DE102012007158A1 - Device for controlling power flow in motor vehicle e.g. motor car, has switching device that separates electric drive from bidirectionally operable inverter and connects inverter with charging terminal device based on control signal - Google Patents

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Abstract

The device (10) has an electric drive (7) that is connected with a bidirectionally operable inverter (3) with switched ON and OFF power components. A current intermediate circuit (4) is connected with an electrical energy storage unit (6). A charge terminal device (1) is connected to an external power source. A switching device (2) is arranged between the inverter and the electric drive to separate the electric drive from the inverter and to connect the inverter with the charging terminal device based on control signal. An independent claim is included for a method for stabilizing electrical power supply network.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Steuern eines Energieflusses in einem Kraftwagen gemäß Anspruch 1 sowie einen Kraftwagen mit einer solchen Einrichtung gemäß Anspruch 10. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Stabilisierung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 11.The invention relates to a device for controlling an energy flow in a motor vehicle according to claim 1 and a motor vehicle with such a device according to claim 10. Furthermore, the invention relates to a method for stabilizing an electrical energy supply network according to the preamble of patent claim 11.

Im Zuge der Verknappung fossiler Treibstoffe hat die Autoindustrie die Entwicklung alternativer Antriebe vorangetrieben. In naher Zukunft werden Hybridkraftwagen sowie vollständig elektrisch angetriebene Kraftwagen den Einsatz von Verbrennungsmotoren in Kraftwagen ablösen.In the wake of the shortage of fossil fuels, the auto industry has pushed ahead with the development of alternative drives. In the near future, hybrid cars as well as fully electric cars will replace the use of internal combustion engines in cars.

Gegenwärtig kommen zum Speichern von elektrischer Energie hauptsächlich Batterien bzw. Akkumulatoren zum Einsatz. Heutige Akkumulatoren müssen in der Lage sein, hohe Ströme – bis zu 200 A – über längere Zeitabschnitte bereitzustellen. Die elektrischen Energiespeicher werden üblicherweise über ein internes oder externes Ladegerät aufgeladen.At present, mainly batteries or accumulators are used for storing electrical energy. Today's accumulators must be able to provide high currents - up to 200 A - for longer periods of time. The electrical energy storage devices are usually charged via an internal or external charger.

Darüber hinaus befinden sich Konzepte in der Entwicklung, bei denen die elektrischen Energiespeicher zur Stabilisierung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes verwendet werden. Ein Bereich, in dem diese Konzepte ausgearbeitet werden, lässt sich unter dem Schlagwort „Smart-Grid” zusammenfassen. Durch eine starke zeitabhängige Varianz der Verfügbarkeit bestimmter Energie, wie beispielsweise der Wind- oder der Solarenergie, werden Schwankungen des Leistungsangebots im elektrischen Energieverteilungsnetz verursacht. Um eine stabile elektrische Energieversorgung zu gewährleisten sollen solche Schwankungen durch geeignete Puffer, wie zum Beispiel Energiespeicher, in Elektrofahrzeugen ausgeglichen werden.In addition, there are concepts in development in which the electrical energy storage are used to stabilize an electrical energy supply network. An area in which these concepts are elaborated can be summarized under the keyword "smart grid". A strong time-dependent variance of the availability of certain energy, such as wind or solar energy, causes fluctuations in the supply of power in the electrical energy distribution network. In order to ensure a stable electrical energy supply such fluctuations should be compensated by suitable buffers, such as energy storage in electric vehicles.

Herkömmliche elektrische Energiespeicher werden mittels separater potenzialgetrennter Onboard-Lader verwendet, die eine Ladeleistung von 3 kW bis 22 kW ermöglichen. Ein solcher Onboard-Lader benötigt Platz und schränkt somit den Bauraum in einem Fahrzeug ein. Aufgrund der geringen Ladeleistung – 3 kW bis 22 kW – sind lange Ladezeiten notwendig, was sich wiederum einschränkend auf die Wettbewerbsfähigkeit der Fahrzeuge auswirkt.Conventional electrical energy storage systems are used by means of separate electrically isolated on-board chargers, which allow a charging power of 3 kW to 22 kW. Such an onboard loader requires space and thus limits the space in a vehicle. Due to the low charging power - 3 kW to 22 kW - long charging times are necessary, which in turn has a restrictive effect on the competitiveness of the vehicles.

Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Ladeleistung, beispielsweise auf 44 kW, kann durch direkte Energieaufnahme ohne Potenzialtrennung aus dem Versorgungsnetz erreicht werden. Da eine Batteriespannung um 400 V dem heutigen Stand der Technik entspricht, muss bei der direkten Energieentnahme aus einem Niederspannungsverteilungsnetz notwendigerweise eine Leistungsregulierung erfolgen.One way to increase the charging power, for example, to 44 kW, can be achieved by direct energy consumption without isolation from the supply network. Since a battery voltage of 400 V corresponds to the current state of the art, a power regulation must necessarily take place in the direct extraction of energy from a low-voltage distribution network.

