DE102014002908A1

DE102014002908A1 - Hybridumrichter für Elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE102014002908A1
Application number: DE102014002908.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lohner; Magnus Böh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2015-09-03

Abstract

Leistungselektronische Schaltungsanordnung sowie Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass zur bidirektionalen Netzanbindung einer Traktionsbatterie das Einphasennetz durch einen Ladestecker mit dem Zwischenkreismittelanschluss und einer beliebigen Maschinenphase verbunden wird, um damit die Traktionsbatterie über den Antriebsumrichter und die Maschine als Netzdrossel vom Netz zu laden bzw. ins Netz zu entladen.

Description

1. Motivation
Ungefähr 25% des Primärenergiebedarfs der Bundesrepublik Deutschland entfallen auf den Verkehrssektor, der damit durch sein CO₂-Aufkommen einen hohen Anteil am sogenannten „Treibhauseffekt” hat. Um unsere Mobilität in ihrer jetzigen Form zu erhalten und trotzdem unsere Atmosphäre nachhaltig vor weiterer Erwärmung zu schützen, kommt auch auf dem Verkehrssektor der Energieeinsparung bzw. der Energiewende eine immer größere Bedeutung zu.
Elektrostraßenfahrzeuge kombiniert mit erneuerbarer Energiegewinnung sind eine Möglichkeit, um die CO₂-Emissionen des Individualverkehrs zu reduzieren.
2. Stand der Technik
Um die Traktionsbatterie eines Elektrostraßen- oder PlugIn-Hybridfahrzeugs am öffentlichen Netz (230 V_AC, 50 Hz, bzw. 110 V_AC, 60 Hz) aufladen zu können, verfügt jedes Fahrzeug über ein bordeigenes, meist einphasiges Ladegerät (ca. 3 kW), so dass sich die Antriebstopologie wie in zu sehen darstellt.
Ladegerät und Antriebsumrichter sind hier, meist als eigenständige Geräte, direkt mit der Traktionsbatterie verbunden. Diese Topologie birgt zudem den Nachteil, dass durch die direkte Kopplung von Batterie und Antriebsumrichter dessen Zwischenkreisspannung leistungs- und SOC-abhängig schwankt. Um Verluste durch hohe Ströme möglichst gering zu halten sind sehr viele Zellen in Serie zu schalten, was den Aufwand des Batteriemanagementsystems vergrößert.
Um die Batteriezellenanzahl möglichst gering und auch flexibler wählen zu können, wird oftmals ein Stellglied zwischen Batterie und Traktionsumrichter geschaltet. Ein Nachteil ist allerdings die um eins erhöhte Gerätezahl, was auch die Kosten inkrementiert.
3. Traktionsumrichter mit integrierter Batterieladefunktionalität
Um Kosten, Gewicht und Bauvolumen des elektrischen Antriebsstranges zu minimieren, wird vorgeschlagen bei der Topologie nach das Ladegerät mit dem Antriebsumrichter in einem Gerät zu vereinen. Hierfür wird, wie in dargestellt, die Mittelpunktsspannung des Zwischenkreises durch zwei in Serie geschaltete Zwischenkreiskondensatoren zugänglich gemacht. Der Mittelabgriff des Zwischenkreiskondensators kann mit der Batteriemittelspannung kontaktiert werden (vgl. ), muss aber nicht. Der Mittelabgriff des Zwischenkreises wird genutzt, um den einen Pol des einphasigen Wechselstromnetzes anzuschließen, während der andere zwischen den Transistoren T₁ und T₂ angeschlossen wird. Der zum Netz parallele Filterkondensator ist hierbei Bestandteil des Netzsteckers und nicht des Umrichters, so dass dieser nur im Fall des Netzkontaktes nicht aber bei Maschinenbetrieb kontaktiert ist. Wie in der Schaltung nach zu sehen werden zwei Maschineninduktivitäten als netzseitige Stellerinduktivität verwendet, um Gewicht, Kosten und Baugröße des Gesamtsystems zu minimieren, da mit dieser Anordnung vollständig ohne zusätzliche Komponenten auf das Batterieladegerät verzichtet werden kann.
