DE102014103566A1 - Elektrisches antriebssystem - Google Patents

Elektrisches antriebssystem

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Abstract

Ein elektrisches Antriebssystem umfasst eine wieder aufladbare Batterie (1) und einen Leistungsversorgungsbus (4). Eine erste Leistungswandlerschaltung (2) ist zwischen die wieder aufladbare Batterie (1) und an den Leistungsversorgungsbus (4) gekoppelt. Ein Motor (M) ist dazu ausgebildet, an den Leistungsversorgungsbus (4) gekoppelt zu werden. Eine Steuerschaltung (4) ist dazu ausgebildet, die erste Leistungswandlerschaltung (2) in einem von einem Leistungsversorgungsbetrieb, in dem die erste Leistungswandlerschaltung (2) wenigstens einen von einem Wechselstrom und einem gleichgerichteten Wechselstrom an den Leistungsversorgungsbus (4) liefert, und einem Batterieladebetrieb, in dem die erste Leistungswandlerschaltung (2) die wieder aufladbare Batterie (1) lädt, zu betreiben.

Description

  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen ein elektrisches Antriebssystem, insbesondere ein in einem Fahrzeug realisiertes elektrisches Antriebssystem.
  • Mit einem zunehmenden Interesse an nachhaltiger Energieproduktion, liegt der Fokus auf elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wie beispielsweise elektrisch angetriebenen Autos oder Motorrädern, die ein Antriebssystem mit einer wiederaufladbaren Batterie und einen durch die Batterie versorgten Motor aufweisen. Bei einem herkömmlichen Auto liefert die Batterie eine DC-(Gleichstrom)-Leistung an einen Inverter, der eine AC-(Wechselstrom)-Leistung aus der DC-Leistung erzeugt, und ein asynchroner elektrischer Motor erhält die AC-Leistungen. Andere Lasten, wie beispielsweise eine Klimaanlage, Motoren für Sitzverstellungen, Fensterheber und ähnliche, ein Audio- und Navigationssystem kann zusätzlich an die Batterie angeschlossen sein.
  • Üblicherweise gibt es ein Stromkabel in dem Fahrzeug von der Batterie zu den einzelnen Lasten. Die Batteriegleichspannung (engl.: battery DC voltage) ist beispielsweise etwa 400V in Autos und zwischen 600V und 800V in Lastern oder Bussen. Bei einem Notfall, wie beispielsweise einem Unfall, muss eine Verbindung zwischen der Batterie und den Lasten sicher unterbrochen werden. Zum Schalten solcher Gleichspannungen mit einem Spannungspegel im Bereich von einigen hundert Volt werden Relays benötigt, die sicher Lichtbögen zum Zeitpunkt des Schaltens verhindern. Solche Relays sind relativ teuer.
  • Zum Laden der Batterie kann das Fahrzeug ein Bordladegerät aufweisen, das an ein Stromnetz angeschlossen werden kann, wenn das Fahrzeug parkt. Allerdings ist üblicherweise eine maximale Leistung, die durch das Bordladegerät geliefert werden kann, relativ gering im Vergleich zu der Kapazität (der maximalen Ausgangsleistung) der Batterie, sodass ein vollständiges Laden der Batterie einige Stunden dauern kann.
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel betrifft ein elektrisches Antriebssystem. Das elektrische Antriebssystem umfasst eine wieder aufladbare Batterie, einen Leistungsversorgungsbus, eine erste Leistungswandlerschaltung, die zwischen die wiederaufladbare Batterie und dem Leistungsversorgungsbus gekoppelt ist, einen Motor, der dazu ausgebildet ist, an den Leistungsversorgungsbus gekoppelt zu werden, und eine Steuerschaltung. Die Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, den ersten Leistungswandler in einem von einem Leistungsversorgungsbetrieb, in dem der Leistungswandler eine Wechselspannung an den Leistungsversorgungsbus liefert, und einem Batterieladebetrieb, in dem der erste Leistungswandler die wieder aufladbare Batterie lädt, zu betreiben.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren. Das Verfahren umfasst das Betreiben einer ersten Leistungswandlerschaltung, die zwischen eine wiederaufladbare Batterie und eine Leistungsversorgungsbus gekoppelt ist, in einem von einem Leistungsversorgungsbetrieb, in dem die erste Leistungswandlerschaltung wenigstens einen von einem Wechselstrom und einem gleichgerichteten Wechselstrom an den Leistungsversorgungsbus liefert, und einem Batterieladebetrieb, in dem die erste Leistungswandlerschaltung die wiederaufladbare Batterie aus einer externen Leistungsquelle, die dazu ausgebildet ist, an den Leistungsversorgungsbus gekoppelt zu werden, lädt. Das Verfahren umfasst außerdem das Ansteuern eines Motors, der an den Leistungsversorgungsbus angeschlossen ist, im Antriebsbetrieb.
