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Die Erfindung betrifft eine Ladeschaltung für ein elektrisches Antriebssystem und ein Verfahren zum Laden von Energiespeicherzellen in einem elektrischen Antriebssystem, insbesondere in einem Antriebssystem mit zwei elektrischen Maschinen, die durch ein Doppelinvertersystem gespeist werden.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B. Windkraftanlagen oder Solaranlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren.
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Zur Einspeisung von Drehstrom in eine elektrische Maschine wird herkömmlicherweise über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters eine von einem Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet. Der Gleichspannungszwischenkreis wird von einem Strang aus seriell verschalteten Batteriemodulen gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule in einer Traktionsbatterie in Serie geschaltet. Ein derartiges Energiespeichersystem findet beispielsweise häufig Verwendung in elektrisch betriebenen Fahrzeugen.
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Für die Aufladung der Traktionsbatterie über ein Energieversorgungsnetz können in elektrisch betriebenen Fahrzeugen Batterieladegeräte vorgesehen sein, die die elektrische Energie in geeigneter Weise aus dem Netz entnehmen und in die Traktionsbatterie einspeisen. Dabei ist es wünschenswert, möglichst wenige zusätzliche Komponenten für die Ausgestaltung einer Ladefunktionalität des Fahrzeugs im Antriebssystem mitzuführen, um das Gewicht des Antriebssystems so gering wie möglich zu halten und damit die Effizienz zu steigern.
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Die Druckschrift
US 5,291,388 A offenbart beispielsweise ein elektrisches Antriebssystem eines Fahrzeugs mit einem Inverter, welcher in einem Rückspeisebetrieb betrieben werden kann, wenn die Traktionsbatterie des Fahrzeugs aus einem Energieversorgungsnetz geladen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein elektrisches Antriebssystem mit mindestens einer Energiespeicherzelle, einem ersten Gleichspannungszwischenkreis, welcher mit der Energiespeicherzelle gekoppelt ist und welcher aus der Energiespeicherzelle mit einer Batteriespannung gespeist wird, einem ersten Wechselrichter, welcher mit dem ersten Gleichspannungszwischenkreis gekoppelt ist und welcher aus dem ersten Gleichspannungszwischenkreis mit einer ersten Versorgungsspannung gespeist wird, einer ersten elektrischen Maschine, welche mit dem ersten Wechselrichter gekoppelt ist, einem zweiten Gleichspannungszwischenkreis, welcher mit der Energiespeicherzelle gekoppelt ist und welcher aus der Energiespeicherzelle mit der Batteriespannung gespeist wird, einem zweiten Wechselrichter, welcher mit dem zweiten Gleichspannungszwischenkreis gekoppelt ist und welcher aus dem zweiten Gleichspannungszwischenkreis mit einer zweiten Versorgungsspannung gespeist wird, einer zweiten elektrischen Maschine, welche mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelt ist, einem ersten Wechselkontakt, welcher zwischen den ersten Gleichspannungszwischenkreis und die Energiespeicherzelle gekoppelt ist, einem ersten Wechselkontakt, welcher zwischen zwei Brückenzweige des zweiten Wechselrichters gekoppelt ist, und einer Überbrückungsleitung, welche zwischen den ersten Wechselkontakt und den zweiten Wechselkontakt gekoppelt ist, wobei in einem Ladebetrieb des Antriebssystems die Wechselkontakte den ersten Gleichspannungszwischenkreis über die Überbrückungsleitung mit dem zweiten Wechselrichter koppeln und mindestens ein Brückenzweig des zweiten Wechselrichters mit mindestens eines Stranges der zweiten elektrischen Maschine als Tiefsetzsteller zusammenwirkt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Laden von Energiespeicherzellen in einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem, mit den Schritten des Koppelns eines Energieversorgungsnetzes mit den sternpunktseitigen Eingangsanschlüssen der ersten elektrischen Maschine, des Gleichrichtens einer durch das Energieversorgungsnetz bereitgestellten Wechselspannung mithilfe des ersten Wechselrichters, des Einspeisens der gleichgerichteten Wechselspannung in mindestens zwei Brückenzweige des zweiten Wechselrichters, und des Tiefsetzens der gleichgerichteten Wechselspannung in eine Batterieladespannung für die Energiespeicherzellen mithilfe mindestens eines der Brückenzweige des zweiten Wechselrichters und mindestens eines Stranges der zweiten elektrischen Maschine als Speicherdrossel.