Aus der Druckschrift WO 2011/098307 ist eine Ladestation bekannt, bei der ein Anschluss für einen Wechsel- oder Drehstrom vorgesehen ist. Die Anordnung weist des Weiteren einen elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs auf, einen mit dem Antriebsmotor verbundenen Wechselrichter, einen mit dem Wechselrichter verbundenen Gleichspannungszwischenkreis und eine mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundene Antriebsbatterie. Über einen geeigneten Schalter, kann auf eine externe Wechselspannungsquelle umgeschaltet werden.From the publication WO 2011/098307 a charging station is known in which a connection is provided for a AC or three-phase current. The arrangement further comprises an electric drive motor for driving a motor vehicle, an inverter connected to the drive motor, a DC voltage intermediate circuit connected to the inverter and a drive battery connected to the DC voltage intermediate circuit. Via a suitable switch, it is possible to switch over to an external AC voltage source.

Bei dieser Lösung kann auf ein internes Ladegerät verzichtet werden, da ein Spannungszwischenkreis-Umrichter als Fahrwechselrichter beim Fahren und als Gleichrichter im Ladebetrieb verwendet wird. Ein DC/DC-Wandler dient als Tiefsetzsteller im Fahrbetrieb. Dies führt jedoch aufgrund der erforderlichen Fahrleistung zu einer hohen Dimensionierung des Bauteils. Durch Verwendung des Spannungszwischenkreis-Umrichters entsteht aufgrund der Taktung eine Gleichtaktstörung an der Batterie, die wiederum zu einer notwendigen Integration eines großen Filterkondensators an der Batterie führt.In this solution can be dispensed with an internal charger, since a voltage source inverter is used as drive inverter while driving and as a rectifier in charging mode. A DC / DC converter serves as a buck converter while driving. However, due to the required driving performance, this leads to a high dimensioning of the component. By using the voltage source inverter, due to the clocking, a common mode noise occurs on the battery, which in turn leads to a necessary integration of a large filter capacitor on the battery.

Des Weiteren ist aus der Druckschrift WO 2010/146092A1 eine Anordnung bekannt, bei der ein Stromzwischenkreis-Umrichter im Ladebetrieb zusätzlich als Gleichrichter benötigt wird. Ein Fahrwechselrichter ist im Ladebetrieb ausgeschaltet und wird somit nicht funktional genutzt. Leitende Schutzdioden im Stromkreis-Umrichter verursachen zusätzliche Verluste im Ladebetrieb. Ein bidirektionales Laden ist nur durch Umschalten der Potenziale hinter einem Netzgleichrichter möglich.Furthermore, from the document WO 2010 / 146092A1 an arrangement is known in which a power source inverter in charging mode is additionally required as a rectifier. A drive inverter is switched off in the charging mode and is thus not used functionally. Conductive protective diodes in the circuit inverter cause additional losses in the charging mode. Bidirectional charging is only possible by switching the potentials behind a mains rectifier.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Steuern eines Energieflusses in einem Kraftwagen bereitzustellen, bei der einzelne Antriebskomponenten sowohl für den Fahr- als auch für den Ladebetrieb genutzt werden können, um damit Bauraum im Fahrzeug einzusparen und unnötige Verluste zu vermeiden. Darüber hinaus sollen mögliche Netzrückwirkungen minimiert werde.The object of the present invention is to provide a device for controlling an energy flow in a motor vehicle, in which individual drive components can be used both for driving and for loading operation, in order to save installation space in the vehicle and to avoid unnecessary losses. In addition, potential network perturbations are minimized.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Einrichtung zum Steuern eines Energieflusses in einem Kraftwagen gelöst, welche umfasst: einen elektrischen Antrieb, einen mit dem elektrischen Antrieb verbundenen bidirektionalen betreibbaren Wechselrichter mit ein- und ausschaltbaren Leistungsbauelementen, der über einen dazugehörigen Stromzwischenkreis mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden ist, eine Ladeanschlusseinrichtung zum Anschließen an eine externe Energiequelle sowie eine Schaltvorrichtung zwischen dem Wechselrichter und dem elektrischen Antrieb, die dazu ausgebildet ist, auf ein Steuersignal hin den elektrischen Antrieb vom Wechselrichter zu trennen und den Wechselrichter mit der Ladeanschlusseinrichtung zu verbinden.The object is achieved by means of a device for controlling an energy flow in a motor vehicle, comprising: an electric drive, a connected to the electric drive bidirectional operable inverter with on and off power components, which is connected via an associated power link to an electrical energy storage a charge connection device for connection to an external energy source and a switching device between the inverter and the electric drive, which is designed to separate the electric drive from the inverter in response to a control signal and connect the inverter to the charging connector.

