteten Netzspannung liegen und Energie kann in ein angeschlossenes Versorgungsnetz rückgespeist werden.
Im Fahrbetrieb wird aus der Batteriespannung mittels der Drossel und des netzseitigen selbstgeführten Stromrichters eine konstante Zwischenkreisspannung generiert, die amplitudenmäßig größer als die Amplitude der Batterie ist. Das heißt, der netzseitige selbstgeführte mehrphasige Stromrichter hat die Funktion mehrerer parallel geschalteter DC/DC-Hochsetzsteller.
Im Ladebetrieb ist der mehrphasige Schalter zwischen Batterie und Drosseln geöffnet und der Schalter zwischen herausgeführtem Sternpunkt und Batterie geschlossen. Der netzseitige selbstgeführte Stromrichter generiert mit geringen Netzrückwirkungen eine konstante Zwischenkreisspannung, wogegen die Batterie aus dem Zwischenkreis-Kondensator mit Hilfe des motorseitigen selbstgeführten Stromrichters und der Motorinduktivitäten geladen wird. Das heißt, der motorseitige selbstgeführte Stromrichter und die Motorinduktivitäten bilden mehrere parallel geschaltete DC/DC-Tiefsetzsteller.
Durch diese erfindungsgemäße Topologie des Leistungsteils des Antriebssystems für ein batteriebetriebenes Fahrzeug erhält man ein Antriebssystem, das einen netzfreundlichen Netzanschluss aufweist, der an unterschiedlichen Netzspannungen anschließbar ist, dessen Batteriespannung unterhalb bzw. oberhalb einer gleichgerichteten Netzspannung liegen kann, der Energie in ein angeschlossenes Netz einspeisen kann und der eine hohe Gleichteiligkeit aufweist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der das erfindungsgemäße Antriebssystem für ein batteriebetriebenes Fahrzeug schematisch veranschaulicht ist.
In dieser Figur sind mit 2 ein Spannungszwischenkreis-Umrichter, mit 4 ein mehrphasiger elektrischer Motor mit herausgeführtem Sternpunkt 6, mit 8 eine Batterie, mit 10 ein einpoliger Schalter, mit 12 ein mehrpoliger Schalter und mit 14 eine Betriebssteuereinrichtung bezeichnet. Der Spannungszwischenkreis-Umrichter 2 weist zwei mehrphasige selbstgeführte Stromrichter 16 und 18 auf, die gleichspannungsseitig, mittels eines einen Zwischenkreis-Kondensator 20 aufweisenden Spannungszwischenkreises 22 miteinander verknüpft sind. Als Verbindungselemente dienen eine Plus- und eine Minus-Stromschiene 24 und 26 des Spannungszwischenkreises 22. Mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen R, S und T des selbstgeführten Stromrichters 18 sind die Anschlüsse U, V und W des Motors 4 elektrisch leitend verbunden. Da an diesen selbstgeführten Stromrichter 18 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 der Motor 4 angeschlossen ist, wird dieser auch als motorseitiger selbstgeführter Stromrichter 18 bezeichnet. Der selbstgeführte Stromrichter 16 weist wechselspannungsseitig entsprechend der Anzahl seiner Brückenzweige Drosseln 28 auf. Diese sind in den Zuleitungen zwischen einem Netzanschluss 30, 32 und 34 und einem wechselspannungsseitigen Anschluss des selbstgeführten Stromrichters 16 angeordnet. Da dieser selbstgeführte Stromrichter 16 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 mit Netzanschlüssen 30, 32 und 34 verbindbar ist, wird dieser auch als netzseitiger selbstgeführter Pulsstromrichter 16 bezeichnet.
In dieser Darstellung weisen die beiden selbstgeführten Pulsstromrichter 16 und 18 jeweils als Stromrichterventile abschaltbare Halbleiter auf, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT). Aus diesem Grund werden diese beiden selbstgeführten Pulsstromrichter 16 und 18 auch als IGBT-Pulsstromrichter bezeichnet.
Die Batterie 8 des Antriebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs ist mit seinem Pluspol 36 einerseits mit dem einpoligen Schalter 10 und andererseits mit dem mehrpoligen Schalter 12 elektrisch leitend verbunden. Der Minuspol 38 der Batterie 8 ist mit der Minus-Stromschiene 26 des Spannungszwischenkreises 22 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 des Antriebssystems verknüpft. Diese Minus-Stromschiene 26 bildet ein Bezugspotential dieses Antriebssystems. Der einpolige Schalter 10 ist mit seinem zweiten Anschluss mit dem herausgeführten Sternpunkt 6 des Motors 4 elektrisch leitend verbunden. Der mehrpolige Schalter 12 ist jeweils mit einem Netzanschluss 30, 32 bzw. 34 des Antriebssystems elektrisch leitend verbunden.