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Antriebssystem mit zwei elektrischen Maschinen, die durch eine Doppelinverterstruktur aus einer Traktionsbatterie mit elektrischer Energie gespeist werden, so zu modifizieren, dass sich durch eine geeignete Verschaltung der Baukomponenten des Doppelinverters eine Ladeschaltung für die Traktionsbatterie ergibt. Dazu wird ein elektrisches Energieversorgungsnetz an eine der elektrischen Maschinen im Sternpunkt angeschlossen. Der dieser elektrischen Maschinen zugeordnete erste Inverter wird als netzrückwirkungsarmer Gleichrichter genutzt. Weiterhin wird die andere der elektrischen Maschinen zusammen mit dem zugehörigen Inverter als Tiefsetzsteller genutzt. Durch eine Wechselschaltertopologie kann das elektrische Antriebssystem von einem Fahrbetrieb in einen Ladebetrieb umgeschaltet werden.
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Einer der Vorteile des erfindungsgemäßen Antriebssystems besteht darin, dass die Anzahl der Komponenten, die zusätzlich zu den bereits vorhandenen Komponenten der Doppelinverterstruktur vorgesehen werden müssen, um einen Ladebetrieb zu realisieren, minimal gehalten werden kann. Dadurch sinken der notwendige Bauraum, die Implementierungskosten und das Gesamtgewicht des elektrischen Antriebssystems.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem verschiedene Energieversorgungsnetze, beispielsweise Drehstromnetze oder Gleichstromnetze, zum Laden der Traktionsbatterie herangezogen werden können, ohne dass Einschränkungen im Ladebetrieb auftreten.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems können zwei Brückenzweige des zweiten Wechselrichters mit mindestens einem Strang der zweiten elektrischen Maschine als Speicherdrossel als zweiphasiges Tiefsetzstellersystem zusammenwirken. Dadurch kann die Welligkeit des Ladestroms für die Energiespeicherzellen verringert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems können die elektrischen Maschinen dreiphasige Asynchronmaschinen, Reluktanzmaschinen, elektrisch erregte Synchronmaschinen oder permanent erregte Syncrhonmaschinen sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin zwei Trennschütze umfassen, welche jeweils zwischen zwei sternpunktseitige Eingangsanschlüsse der ersten elektrischen Maschine gekoppelt sind. Dadurch kann in der elektrischen Maschine ohne weitere Bauteile zwischen einem Ladebetrieb und einem Fahrbetrieb umgeschaltet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin einen Anschlussstecker, welche mit den sternpunktseitigen Eingangsanschlüssen der ersten elektrischen Maschine gekoppelt ist, und einen Kurzschlussstecker umfassen, welcher an den Anschlussstecker angeschlossen ist, und welcher die sternpunktseitigen Eingangsanschlüsse der ersten elektrischen Maschine zu einem Sternpunkt der elektrischen Maschine kurzschließt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems können die ersten und zweiten Wechselrichter IGBT-Schalter oder FET-Schalter als Brückenkoppeleinrichtungen umfassen.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Tiefsetzen der gleichgerichteten Wechselspannung mithilfe zweier der Brückenzweige des zweiten Wechselrichters in einem zweiphasigen Tiefsetzstellersystem erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die durch das Energieversorgungsnetz bereitgestellte Wechselspannung eine einphasige Wechselspannung oder eine dreiphasige Wechselspannung umfassen.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung für Energiespeicherzellen aus einem Energieversorgungsnetz;
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2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit zwei elektrischen Maschinen und einer Doppelinverterstruktur;