Der bidirektional betreibbare Wechselrichter mit seinem dazugehörigen Stromzwischenkreis wird im Ladebetrieb als Netz-Gleichrichter verwendet und im Fahrbetrieb als Fahr-Wechselrichter. Dadurch können einzelne Einrichtungskomponenten sowohl für einen Fahr- als auch für einen Ladebetrieb genutzt werden und damit zusätzlicher Stauraum/Bauraum in dem Kraftwagen geschaffen werden. Sofern auf eine Komponente verzichtet wird, hier beispielsweise ein Ladegerät, hat dies eine Gewichtsreduktion des Kraftwagens zur Folge mit den weiteren Vorteilen einer längeren Laufzeit und einer höheren Beschleunigung.The bidirectionally operable inverter with its associated power link is used in charging mode as a mains rectifier and when driving as a driving inverter. As a result, individual device components can be used both for a driving and for a loading operation and thus additional storage space / space can be created in the car. If one component is omitted, here for example a charger, this results in a weight reduction of the motor vehicle with the further advantages of a longer running time and a higher acceleration.

Darüber hinaus lässt sich über den mit dem elektrischen Antrieb verbundenen bidirektional betreibbaren Wechselrichter Energie rekuperieren, die beispielsweise bei einem Bremsvorgang aufgenommen wird, wobei die mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird und den elektrischen Energiespeicher auf diese Weise mit einem angepassten Gleichstrom auflädt.In addition, energy can be recuperated via the bidirectionally operable inverter connected to the electric drive, which is received, for example, during a braking operation, wherein the mechanical energy is converted into electrical energy and charges the electrical energy store in this way with an adapted direct current.

Gleichzeitig können die einzelnen Komponenten der Einrichtung auch für das Laden an einem Ladeanschluss als galvanisch gekoppelter Lader wieder verwendet werden. Damit sind Ladeleistungen von 44 kW möglich, da ein Antriebsstrang der Einrichtung bzw. des Kraftwagens für Leistungen dimensioniert ist, die größer als 44 kW sind. Durch die optimale Ausnutzung der Einrichtungskomponenten im Fahr- und Ladebetrieb, kann die Anzahl der Komponenten im Fahrzeug durch Entfallen eines potenzialgetrennten Laders reduziert werden.At the same time, the individual components of the device can also be reused for charging at a charging port as a galvanically coupled charger. Thus, charging power of 44 kW are possible because a drive train of the device or the motor vehicle is dimensioned for services that are greater than 44 kW. Due to the optimal utilization of the device components in driving and loading operation, the number of components in the vehicle can be reduced by eliminating a potential-separated loader.

Ferner unterstützt die Erfindung das Konzept eines „Smart-Grid”, da es sich um eine Möglichkeit eines bidirektionalen Ladebetriebs handelt. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass der Wechselrichter sowohl für den Fahr- als auch für den Ladebetrieb eingesetzt wird, so dass kein zusätzlicher Netzgleichrichter – unter Verzicht auf einen Onboard-Lader in dem Antriebsstrang – zu integrieren ist, um einen Ladebetrieb zu ermöglichen. Mittels des Wechselrichters mit dem dazugehörigen Stromzwischenkreis können die Ströme direkt geregelt werden und somit weniger Oberschwingungen in den Strömen verursacht werden, wodurch gleichzeitig das Verlustverhalten des elektrischen Antriebs beim Fahrbetrieb verbessert wird. Darüber hinaus reduziert der Einsatz des Wechselrichters mit dem dazugehörigen Stromzwischenkreis Oberschwingungsströme, wodurch die Netzrückwirkung beim direkten Laden des elektrischen Energiespeichers aus dem Versorgungsnetz mit einem geringeren Filteraufwand verbessert wird.Furthermore, the invention supports the concept of a "smart grid", since it is a possibility of bidirectional charging operation. A particular advantage is that the inverter is used both for driving and for charging, so that no additional power rectifier - to dispense with an onboard charger in the drive train - to integrate to allow a loading operation. By means of the inverter with the associated current intermediate circuit, the currents can be controlled directly and thus less harmonics in the currents are caused, whereby at the same time the loss of the electrical drive is improved while driving. In addition, the use of the inverter with the associated power link reduces harmonic currents, which improves the network feedback when direct charging of the electrical energy storage device from the supply network with a lower filtration cost.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromzwischenkreis ein Umrichter angeordnet. Dadurch kann gezielt ein Fahr- bzw. Ladestrom optimal eingestellt werden.In a preferred embodiment of the invention, a converter is arranged between the electrical energy store and the current intermediate circuit. As a result, it is possible to optimally set a driving or charging current.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Umrichter im Fahrbetrieb als Tiefsetzsteller und in einem Ladebetrieb als Hochsetzsteller eingesetzt. Der Wechselrichter wird während des Fahrbetriebs als Hochsetzsteller betrieben und ermöglicht die Auslegung der elektrischen Antriebsmaschine für höhere Spannungen. Während des Ladebetriebs wird der Wechselrichter – abhängig von einem Ladestrom – als Tiefsetzsteller eingeschaltet, um einen Arbeitspunkt bzw. den Ladestrom einzustellen. Dadurch kann der Wirkungsgrad eines Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers optimiert werden.In a particularly preferred embodiment, the inverter is used as a step-down converter in driving operation and as a boost converter in a charging operation. The inverter is operated as a boost converter during driving and allows the design of the electric drive machine for higher voltages. During charging, the inverter is switched on as a step-down converter depending on a charging current in order to set an operating point or the charging current. As a result, the efficiency of a charging process of the electrical energy storage can be optimized.