Zum Ansteuern dieser beiden Schalter 10 und 12 ist die Betriebssteuereinrichtung 14 vorgesehen, die signaltechnisch mit Steuereingängen dieser beiden Schalter 10 und 12 verknüpft ist. An seinen beiden Steuerausgängen steht jeweils ein Steuersignal S₁₀ und S₁₂ für die beiden Schalter 10 und 12 an. Eingangsseitig stehen an dieser Betriebssteuereinrichtung 14 ein Signal S_F für den Fahrbetrieb und ein Signal S_L für den Ladebetrieb an.
Als netzseitige Verbindung zwischen Antriebssystem und einem Versorgungsnetz 40, beispielsweise eine Ladestation, ist ein mehrpoliger Schalter 42 vorgesehen. Dieser mehrpolige Schalter 42 kann in einem Stecker eines Ladekabels einer Ladestation integriert sein. Sobald dieser Stecker mit seinen Kontakten in die Netzanschlüsse 30, 32 und 34 des Antriebssystems gesteckt ist, ist der mehrpolige Schalter 42 des Steckers geschlossen und das Antriebssystem ist mit einem Versorgungsnetz, insbesondere einer Ladestation, elektrisch leitend verbunden.
Anhand dieser schematischen Darstellung des Antriebssystems nach der Erfindung werden die einzelnen Betriebsarten dieses Antriebssystems erläutert:
Im Fahrbetrieb ”motorischer Betrieb” des Motors 4 steht an der Betriebssteuereinrichtung 14 das Signal S_F für den Fahrbetrieb an. Dadurch generiert diese Betriebssteuereinrichtung 14 ein Signal S₁₂ für den mehrpoligen Schalter 12, wodurch dieser geschlossen wird. Außerdem wird ein Signal S₁₀ für den einpoligen Schalter 10 generiert, wodurch dieser geöffnet wird. In diesem Betriebszustand ist der Pluspol 36 der Batterie 8 jeweils mit einer Drossel 28 mit einem wechselspannungsseitigen Anschluss des netzseitigen selbstgeführten Stromrichters 16 elektrisch leitend verbunden. Jede Drossel 28 in Verbindung eines Brückenzweigs des selbstgeführten Stromrichters 16 bildet einen DC/DC-Hochsetzsteller. Da gleichspannungsseitig diese Brückenzweige des selbstgeführten Pulsstromrichters 16 elektrisch parallel geschaltet sind, bildet dieser selbstgeführte Pulsstromrichter 16 mit den vorgeschalteten Drosseln 28 in diesem Betriebszustand drei parallel geschaltete DC/DC-Hochsetzsteller. Dieser DC/DC-Hochsetzsteller erzeugt eine konstante Gleichspannung, die im Zwischenkreis-Kondensator 20 des Spannungszwischenkreises 22 ansteht. Dieser Zwischenkreis-Kondensator 20 bildet eine konstante Gleichspannungsquelle, aus der der motorseitige selbstgeführte Stromrichter 18 ein mehrphasiges Wechselstromsystem mit variabler Amplitude und Frequenz generiert. Die Amplitude und Frequenz werden derart geregelt, dass der Motor mit einer vorbestimmten Drehzahl dreht.
Im Fahrbetrieb ”generatorischer Betrieb” des Motors 4 sind der mehrpolige Schalter 12 und der einpolige Schalter 10 weiterhin geschlossen. Im Gegensatz zum Fahrbetrieb ”motorischer Betrieb” des Motors 4 wird nun dieser Motor 4 generatorisch betrieben, das heißt, der Motor 4 befindet sich im Bremsbetrieb. In diesem Bremsbetriebszustand wird der selbstgeführte Pulsstromrichter 18 als Gleichrichter betrieben. Dadurch wird Energie in den Zwischenkreis-Kondensator 20 des Spannungszwischenkreises 22 gespeist. Damit die Zwischenkreisspannung einen vorbestimmten Grenzwert nicht überschreitet, arbeitet der selbstgeführte Pulsstromrichter 16 in Verbindung mit den Drosseln 28 als drei parallel geschaltete DC/DC-Tiefsetzsteller. Dadurch wird bei jedem Bremsen des Motors 4 die Batterie 8 mittels dieser Stromrichter-Topologie immer wieder nachgeladen.