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3 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit zwei elektrischen Maschinen und einer Doppelinverterstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit zwei elektrischen Maschinen und einer Doppelinverterstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit zwei elektrischen Maschinen und einer Doppelinverterstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit zwei elektrischen Maschinen und einer Doppelinverterstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7 eine schematische Darstellung einer Anschlussvariante für ein Energieversorgungsnetz an ein elektrisches Antriebssystem nach einer der 3 bis 6 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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8 eine schematische Darstellung einer weiteren Anschlussvariante für ein Energieversorgungsnetz an ein elektrisches Antriebssystem nach einer der 3 bis 6 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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9 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine eines elektrischen Antriebssystems nach einer der 3 bis 6 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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10 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Laden von Energiespeicherzellen in einem elektrischen Antriebssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Zum Laden einer Traktionsbatterie wird gleichförmiger Strom benötigt. Die dafür nötige elektrische Energie kann aus einem Energieversorgungsnetz entnommen und durch eine geeignete Ladeschaltung in ihrer Spannung angepasst werden. Durch die netzseitig vorgegebene Versorgungsspannung und den weiten Ausgangsspannungsbereich, der von der Topologie der zu ladenden Energiespeicherzellen abhängt, kann ein zweistufiger Aufbau für eine derartige Ladeschaltung gewählt werden: In einer ersten Stufe wird die Versorgungsspannung des Energieversorgungsnetzes hochgesetzt, in einem Gleichspannungszwischenkreis stabilisiert und in einer zweiten Stufe auf die gewünschte Ladespannung heruntergesetzt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung 100 für Energiespeicherzellen 6 aus einem Energieversorgungsnetz 1. Das Energieversorgungsnetz 1 ist in 1 beispielhaft als dreiphasiges Drehstromnetz dargestellt, wobei das Konzept jedoch auch für andere Spannungssysteme ausführbar ist. Das durch die Ladeschaltung 100 ausgeführte Ladekonzept beruht auf einer Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC, „power factor correction“) die mit dem Energieversorgungsnetz 1 gekoppelt ist, um die Rückkopplung von Oberschwingungen in das Energieversorgungsnetz 1 zu minimieren. Die Leistungsfaktorkorrekturstufe kann einen Netzfilter 2 und eine Hochsetzstellerstufe 3 umfassen, der die Versorgungsspannung des Energieversorgungsnetzes 1 in eine Zwischenkreisspannung hochsetzt, mit der ein Gleichspannungszwischenkreis 4 gespeist wird. Ein konventioneller Hochsetzsteller verfügt eingangsseitig üblicherweise über eine Speicherdrossel und ausgangsseitig über eine Kapazität, so dass die Elemente 2, 3 und 4 in einem Hochsetzsteller implementiert werden können. Der Gleichspannungszwischenkreis 4 kann einen Glättungskondensator aufweisen, der die pulsierende Netzleistung für den Betrieb am Wechselspannungsnetz glättet und ein Laden der Energiespeicherzellen 6 mit konstanter Leistungsabgabe ermöglicht. Die Spannungsanpassung aus dem Gleichspannungszwischenkreis 4 erfolgt dann über einen mit dem Gleichspannungszwischenkreis 4 gekoppelten Tiefsetzsteller 5, welcher ausgangsseitig einen Gleichstrom für das Laden einer oder mehrerer Energiespeicherzellen 6 bereitstellt.
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Die Energiespeicherzellen 6 können beispielsweise mehrere in Serie oder parallel geschaltete Batteriezellen umfassen, die zusammen als Traktionsbatterie für ein elektrisches Antriebssystem dienen. Die Batteriezellen können dabei beispielsweise Akkumulatoren umfassen, wie zum Beispiel Lithium-Ionen-Akkumulatoren.