Zweckmäßigerweise weist in einer weiteren Ausführungsform der Stromzwischenkreis eine Induktivität auf. Die Verwendung einer Induktivität ist in vielerlei Hinsicht robuster im Vergleich zum Einsatz eines Zwischenkreis-Kondensators. Besonders vorteilhaft ist das Aufladen der Traktionsbatterie direkt an einem Niederspannungs-Verteilungsnetz. Dadurch kann die Ladeleistung erheblich gesteigert und gleichzeitig die erforderliche Ladezeit verkürzt werden.Expediently, in a further embodiment, the current intermediate circuit has an inductance. The use of an inductance is in many ways more robust compared to the use of a DC link capacitor. Charging the traction battery directly on a low-voltage distribution network is particularly advantageous. As a result, the charging power can be increased considerably and at the same time the required charging time can be shortened.

Um Netzrückwirkungen – in das einspeisende Netz – zu vermindern, ist zwischen der Ladeanschlusseinrichtung und der Schaltvorrichtung für jede Phase der Drei-Phasen-Wechselspannungsquelle jeweils eine Spule geschaltet. Diese Spulen diesen der Filterung bzw. Dämpfung von Oberschwingungen des Stroms bzw. der Spannung und helfen die Vorschriften von Netzwerkbetreibern einzuhalten.In order to reduce network perturbations - in the feeding network - a coil is connected between the charging terminal device and the switching device for each phase of the three-phase AC voltage source. These coils are used to filter or attenuate the harmonics of the current or voltage and help to comply with the regulations of network operators.

Des Weiteren ist die verwendete Wechselrichtertopologie mit einem Stromzwischenkreis mit ein- und ausschaltbaren Leistungsbauelementen vom besonderen Vorteil. Durch die Schaltmöglichkeit des selbstgeführten Wechselrichters ermöglicht eine solche Topologie die Verteilung des Zwischenkreisstroms auf die Phasen der elektrischen Maschine und die Glättungskondensatoren zur gewünschten Taktzeit. Durch die Glättungskondensatoren werden der Wechselrichter und die elektrische Maschine entkoppelt. Ein dreiphasiges symmetrisches Drehspannungssystem bildet sich an den Glättungskondensatoren, von dem die elektrische Maschine gespeist wird. Aus diesem Grund besteht die Aufgabe des Wechselrichters einerseits darin, die Kondensatoren aufzuladen sowie zu entladen, um das Drehspannungssystem zu erzeugen, andererseits auch darin die benötigten Ströme an die elektrische Maschine zu liefern. Durch die Entkopplung der elektrischen Maschine und des Wechselrichters, wirken die Glättungskondensatoren als Last für den Wechselrichter und dieser kann durch Pulsweitenmodulation im gesamten Betriebsbereich mit der durch die Schalteigenschaften der Leistungsschalter bedingten Frequenz betrieben werden. Abhängig vom Zwischenkreisstrom, der Dimensionierung der Zwischenkreisinduktivität und der Schaltfrequenz wird ein harmonischer Anteil der Spannungen an den Kondensatoren geglättet. Es treten somit keine Spannungsspitzen durch das Schalten der Leistungsschalter auf. Zusammen mit den Induktivitäten der elektrischen Maschine bilden die Glättungskondensatoren ein Filter zweiter Ordnung. Somit ist mit einem sehr viel geringerem Oberschwingungsgehalt in den Maschinenspannungen und -strömen zu rechnen.Furthermore, the inverter topology used with a current intermediate circuit with power components that can be switched on and off is of particular advantage. By the possibility of switching the self-commutated inverter such a topology allows the distribution of the DC link current to the phases of the electric machine and the smoothing capacitors at the desired cycle time. The smoothing capacitors decouple the inverter and the electrical machine. A three-phase symmetrical three-phase system is formed on the smoothing capacitors from which the electric machine is fed. For this reason, the task of the inverter on the one hand is to charge and discharge the capacitors to produce the three-phase voltage system, on the other hand also to deliver the required currents to the electric machine. By decoupling the electrical machine and the inverter, the effect Smoothing capacitors as a load for the inverter and this can be operated by pulse width modulation throughout the operating range with the conditional by the switching characteristics of the circuit breaker frequency. Depending on the DC link current, the dimensioning of the DC link inductance and the switching frequency, a harmonic component of the voltages across the capacitors is smoothed. There are thus no voltage peaks due to the switching of the circuit breaker. Together with the inductances of the electric machine, the smoothing capacitors form a second-order filter. Thus, a much lower harmonic content in the machine voltages and currents is to be expected.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Batteriemanagement vorgesehen, welches ausgebildet ist, einzelne Regelungs- und/oder Steuerungsvorgänge der Einrichtung zu verbessern. Durch den Einsatz des Batteriemanagementsystems können die Leistungen der einzelnen Komponenten der Einrichtung optimiert werden und gleichzeitig die Verluste stark vermindert werden, indem die einzelnen Komponenten aufeinander ideal in dem jeweiligen Fahr- oder Ladebetrieb abgestimmt werden.In a particularly preferred embodiment of the invention, a battery management is provided, which is designed to improve individual control and / or control operations of the device. Through the use of the battery management system, the performance of the individual components of the device can be optimized while the losses are greatly reduced by the individual components are ideally matched to each other in each driving or loading operation.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Batteriemanagementsystems ermöglicht es, ein Steuersignal für eine Komponente der Einrichtung abhängig von einem externen Steuersignal zu erzeugen, wenn die Einrichtung mit der Energiequelle verbunden ist. Dadurch kann das Batteriemanagementsystem die einzelnen Komponenten der Einrichtung kontrollieren und dabei von außen gesteuert werden, wenn das Kraftfahrzeug an ein Energieversorgungsnetz angeschlossen ist. Demnach wird abhängig von der Richtung des Energieflusses entweder der über die Ladeanschlusseinrichtung eingespeiste Wechselstrom gleichgerichtet, wobei er über den Wechselrichter und Stromzwischenkreis den elektrischen Energiespeicher auflädt, oder der aus dem elektrischen Energiespeicher entnommene Gleichstrom wird über den Stromzwischenkreis und den bidirektionalen Wechselrichter umgerichtet und ins Energieversorgungsnetz zurückgespeist. Das Lademanagement bzw. der Energiefluss erfolgt dabei vorteilhafterweise über das Batteriemanagementsystem.A particularly advantageous embodiment of the battery management system makes it possible to generate a control signal for a component of the device as a function of an external control signal when the device is connected to the energy source. This allows the battery management system to control the individual components of the device while being externally controlled when the motor vehicle is connected to a power grid. Accordingly, depending on the direction of the energy flow, either the alternating current fed via the charging terminal device is rectified, charging the electrical energy store via the inverter and current intermediate circuit, or the direct current drawn from the electrical energy store is re-directed via the current intermediate circuit and the bidirectional inverter and fed back into the energy supply network , The charge management or the energy flow is advantageously carried out via the battery management system.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Kraftwagen mit einer Einrichtung zum Steuern eines Energieflusses gemäß der Erfindung. Ein solcher Kraftwagen kann – sofern er in Verbindung mit einer Ladestation eines Energieversorgungsnetzes verbunden ist – als Energiepuffer dafür verwendet werden.Another aspect of the invention relates to a motor vehicle with a device for controlling an energy flow according to the invention. Such a motor vehicle can - if it is connected in connection with a charging station of a power supply network - be used as an energy buffer for it.