Die Transistoren T₃ und T₄ werden nun mit einem geeigneten Steuerungsverfahren (z. B. PWM oder Toleranzbandregler) derart angesteuert, dass dem einphasigen Netz ein sinusförmiger, der Netzfrequenz und -phase entsprechender Strom entnommen und in die Batterie gespeist werden kann: Für die positive Netzhalbschwingung wird T₄ geschlossen, um die beiden Maschineninduktivitäten aufzumagnetisieren, die sich danach über T₃ im Freilauf abmagnetisieren. Dadurch wird von der Netzspannung in den oberen Zwischenkreiskondensator hochgesetzt. Für die negative Netzhalbschwingung wird T₃ geschlossen, um aufzumagnetisieren, während der Freilauf über T₄ erfolgt. Dadurch wird von der Netzspannung in den unteren Zwischenkreiskondensator hochgesetzt.
Dieses gelingt unter der Randbedingung, dass die minimale Traktionsbatteriespannung mindestens doppelt so groß ist wie die Netzspannungsamplitude. Von Vorteil ist außerdem, dass der Energiefluss bidirektional zwischen der Batterie und dem Netz möglich ist und dass durch die Verwendung der Traktionsmaschine auf Netzinduktivitäten verzichtet werden kann. Die Transistoren T₁, T₂, T₅ und T₆ werden bei Netzkontakt nicht geschaltet. Bei Variante I (vgl. ) ist der Batteriemittelpunkt mit dem des Zwischenkreiskondensators verbunden, der sich z. B. auf Netzmasse befindet, was den Vorteil hat, dass kapazitive Ableitströme des Umrichters zur Masse EMV-optimal minimiert werden.
4. Traktionsumrichter mit Zweiquadrantsteller und integrierter Batterieladefunktionalität
Um auch Batterien geringerer Zellenanzahl als Traktionsspeicher einsetzen zu können, ist der zusätzliche Einsatz eines Zweiquadrantstellers (DC/DC-Wandlers) von Nöten. zeigt diese Topologie, die antriebs- sowie netzseitig genauso wie in Kap. 3 beschrieben funktioniert. Der Zweiquadrantsteller passt hier allerdings die mindestens doppelte Netzspannungsamplitude betragende Gleichspannung des Traktionsumrichterzwischenkreises an eine beliebig kleinere Traktionsbatteriespannung an.
5. Traktionsumrichter mit symmetrischem Zweiquadrantsteller und integrierter Batterieladefunktionalität
Um sich EMV-mäßig negativ auswirkende, kapazitive Ableitströme zu minimieren, wird vorgeschlagen, den Zweiquadrantsteller von symmetrisch bzw. doppelt aufzubauen, so dass auch bei dieser Topologie der Batteriemittelpunkt Netzkontakt hat (vgl. ).
Als kostengünstigere Variante lässt sich in der Topologie nach ein Transistor ohne Funktionalitätsverlust einsparen (vgl. ).
6. Dreiphasiger Zweiquadrantsteller mit integrierter Batterieladefunktionalität
Alternativ zum einphasigen Zweiquadrantsteller kann auch ein dreiphasiger verwendet werden, bei dem auch vorgeschlagen wird, auf das separate Batterieladegerät zu verzichten. Vorteile des dreiphasigen gegenüber dem „klassischen” einphasigen Geräts sind:

• Die Hardware ist identisch der des Antriebsumrichters, was produktionskostenmindernd ist.
• Das Gerät ist im Leistungsteil redundant aufgebaut.
• Der Wechselanteil des Batteriestromes lässt sich minimieren, wenn die PWM von Phase 2 120° und die von Phase 3 240° Phasenverschiebung gegenüber Phase 1 aufweisen. Hierdurch lassen sich zudem die Stellerdrosseln und die Zwischenkreiskondensatoren hinsichtlich ihrer Werte optimieren, wodurch wiederum Bauraum und Volumen eingespart werden können.