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Zur Gewährleistung einer hohen Verfügbarkeit eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs ist es wünschenswert, die Energiespeicherzellen 6 des Fahrzeugs schnell und effizient wieder aufzuladen. Weiterhin sollte ein Ladebetrieb sowohl an Drehstromnetzen als auch ein einphasigen Wechselspannungsnetzen möglich sein, insbesondere um ein Laden eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs am herkömmlichen öffentlichen Elektrizitätsnetz zu ermöglichen. Generell ist es darüber hinaus sinnvoll, bestehende Komponenten eines elektrischen Bordnetzes eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs in On-Board-Ladeschaltung miteinzubeziehen, um möglichst viele Komponenten einer Doppelnutzung zuführen zu können. Dadurch können Synergien ausgenutzt und ein insgesamt effizientes, kostengünstiges und leichtes Antriebssystem mit Ladefunktionalität bereitgestellt werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 200 mit zwei elektrischen Maschinen 10 und 20 und einer Doppelinverterstruktur aus Invertern 11 und 21. Das elektrische Antriebssystem 200 umfasst eine oder mehrere Energiespeicherzellen 6, die in Serie oder parallel geschaltet sind, und die Traktionsbatterie des elektrischen Antriebssystems 200 darstellen. Die Traktionsbatterie 6 speist über zwei Gleichspannungszwischenkreise 12 und 22 jeweils zwei Inverter oder Wechselrichter 11 bzw. 12, die ihrerseits die durch die Gleichspannungszwischenkreise 12 und 22 bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung für je eine elektrische Maschine 10 bzw. 20 wandeln. Die Inverter oder Wechselrichter 11 bzw. 12 können dabei beispielsweise Frequenzumrichter oder vollgesteuerte B6-Brückenschaltungen sein, die über jeweilige Brückenzweige 11U, 11V, 11W bzw. 21U, 21V, 21W zur Bereitstellung von Phasenwechselspannungen für die jeweiligen Phasenanschlüsse der elektrischen Maschinen 10 bzw. 20 dienen. Die Brückenzweige 11U, 11V, 11W bzw. 21U, 21V, 21W können dabei Koppeleinrichtungen 13a bis 13f bzw. 23a bis 23f in Brückenschaltung umfassen, die jeweils einen Leistungstransistorschalter (rückwärts leitenden Leistungsschalter) sowie eine anti-parallel zu dem Leistungstransistorschalter geschaltete Freilaufdiode aufweisen. Die Koppeleinrichtungen 13a bis 13f bzw. 23a bis 23f können beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs), Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) oder andere geeignete Transistortypen bzw. tyhristor-basierte Komponenten aufweisen. Bei geeigneter Wahl der Leistungstransistorschalter können die Freilaufdioden zum Beispiel auch in den Leistungstransistorschalter integriert sein. Die Inverter oder Wechselrichter 11 bzw. 21 können beispielsweise in raumzeigermodulierter Pulsbreitenmodulation (SVPWM, „space vector pulse width modulation“) betrieben werden. Alternativ können auch Wechselrichter 11 bzw. 21 mit einer anderen Zahl an Brückenzweigen vorgesehen sein, beispielsweise sechs Brückenzweige in Verbindung mit einer dreiphasigen H-Brücken-Konfiguration. Die jeweiligen Systemkomponenten sind jeweils als Zweipole ausgelegt, die über eine erste Anschlussschiene 14 und eine zweite Anschlussschiene 15 verbunden sind.
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Das elektrische Antriebssystem 200 kann beispielsweise in Hybridtopologien mit zwei elektrischen Maschinen eingesetzt werden, zum Beispiel in einer Power-Split-Topologie („Hybrid Synergy Drive“, HSD) oder einer Axle-Split-Topologie. Die elektrischen Maschinen 10 bzw. 20 können beispielsweise Drehstrommaschinen, Reluktanzmaschinen, elektrisch erregte oder permanent erregte Synchronmaschinen, Asynchronmaschinen, oder bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC, „brushless DC motor“) umfassen. In den in 2 bis 9 gezeigten Ausführungsbeispielen sind die elektrischen Maschinen jedoch ohne Beschränkung der Allgemeinheit beispielhaft als Drehstrommaschinen, zum Beispiel Asynchronmaschinen mit Käfigläufer, dargestellt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 300 mit zwei elektrischen Maschinen 10 bzw. 20 und einer Doppelinverterstruktur mit zwei Invertern oder Wechselrichtern 11 bzw. 21. Das elektrische Antriebssystem 300 unterscheidet sich von dem elektrischen Antriebssystem 200 im Wesentlichen dadurch, dass zwei Wechselkontakte 16 und 26 vorgesehen sind, die den Stromfluss durch die Komponenten des elektrischen Antriebssystems 300 über eine Überbrückungsleitung 7 selektiv umleiten können. Dadurch kann durch entsprechendes Schalten der Wechselkontakte 16 und 26 und Ansteuern der jeweiligen Koppeleinrichtungen 13a bis 13f bzw. 23a bis 23f der Wechselrichter 11 bzw. 21 ein Ladebetrieb für die Energiespeicherzellen 6 realisiert werden, ohne dass außer den Wechselkontakten 16 und 26 zusätzliche Bauteile in dem elektrischen Antriebssystem 300 vorgesehen werden müssen.