  • Beispiele werden nun anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen zum veranschaulichen Grundprinzips, sodass nur Merkmale, die zum Verständnis des Grundprinzips notwendig sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. Die Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.
  • 1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebssystems, das eine wiederaufladbare Batterie, eine Leistungswandlerschaltung, eine Leistungsversorgungsbus, eine Schalt-Schaltung, einen Motor und eine Steuerschaltung aufweist;
  • 2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Schalt-Schaltung des in 1 dargestellten elektrischen Antriebssystems;
  • 3 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel der Leistungswandlerschaltung und der Steuerschaltung;
  • 4 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel der Leistungswandlerschaltung und der Steuerschaltung;
  • 5 zeigt Zeitverläufe, die das Funktionsprinzip der Leistungswandlerschaltung und der Steuerschaltung in einem Leistungsversorgungsbetrieb veranschaulichen;
  • 6 veranschaulicht das Funktionsprinzip der Leistungswandlerschaltung und der Steuerschaltung in einem Batterieladebetrieb;
  • 7 zeigt Zeitverläufe, die das Funktionsprinzip der Leistungswandlerschaltung und der Steuerschaltung im Batterieladebetrieb veranschaulichen;
  • 8 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Steuereinheit, die in der Steuerschaltung ausgebildet ist und die den Batteriebetrieb steuert;
  • 9 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebssystems, das zusätzliche Leistungswandlerschaltungen aufweist;
  • 10 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung gemäß 9;
  • 11 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung gemäß 9;
  • 12 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Leistungswandlerschaltung gemäß 1, die eine DC/DC-Leistungswandlerstufe und eine DC/AC-Leistungswandlerstufe aufweist;
  • 13 zeigt Zeitverläufe von Signalen, die in der in 12 dargestellten Leistungswandlerschaltung vorkommen können;
  • 14 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der DC/DC-Leistungswandlerstufe gemäß 12;
  • 15 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebssystems, das zusätzlich einen Generator aufweist;
  • 16 die 16A und 16B aufweist, zeigt Möglichkeiten zum Koppeln des Generators an die Leistungswandlerschaltung;
  • 17 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebssystems, das mehrere Batterien und mehrere Leistungswandlerschaltungen aufweist;
  • 18 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die eine Batterie mit mehreren Batterieabschnitten und eine Leistungswandlerschaltung mit mehreren Leistungswandler-Unterschaltungen aufweist;
  • 19 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebssystems, das einen 3-phasigen Leistungsversorgungsbus aufweist;
  • 20 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel der Leistungswandlerschaltung gemäß 19;
  • 21 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel der Leistungswandlerschaltung gemäß 18;
  • 22 veranschaulicht noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebssystems;
  • 23 zeigt Zeitverläufe eines Ausführungsbeispiels eines Versorgungsstrom in dem System gemäß 22; und
  • 24 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Entfaltebrücke (engl.: unfolding bridge) in dem System gemäß 22.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Figuren Bezug genommen. Die Figuren bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen zur Veranschaulichung verschiedene Ausführungsformen, in welchen die Erfindung angewendet werden kann. Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen, welche hierin beschrieben sind, miteinander kombiniert werden können, sofern nichts anderes angegeben ist.