Noch ein weiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes mit den Schritten: Anschließen einer Einrichtung oder eines Kraftwagens an ein elektrisches Energieversorgungsnetz; Speichern von elektrischer Energie in dem elektrischen Energiespeicher der Einrichtung oder des Kraftwagens während eines ersten Zeitabschnitts, und Abgeben zumindest eines Teils der gespeicherten elektrischen Energie an das Energieversorgungsnetz während eines zweiten Zeitabschnitts. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Zeitabschnitt um einen Zeitabschnitt mit einer geringen Belastung des Energieversorgungsnetzes und bei dem zweiten Zeitabschnitt um einen Zeitabschnitt hoher Belastung des Energieversorgungsnetzes.Yet another aspect of the invention relates to a method of stabilizing an electrical power grid comprising the steps of: connecting a device or a motor vehicle to an electrical power grid; Storing electrical energy in the electrical energy storage of the device or the motor vehicle during a first time period, and outputting at least a portion of the stored electrical energy to the power supply network during a second time period. Preferably, the first time period is a period of time with a low load of the power supply network and in the second time period is a period of high load of the power supply network.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das externe Signal eine Information über einen Belastungszustand des Energieversorgungsnetzes, womit die Komponente der Einrichtung gesteuert wird. Dementsprechend kann eine an das Energieversorgungsnetz angeschlossene Einrichtung oder ein damit versehener Kraftwagen optimal zur Pufferung von Leistungsschwankungen des Energieversorgungsnetzes genutzt werden.In a particularly preferred embodiment, the external signal contains information about a load state of the power supply network, whereby the component of the device is controlled. Accordingly, a device connected to the energy supply network or a motor vehicle provided therewith can be used optimally for buffering power fluctuations of the energy supply network.

Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt die einzige Figur skizzenhaft ein Blockdiagramm, in dem einzelne Komponenten der Einrichtung als Bauteile eines Schaltplans angedeutet sind. Die Ausführungsform zeigt eine Einrichtung zum Steuern eines Energieflusses in einem Kraftwagen. Die Funktionsweise der einzelnen Komponenten der Einrichtung wird anhand eines Lade- bwz. Fahrvorgangs beschrieben.In the following the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to a drawing. In this case, the single figure sketchy shows a block diagram in which individual components of the device are indicated as components of a circuit diagram. The embodiment shows a device for controlling an energy flow in a motor vehicle. The functioning of the individual components of the device is based on a loading bwz. Driving described.

Über eine Ladeanschlusseinrichtung 1 wird die Einrichtung 10 mit einer Energiequelle verbunden. Bei diesem Beispiel handelt es sich um eine Dreiphasenwechselspannungsquelle V_ac1, V_ac2, V_ac3 bei der einzelne Phasen jeweils eine Spule L5, L6, L7 aufweisen. Die Spulen L5, L6, L7 sind zur Minimierung von Netzrückwirkungen vorgesehen wobei sie für eine Reduzierung von Oberschwingungsströmen beim Ladevorgang eines elektrischen Energiespeichers 6 über einen Wechselrichter 3 sorgen. Die einzelnen Phasen der Ladeanschlusseinrichtung 1 sind über eine Schaltvorrichtung 2 mit den Schaltern S4, S5, S6 mit Eingängen eines Wechselrichters 3 verbunden. Bei dem Wechselrichter 3 handelt es sich um einen bidirektional betreibbaren Wechselrichter 3. Der Wechselrichter 3 dient beim Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers 6 zum Umwandeln eines Wechselstroms aus der Dreiphasenwechselspannungsquelle V_ac1, V_ac2, V_ac3 in einen Gleichstrom IDC bzw. eine Gleichspannung, die zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 6 über einen Stromzwischenkreis 4 erforderlich ist. Demnach arbeitet der Wechselrichter 3 im Ladebetrieb als Netzgleichrichter.About a charging terminal device 1 will be the device 10 connected to an energy source. In this example, it is a three-phase AC power source V_ac1, V_ac2, V_ac3 in which individual phases each have a coil L5, L6, L7. The coils L5, L6, L7 are provided for minimizing network perturbations while providing for a reduction of harmonic currents during the charging of an electrical energy storage 6 via an inverter 3 to care. The individual phases of the charging terminal device 1 are via a switching device 2 with the switches S4, S5, S6 with inputs of an inverter 3 connected. At the inverter 3 it is a bidirectionally operable inverter 3 , The inverter 3 serves for charging the electrical energy storage 6 for converting an alternating current from the three-phase AC voltage source V_ac1, V_ac2, V_ac3 into a DC IDC or a DC voltage which is used to charge the electrical energy store 6 via a power link 4 is required. Accordingly, the inverter works 3 in charging mode as mains rectifier.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden einzelne Komponenten der Einrichtung 10 mittels eines Batteriemanagementsystems – hier nicht gezeigt – geregelt bzw. gesteuert. In der vorliegenden Ausführungsform ist zwischen dem Stromzwischenkreis 4 und dem elektrischen Energiespeicher 6 ein Umrichter 5 vorgesehen, der im Ladebetrieb als Hochsteller arbeitet. Durch die Anpassung von Ladestrom IDC und Ladespannung kann eine optimale Ladeleistung des elektrischen Energiespeichers 6 erreicht werden. In einer vereinfachten Ausführungsform kann auf den Umrichter 5 verzichtet werden, wobei der Wechselrichter 3 mit dazugehörigem Stromzwischenkreis 4 direkt mit dem elektrischen Energiespeicher 6 verbunden wird. Im Ladebetrieb ist ein elektrischer Antrieb 7 von den drei Phasen der Dreiphasenwechselspannungsquelle V_ac1, V_ac2, V_ac3 der Ladeanschlusseinrichtung 1 über die Schaltvorrichtung 2 galvanisch getrennt, so dass als weiterer Vorteil keine Rückwirkungen auf Grund des Ladebetriebs an dem elektrischen Antrieb 2 auftreten. In a preferred embodiment, individual components of the device 10 by means of a battery management system - not shown here - regulated or controlled. In the present embodiment, there is between the power link 4 and the electrical energy storage 6 an inverter 5 is provided, which works in the loading operation as a supervisor. Due to the adaptation of the charging current IDC and charging voltage, an optimal charging performance of the electrical energy storage can be achieved 6 be achieved. In a simplified embodiment, the inverter 5 be omitted, the inverter 3 with associated power link 4 directly with the electrical energy storage 6 is connected. In charging mode is an electric drive 7 of the three phases of the three-phase AC power source V_ac1, V_ac2, V_ac3 of the charging terminal 1 over the switching device 2 galvanically isolated, so that as a further advantage no repercussions due to the charging operation of the electric drive 2 occur.