Im Ladebetrieb steht der Betriebssteuereinrichtung 14 ein Signal S_L für den Ladebetrieb an. In Abhängigkeit dieses Betriebssignals S_L erzeugt die Betriebssteuereinrichtung 14 ein Signal S₁₂ für den mehrpoligen Schalter 12 und ein Signal S₁₀ für den einpoligen Schalter 10. Durch diese generierten Signale S₁₂ und S₁₀ werden der einpolige Schalter 10 geschlossen und der mehrpolige Schalter 12 geöffnet. Dadurch ist der Pluspol 36 der Batterie 8 mit dem herausgeführten Sternpunkt 6 des mehrphasigen elektrischen Motors 4 elektrisch leitend verbunden. Im Ladebetrieb ist das Antriebssystem mit einem Versorgungsnetz 40 elektrisch leitend verbunden, in dem der mehrpolige Schalter 42 geschlossen ist. Dadurch generiert der netzseitige selbstgeführte Stromrichter 16 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 eine konstante Zwischenkreisspannung am Zwischenkreis-Kondensator 20 mit geringen Netzrückwirkungen. Das heißt, durch eine Pulsmodulation des netzseitigen selbstgeführten Stromrichters 16 wird ein annähernd sinusförmiger Strom dem Versorgungsnetz 40 entnommen. Dieser selbstgeführte Stromrichter 16 arbeitet in Verbindung mit den vorgeschalteten Drosseln 28 als Hochsetzsteller. Mittels des motorseitigen selbstgeführten Stromrichters 18 und der Motorinduktivitäten 44 des mehrphasigen elektrischen Motors 4 wird ein von der Batterie 8 gewünschter Ladestrom eingestellt. In diesem Betriebszustand arbeitet der motorseitige selbstgeführte Stromrichter 18 zusammen mit den Motorinduktivitäten 44 wie drei parallel geschaltete DC/DC-Tiefsetzsteller.
In diesem Betriebszustand, wenn das Antriebssystem mit einem Versorgungsnetz 40 elektrisch leitend verbunden ist, d. h., das batteriebetriebene Fahrzeug ist beispielsweise mit einer Ladestation oder in einer Garage mit einem Netzanschluss verknüpft, kann auch Energie aus der Batterie in das Versorgungsnetz zurückgespeist werden. In diesem Fall arbeitet der motorseitige selbstgeführte Stromrichter 18 in Verbindung mit den Motorinduktivitäten 44 als drei parallel geschaltete DC/DC-Hochsetzsteller. Der netzseitige selbstgeführte Stromrichter 16 wird derart gesteuert, dass Energie zurück in ein angeschlossenes Versorgungsnetz 40 gespeist werden kann (Unterstützung ”Smart Grid”). Der selbstgeführte Stromrichter 16 bildet dann in Verbindung mit den vorgeschalteten Drosseln 28 ein so genanntes ”Active Front End” (AFE).
Mit diesem erfindungsgemäßen Antriebssystem werden folgende Anforderungen gelöst:

– Batterie kann an unterschiedlichen Versorgungsnetzen mit hoher Leistung geladen werden,
– geringe Netzrückwirkungen,
– Batterie kann als lokaler Energieversorger (Unterstützung ”Smart Grid”) betrieben werden (Energierückspeisung),
– Umschaltung zwischen Fahr- und Lade- bzw. Rückspeisebetrieb erfolgt ohne großen Aufwand (nur zwei Schalter),
– Motorinduktivitäten eines angeschlossenen elektrischen Motors werden als Steller-Drosseln verwendet,
– hohe Gleichteiligkeit der Komponenten des Antriebssystems und
– kompakter Aufbau durch alternative Nutzung von Komponenten des Antriebssystems während eines Fahr- bzw. Ladebetriebs.

Somit erhält man ein vielseitig einsetzbares Antriebssystem für ein batteriebetriebenes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Stromrichter-Topologie, bei der kein Bordladegerät mehr benötigt wird und das aufwandsarm betrieben werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0593472 B1 [0002]

Claims

Antriebssystem für ein batteriebetriebenes Fahrzeug mit einem zwei selbstgeführte Stromrichter (16, 18) aufweisenden Spannungszwischenkreis-Umrichter (2), die gleichspannungsseitig mittels eines einen Zwischenkreis-Kondensator (20) aufweisenden Spannungszwischenkreis (22) miteinander verknüpft sind, mit einem mehrphasigen elektrischen Motor (4) mit herausgeführtem Sternpunkt (6), wobei dieser Motor (4) anschlussseitig mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen (R, S, T) eines der beiden selbstgeführten Stromrichter (18) verknüpft ist, und dessen herausgeführter Sternpunkt (6) mittels eines Schalters (10) mit einem Pluspol (36) der Batterie (8) verbindbar ist, der mittels eines dreiphasigen Schalters (12) mit netzseitigen Anschlüssen (30, 32, 34) verbindbar ist, die mittels mehreren Drosseln (28) mit welchelspannungsseitigen Anschlüssen des zweiten selbstgeführten Stromrichters (16) verbunden sind, wobei ein Minuspol (38) der Batterie (8) mit einer Minus-Stromschiene (26) des Spannungszwischenkreises (22) verknüpft ist, und mit einer Betriebssteuereinrichtung (14), die signaltechnisch mit den Schaltern (10, 12) verbunden ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils als selbstgeführter Stromrichter (16, 18) ein IGBT-Pulsstromrichter vorgesehen ist.
Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der IGBT-Pulsstromrichter dreiphasig ausgeführt ist.