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Die Wechselkontakte 16 und 26 können dabei beispielsweise SPDT-Schalter („single pole double throw“) bzw. Umschaltschütze umfassen, die in einer der Anschlussschienen 14 bzw. 15 zwischengeschaltet sind. Beispielhaft sind die Wechselkontakte 16 und 26 als in der zweiten Anschlussschiene 15 angeordnet dargestellt, wobei jedoch eine entsprechende Anordnung in der ersten Anschlussschiene 14 mit geeigneten Anpassungen in der Verschaltung ebenso möglich ist.
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Der erste Wechselkontakt 16 ist dabei zwischen dem ersten Gleichspannungszwischenkreis 12 und den Vielzahl von Energiespeicherzellen 6 eingekoppelt. Der zweite Wechselkontakt 26 kann zwischen jeweils zwei Brückenzweigen des zweiten Wechselrichters 21 eingekoppelt sein, im Beispiel in 3 zwischen den Brückenzweigen 21W und 21V. Die zwei Wechselkontakte 16 und 26 können derart angesteuert werden, dass der zweite Gleichspannungszwischenkreis 22 und die Energiespeicherzellen 6 über die Überbrückungsleitung 7 überbrückt werden. Dadurch kann zwischen einem Ladebetrieb und einem Fahrbetrieb des elektrischen Antriebssystems 300 hin- und hergeschaltet werden.
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In einem Fahrbetrieb koppeln die Wechselkontakte 16 und 26 jeweils den ersten Gleichspannungszwischenkreis 12 mit der Vielzahl von Energiespeicherzellen 6 sowie dem Gleichspannungszwischenkreis 22. Im Ladebetrieb hingegen sind die Wechselkontakte 16 und 26 so beschaltet, dass die Anschlussschiene 15 teilweise durch die Überbrückungsleitung 7 überbrückt wird.
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Weiterhin wird im Ladebetrieb an die sternpunktseitigen Anschlüsse 10a der elektrischen Maschine 10 ein Energieversorgungsnetz 1 angeschlossen, beispielsweise ein Drehstromnetz. Dieses speist Drehstrom über die Induktivitäten der elektrischen Maschine 10 in den ersten Wechselrichter 11 ein. Die Induktivitäten der elektrischen Maschine 10 wirken dabei als Eingangsdrosseln für den Speisestrom und der Wechselrichter 11 als selbstgeführter Gleichrichter, der eine Leistungsfaktorkorrektur für den netzrückwirkungsarmen Betrieb des elektrischen Antriebssystems 300 im Lademodus gewährleistet. Die elektrische Maschine 10 und der Wechselrichter 11 wirken somit als kombinierte Netzfilterstufe 2 und Hochsetzsteller 3 wie in 1 schematisch dargestellt. Durch die Bestromung der elektrischen Maschine 10 mit Drehstrom aus dem Energieversorgungsnetz 1 bildet sich in der elektrischen Maschine 10 ein Drehfeld aus, welches zu unerwünschten Momenten in der elektrischen Maschine 10 führen kann. Deshalb kann es vorteilhaft sein, den Rotor der elektrischen Maschine 10 mithilfe einer Getriebesperrklinke temporär festzusetzen, damit sich das elektrisch betriebene Fahrzeug während des Ladens nicht bewegen kann. Auch die zweite elektrische Maschine 20 kann vorteilhafterweise durch eine Getriebesperrklinke temporär festgesetzt werden.