In einem Fahrbetrieb wird der elektrische Antrieb 7 über die Schaltvorrichtung 2 mit dem Wechselrichter 3 verbunden. Die zum Antrieb benötigte elektrische Energie wird von dem elektrischen Energiespeicher 6, beispielsweise einer Batterie C1, zur Verfügung gestellt. Dabei wird der Strom über den Umrichter 5 in den Stromzwischenkreis 4 geleitet. Der Zwischenkreisstrom IDC wird anschließend minimiert, indem der Umrichter 5 im Fahrbetrieb ausgeschaltet wird. Durch die Optimierung des Arbeitspunktes wird der Wirkungsgrad der Einrichtung 10 erhöht. Während des Fahrbetriebs arbeitet der bidirektionale Wechselrichter 3 als Fahrwechselrichter, der den Zwischenkreisstrom IDC für den elektrischen Antrieb 2 in Wechselstrom umwandelt. In der dargestellten Ausführungsform glätten in der Schaltvorrichtung 2 vorgesehene Kondensatoren C2, C3, C4 den von dem Wechselrichter 3 bereitgestellten Strom. Dadurch wird eine Verlustleistung im elektrischen Antrieb 7 verringert.In a driving operation, the electric drive 7 over the switching device 2 with the inverter 3 connected. The electrical energy required for the drive is from the electrical energy storage 6 , For example, a battery C1, provided. At the same time, the current is transmitted via the inverter 5 in the power link 4 directed. The DC link current IDC is then minimized by the inverter 5 is switched off while driving. By optimizing the operating point, the efficiency of the device 10 elevated. During driving, the bidirectional inverter operates 3 as drive inverter, the DC link current IDC for the electric drive 2 converted into alternating current. In the illustrated embodiment, smooth in the switching device 2 provided capacitors C2, C3, C4 from the inverter 3 provided electricity. As a result, a power loss in the electric drive 7 reduced.

Bei einem Bremsvorgang eines Kraftwagens der mit einer solchen Einrichtung 10 ausgestattet ist, arbeitet die Einrichtung 10 im Ladebetrieb. In anderen Worten wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt, wobei der elektrische Antrieb 7 in diesem Fall als Generator agiert. Dadurch kann elektrische Energie rekuperiert und in dem elektrischen Energiespeicher 6 gespeichert werden. Dabei werden mittels eines Batteriemanagementsystems – nicht gezeigt – die einzelnen Komponenten der Einrichtung zur optimalen Energieaufnahme gesteuert bzw. geregelt. Mit der dargestellten Einrichtung 10 lässt sich über das Batteriemanagementsystem der Energiefluss besonders effektiv und effizient regeln. Die Einrichtung 10 kann in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform über ein Batteriemanagementsystem verfügen, dessen Steuerungs- und Regelungseingriffe zusätzlich über eine externe Steuerung ausgelöst und kontrolliert werden können. Damit eignet sich die Einrichtung 10 auch als Energiepuffer zur Integration in ein ”Smart-Grid”.In a braking operation of a motor vehicle with such a device 10 equipped, the device works 10 in the loading mode. In other words, mechanical energy is converted into electrical energy, the electric drive 7 acts as a generator in this case. As a result, electrical energy can be recuperated and stored in the electrical energy store 6 get saved. In this case, the individual components of the device for optimal energy absorption are controlled or regulated by means of a battery management system - not shown. With the illustrated device 10 the energy flow can be regulated particularly effectively and efficiently via the battery management system. The device 10 In a particularly advantageous embodiment, it may have a battery management system whose control and regulation interventions can additionally be triggered and controlled via an external control. Thus, the device is suitable 10 also as an energy buffer for integration into a "smart grid".

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
LadeanschlusseinrichtungCharging port facility
22
Schaltvorrichtungswitching device
33
Wechselrichterinverter
44
StromzwischenkreisCurrent intermediate circuit
55
Umrichterinverter
66
Energiespeicherenergy storage
77
elektrischer Antriebelectric drive
1010
EinrichtungFacility
C1C1
elektrischer Energiespeicher, Batterieelectrical energy storage, battery
C2, C3, C4C2, C3, C4
Kondensatorencapacitors
IDCIDC
Gleichstrom im StromzwischenkreisDC current in the current intermediate circuit
L1, L2, ..., LnL1, L2, ..., Ln
Induktivitäten bzw. SpulenInductors or coils
V_ac1, V_ac2, V_ac3V_ac1, V_ac2, V_ac3
Phasen einer DreiphasenwechselspannungsquellePhases of a three-phase AC power source

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • WO 2010/146092 A1 [0009] WO 2010/146092 A1 [0009]

Claims (12)