Zur Realisierung der Ladegerätsfunktionalität werden zwei der drei Drosselspulen, wie zeigt, durch je einen Wechselschalter von der Batterie getrennt und mit dem einphasigen Netz verbunden. Die Transistoren T₁, T₂, T₃ und T₄ werden nun mit einem geeigneten Steuerungsverfahren (z. B. PWM oder Toleranzbandregler) derart angesteuert, dass dem einphasigen Netz ein sinusförmiger, der Netzfrequenz und -phase entsprechender Strom entnommen und in den Zwischenkreis gespeist werden kann. Die Zwischenkreisspannung wird dabei so geregelt, dass ihr Niveau mindestens der Netzspannungsamplitude entspricht. Die Transistoren T₅ und T₆ werden nun so getaktet, dass Energie vom Zwischenkreis zur Batterie gelangt. Auch mit dieser Topologie kann die Batterie am Netz aufgeladen genauso wie ins Netz entladen werden. Als Netzinduktivitäten werden die Stellerdrosseln genutzt, so dass es für die Ladegerätsfunktionalität keiner weiteren Bauteile bedarf. Damit können gegenüber der Lösung nach Volumen, Gewicht und Kosten des Traktionssystems deutlich gesenkt werden.

Claims

Leistungselektronische Schaltungsanordnung sowie Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass zur bidirektionalen Netzanbindung einer Traktionsbatterie das Einphasennetz durch einen Ladestecker mit dem Zwischenkreismittelanschluss und einer beliebigen Maschinenphase verbunden wird, um damit die Traktionsbatterie über den Antriebsumrichter und die Maschine als Netzdrossel vom Netz zu laden bzw. ins Netz zu entladen.
Leistungselektronische Schaltungsanordnung sowie Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass zur bidirektionalen Netzanbindung einer Traktionsbatterie das Einphasennetz durch einen Ladestecker mit dem Zwischenkreismittelanschluss und einer beliebigen Maschinenphase verbunden wird, um damit die Traktionsbatterie über den Antriebsumrichter und die Maschine als Netzdrossel sowie einen symmetrischen Zweiquadrantsteller mit vier bzw. drei Halbleiterschaltern und Batteriemittelpunktanschluss vom Netz zu laden bzw. ins Netz zu entladen.
Topologie nach Anspruch 1 bzw. 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter mittels PWM oder Toleranzbandregelung getaktet wird.
Topologie nach Anspruch 1 bzw. 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelanschluss des Umrichterzwischenkreises mit dem der Traktionsbatterie verbunden ist.
Topologie nach Anspruch 1 bzw. 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Netzstecker einen parallelen Filterkondensator beinhaltet.
Topologie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Traktionsbatterie durch einen einfachen Zweiquadrantsteller kontaktiert wird.
Topologie nach Anspruch 1, 2 bzw. 6, dadurch gekennzeichnet, dass drei Geräte eingesetzt werden, jedes an einer anderen Netzphase, aber parallel an der Batterie, um Dreiphasigkeit auf der Netzseite zu erreichen und gleichzeitig die Lade- bzw. Entladeleistung zu erhöhen.
Leistungselektronische Schaltungsanordnung sowie Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass zur bidirektionalen Netzanbindung einer Traktionsbatterie das Einphasennetz mithilfe zweier Wechselschalter durch einen Ladestecker mit den Stellerdrosseln eines dreiphasigen DC/DC-Wandlers verbunden wird, um damit die Traktionsbatterie über den DC/DC-Wandler und die Stellerdrosseln als Netzdrosseln vom Netz zu laden bzw. ins Netz zu entladen.
Topologie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Phasen des DC/DC-Wandlers um 120° bzw. 240° zueinander phasenverschoben getaktet werden.