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Der erste Gleichspannungszwischenkreis 12 wirkt dann als spannungsglättender Gleichspannungszwischenkreis 4 wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben. Danach werden Teile des zweiten Wechselrichters 21 als Tiefsetzsteller 5 wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben eingesetzt. Über die Überbrückungsleitung 7 sind die zwei Brückenzweige 21U und 21V mit dem ersten Gleichspannungszwischenkreis 12 gekoppelt. Die Leistungstransistorschalter 24b und 24c wirken als Schaltelemente eines Tiefsetzstellers 5, die elektrische Energie in die Speicherdrosseln der zweiten elektrischen Maschine 20 speisen. Über die Freilaufdioden 25e und 25f der zwei Brückenzweige 21U und 21V ist ein Freilaufpfad gewährleistet, wenn die Leistungstransistorschalter 24b und 24c intermittierend geöffnet werden. Nach Durchlaufen der Speicherdrosseln der zweiten elektrischen Maschine 20 wird ein Strom durch die Freilaufdiode 25a des nicht direkt mit dem ersten Gleichspannungszwischenkreis 12 gekoppelten Brückenzweigs 21W geleitet, um den zweiten Gleichspannungszwischenkreis 22 zu speisen. Aus dem zweiten Gleichspannungszwischenkreis 22 kann dann eine konstante Gleichspannung für den Ladebetrieb der Energiespeicherzellen 6 abgegeben werden.
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Vorteilhaft an diesem Ladebetrieb ist die Tatsache, dass die wirksamen Induktivitätswerte für die leistungselektronischen Schaltelemente der Wechselrichter 11 bzw. 21 ähnliche Werte wie im Fahrbetrieb annehmen und damit ausreichend groß sind. Zudem lassen sich über die Schaltfrequenz der Koppeleinrichtungen der Wechselrichter 11 bzw. 21 die Stromwelligkeiten weiterhin einstellen.
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Für den Ladebetrieb ist es prinzipiell ausreichend, wenn einer der beiden Brückenzweige 21U und 21U des zweiten Wechselrichters 21 zusammen mit einem Strang der als Speicherdrossel genutzten zweiten elektrischen Maschine 20 als Tiefsetzsteller zusammenwirkt. Dadurch wird ein einphasiges Tiefsetzstellersystem realisiert. Es kann jedoch von Vorteil sein, beide Brückenzweige 21U und 21U des zweiten Wechselrichters 21 in einem Tiefsetzstellermodus zu betreiben. Dies ermöglicht eine phasenversetzte („interleaved“) Ansteuerung der Koppeleinrichtungen 24b und 24c. Über den Tastgrad kann die geforderte Ladespannung für die Energiespeicherzellen 6 bereitgestellt werden. Einer der Vorteile eines zweiphasigen Tiefsetzstellersystems ist die Verminderung der Welligkeit des Ausgangsstroms, was einen besser geglätteten Ladestrom für die Energiespeicherzellen nach sich zieht.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 400 mit zwei elektrischen Maschinen 10 bzw. 20 und einer Doppelinverterstruktur mit zwei Invertern oder Wechselrichtern 11 bzw. 21. Das elektrische Antriebssystem 400 unterscheidet sich von dem elektrischen Antriebssystem 300 im Wesentlichen dadurch, dass der zweite Wechselkontakt 26 zwischen dem zweiten und dritten Brückenzweig 21U bzw. 21V in die Anschlussschiene 15 gekoppelt ist. Dadurch lässt sich allerdings lediglich ein einphasiges Tiefsetzstellersystem mit dem Brückenzweig 21U realisieren, wie im Zusammenhang mit 3 erläutert. Für die Durchstellung des Ladestroms aus der zweiten elektrischen Maschine 20 zum zweiten Gleichspannungszwischenkreis 22 dienen im Antriebssystem 400 die Freilaufdioden 25a und 25b der ersten beiden Brückenzweige 21V und 21W des zweiten Wechselrichters 21.