Einrichtung (10) zum Steuern eines Energieflusses in einem Kraftwagen, umfassend: – einen elektrischen Antrieb (7), – einen mit dem elektrischen Antrieb (7) verbundenen bidirektional betreibbaren Wechselrichter (3) mit ein- und ausschaltbaren Leistungsbauelementen, der über – einen dazugehörigen Stromzwischenkreis (4) mit – einem elektrischen Energiespeicher (6) verbunden ist, – eine Ladeanschlusseinrichtung (1) zum Anschließen an eine externe Energiequelle, – eine Schaltvorrichtung (2) zwischen dem Wechselrichter (3) und dem elektrischen Antrieb (7), die dazu ausgebildet ist, auf ein Steuersignal hin den elektrischen Antrieb (7) vom Wechselrichter (3) zu trennen und den Wechselrichter (3) mit der Ladeanschlusseinrichtung (1) zu verbinden.Facility ( 10 ) for controlling an energy flow in a motor vehicle, comprising: - an electric drive ( 7 ), - one with the electric drive ( 7 ) connected bidirectionally operable inverters ( 3 ) with power components which can be switched on and off and which have an associated power intermediate circuit ( 4 ) with - an electrical energy store ( 6 ), - a charging connection device ( 1 ) for connection to an external power source, - a switching device ( 2 ) between the inverter ( 3 ) and the electric drive ( 7 ), which is adapted, in response to a control signal to the electric drive ( 7 ) from the inverter ( 3 ) and disconnect the inverter ( 3 ) with the charging terminal device ( 1 ) connect to. Einrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem elektrischen Energiespeicher (6) und dem Stromzwischenkreis (4) ein Umrichter (5) angeordnet ist.Facility ( 10 ) according to claim 1, characterized in that between the electrical energy storage ( 6 ) and the current intermediate circuit ( 4 ) an inverter ( 5 ) is arranged. Einrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (5) in einem Fahrbetrieb als Tiefsetzsteller und in einem Ladebetrieb als Hochsetzsteller betreibbar ist.Facility ( 10 ) according to claim 2, characterized in that the converter ( 5 ) can be operated as a buck converter in a driving operation and as a boost converter in a charging operation. Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromzwischenkreis (4) eine Induktivität (L1) aufweist.Facility ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the current intermediate circuit ( 4 ) has an inductance (L1). Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Energiequelle eine Dreiphasenwechselspannungsquelle (V_ac1, V_ac2, V_ac3) ist.Facility ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the external energy source is a three-phase AC voltage source (V_ac1, V_ac2, V_ac3). Einrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ladeanschlusseinrichtung (1) und der Schaltvorrichtung (2) für jede Phase (V_ac1, V_ac2, V_ac3) jeweils eine Spule (L5, L6, L7) geschaltet ist.Facility ( 10 ) according to claim 5, characterized in that between the charging terminal device ( 1 ) and the switching device ( 2 ) for each phase (V_ac1, V_ac2, V_ac3) in each case a coil (L5, L6, L7) is connected. Einrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wechselrichter (3) und der Schaltvorrichtung (2) für jede Phase (V_ac1, V_ac2, V_ac3) jeweils ein Kondensator (C2, C3, C4) geschaltet ist.Facility ( 10 ) according to claim 5, characterized in that between the inverter ( 3 ) and the switching device ( 2 ) is connected in each case a capacitor (C2, C3, C4) for each phase (V_ac1, V_ac2, V_ac3). Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Batteriemanagementsystem vorgesehen ist, welches ausgebildet ist, einzelne Regelungs- und/oder Steuerungsvorgänge der Einrichtung (10) zu optimieren.Facility ( 10 ) according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a battery management system is provided, which is formed, individual control and / or control operations of the device ( 10 ) to optimize. Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagement ausgebildet ist, ein Steuersignal für eine Komponente der Einrichtung (10) abhängig von einem externen Steuersignal zu erzeugen, wenn die Einrichtung (10) mit der Energiequelle verbunden ist.Facility ( 10 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the battery management is designed, a control signal for a component of the device ( 10 ) depending on an external control signal, when the device ( 10 ) is connected to the power source. Kraftwagen mit einer Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Car with a device ( 10 ) according to one of claims 1 to 9. Verfahren zur Stabilisierung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes mit den Schritten: – Anschließen einer Einrichtung (10) nach einem Anspruch 1 bis 9 oder eines Kraftwagens nach Anspruch 10 an ein elektrisches Energieversorgungsnetz; – Speichern von elektrischer Energie in dem elektrischen Energiespeicher (6) der Einrichtung (10) oder des Kraftwagens während eines ersten Zeitabschnitts, und – Abgeben zumindest eines Teils der gespeicherten elektrischen Energie an das Energieversorgungsnetz während eines zweiten Zeitabschnitts.Method for stabilizing an electrical energy supply network, comprising the steps of: - connecting a device ( 10 ) according to any one of claims 1 to 9 or a motor vehicle according to claim 10 to an electrical power supply network; Storing electrical energy in the electrical energy store ( 6 ) of the institution ( 10 ) or the motor vehicle during a first period of time, and - delivering at least a portion of the stored electrical energy to the power grid during a second period of time. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Kraftfahrzeug ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, rückbezogen auf Anspruch 9 ist, wobei das externe Signal eine Information über einen Belastungszustand des Energieversorgungsnetzes enthält, womit die Komponente der Einrichtung gesteuert wird.The method of claim 11, wherein the motor vehicle is a motor vehicle according to claim 10, when dependent on claim 9, wherein the external signal includes information about a load state of the power supply network, whereby the component of the device is controlled.
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