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5 und 6 zeigen schematische Darstellungen von weiteren elektrischen Antriebssystemen 500 und 600. Die Antriebssysteme 500 und 600 entsprechen dabei im Wesentlichen den im Zusammenhang mit 3 und 4 erläuterten Antriebssystemen 300 bzw. 400, wobei die elektrischen Antriebssysteme 500 und 600 über ein einphasiges Energieversorgungsnetz 1 gespeist werden. In diesen Antriebssystemen 500 und 600 kann der erste Gleichspannungszwischenkreis 12 zur Glättung der pulsierenden Netzleistung herangezogen werden.
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Der Einsatz von Wechselkontakten 16 und 26 in den elektrischen Antriebssystemen 300 bis 600 ist unkritisch, da diese im stromfreien Zustand geschaltet werden und dadurch keiner hohen Beanspruchung ausgesetzt werden. Durch die Auslegung der elektrischen Antriebssysteme 300 bis 600 auf Maximalleistungen im Fahrbetrieb können diese Maximalleistungen auch für den Ladebetrieb eingesetzt werden, so dass ein Hochleistungsladegerät kostengünstig implementiert werden kann.
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7 und 8 zeigen schematische Darstellungen von Anschlussvarianten für ein Energieversorgungsnetz 1 an ein elektrisches Antriebssystem 300 bis 600 nach einer der 3 bis 6. Gezeigt ist lediglich die erste elektrische Maschine 10 sowie das Energieversorgungsnetz 1. Gemäß 7 kann die erste elektrische Maschine 10 sternpunktseitig über Trennschütze 8 verfügen, die in einem Ladebetrieb geöffnet sind, um das Energieversorgungsnetz 1 an die Eingangsanschlüsse 10a der ersten elektrischen Maschine 10 anzuschließen, und in einem Fahrbetrieb geschlossen, um die Sternpunktverschaltung der ersten elektrischen Maschine 10 zu implementieren.
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Gemäß 7 kann das Energieversorgungsnetz 1 an die erste elektrische Maschine 10 über einen Anschlussstecker 9 angeschlossen werden. Wie in 9 dargestellt, kann für einen Wechsel vom Ladebetrieb in den Fahrbetrieb das Energieversorgungsnetz 1 von dem Anschlussstecker 9 entfernt und statt dessen ein Kurzschlussstecker 1a an den Anschlussstecker 9 angeschlossen werden, um die Sternpunktverschaltung der ersten elektrischen Maschine 10 zu implementieren.
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10 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 30 zum Laden von Energiespeicherzellen in einem elektrischen Antriebssystem, insbesondere in einem elektrischen Antriebssystem 300, 400, 500 oder 600, wie im Zusammenhang mit den 3 und 6 erläutert. Mit dem Verfahren 30 können die Energiespeicherzellen 6 aus einem Energieversorgungsnetz 1 geladen werden.
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In einem ersten Schritt 31 erfolgt ein Koppeln eines Energieversorgungsnetzes 1 mit den sternpunktseitigen Eingangsanschlüssen 10a der ersten elektrischen Maschine 10. Die durch das Energieversorgungsnetz 1 bereitgestellte Wechselspannung kann beispielsweise eine einphasige Wechselspannung oder eine dreiphasige Wechselspannung umfassen. In einem zweiten Schritt erfolgt ein Gleichrichten einer durch das Energieversorgungsnetz 1 bereitgestellten Wechselspannung mithilfe des ersten Wechselrichters 11. Die gleichgerichtete Wechselspannung wird in einem Schritt 33 in mindestens zwei Brückenzweige 21U bzw. 21V des zweiten Wechselrichters 21 eingespeist und in Schritt 34 in eine Batterieladespannung für die Energiespeicherzellen 6 mithilfe mindestens eines der Brückenzweige 21U und 21V des zweiten Wechselrichters 21 und mindestens einer als Speicherdrossel genutzten Maschineninduktivität der zweiten elektrischen Maschine 20 tiefgesetzt. Das Tiefsetzen der gleichgerichteten Wechselspannung kann mithilfe zweier der Brückenzweige 21U und 21V des zweiten Wechselrichters 21 in einem zweiphasigen Tiefsetzstellersystem erfolgen, wie oben im Zusammenhang mit 3 erläutert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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