  • Die Ausführungsformen der Erfindung werden in einem spezifischen Kontext beschrieben, nämlich in Verbindung mit einem elektrischen Antriebssystem in einem elektrisch angetriebenen Auto. Die Ausführungsformen sind jedoch nicht auf die Verwendung in Autos beschränkt, sondern können in jeglicher anderer Art eines elektrisch angetriebenen Landfahrzeugs, wie beispielsweise einem Lastkraftwagen, einem Bus, einem Motorrad, einem Motorroller oder ähnlichem, in einem Wasserfahrzeug oder in einem Luftfahrzeug Verwendung finden.
  • 1 stellt eine erste Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems dar. Das elektrische Antriebssystem, welches im Folgenden lediglich als Antriebssystem bezeichnet wird, umfasst eine wieder aufladbare Batterie 1, einen Leistungsversorgungsbus 4, eine Leistungswandlerschaltung 2, welche zwischen die wieder aufladbare Batterie 1 und den Leistungsversorgungsbus 4 geschaltet ist, einen Motor M, der dazu ausgebildet ist, mit dem Leistungsversorgungsbus 4 verbunden zu werden, und eine Steuerschaltung 3, die dazu ausgebildet ist, einen Betrieb der Leistungswandlerschaltung 2 zu steuern. Die wieder aufladbare Batterie 1 stellt eine Batteriespannung V1 zwischen den Batterieanschlüssen 11, 12 zur Verfügung. Die wieder aufladbare Batterie kann eine herkömmliche wieder aufladbare Batterie, wie zum Beispiel eine Batterie mit Lithium-Ionen-Batteriezellen, sein. Die Batteriespannung V1 hängt vom spezifischen Batterie-Typ ab. Gemäß einer Ausführungsform ist die Batterie 1 dazu ausgebildet ist, eine Batteriespannung von mehreren 100V zur Verfügung zu stellen. Gemäß einer Ausführungsform wird die Batterie 1 derart ausgewählt, dass eine maximale Batteriespannung bei etwa 400V liegt. Ein Antriebssystem mit dieser Art von Batterie wird beispielsweise in Elektroautos, Elektro-Motorrädern oder ähnlichem verwendet. Gemäß weiteren Ausführungsformen wird die Batterie 1 derart ausgewählt, dass eine maximale Batteriespannung V1 zwischen 600V und 800V liegt. Ein Antriebssystem mit dieser Art von Batterie wird beispielsweise in elektrisch angetriebenen LKWs oder Bussen verwendet. Die Batteriespannung V1 kann entsprechend einem Ladezustand der Batterie 1 variieren.
  • Die Leistungswandlerschaltung 2, welche zwischen die Batterie 1 und den Leistungsversorgungsbus 4 geschaltet ist, ist dazu ausgebildet, in einem von einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus betrieben zu werden. In dem ersten Betriebsmodus, welcher im Weiteren als Leistungsversorgungsbetrieb oder als Antriebsmodus bezeichnet wird, empfängt die Leistungswandlerschaltung 2 Energie von der Batterie 1 und liefert Energie für den Leistungsversorgungsbus 4. Die Energie, welche die Leistungswandlerschaltung 2 von der Batterie 1 empfängt, ist ein Gleichstrom, das heißt, die Batteriespannung V1 ist eine Gleichspannung (DC-Spannung) und ein entsprechender Batteriestrom I1 ist ein Gleichstrom (DC). Die Energie, die von der Leistungswandlerschaltung 2 an den Leistungsversorgungsbus 4 bereitgestellt wird, ist eine AC-Energie (engl.: AC power) was bedeutet, dass eine Versorgungsspannung V2, welche von der Leistungswandlerschaltung 2 an den Leistungsversorgungsbus bereitgestellt wird, eine Wechselspannung (AC-Spannung) und ein entsprechender Versorgungsstrom I2 ein Wechselstrom (AC) ist.
  • Im Batterieladebetrieb empfängt die Leistungswandlerschaltung 2 AC-Energie von dem Leistungsversorgungsbus 4 und stellt DC-Energie an die Batterieanschlüsse 11, 12 bereit, um die Batterie 1 zu laden. Die Steuerschaltung 3 steuert den Betrieb der Leistungswandlerschaltung 2. Die Steuerschaltung 3 steht in Signalkommunikation mit der Leistungswandlerschaltung 2 und stellt wenigstens ein Steuersignal (welches in 1 nur schematisch dargestellt ist) an die Leistungswandlerschaltung 2 zur Verfügung.
  • Bezugnehmend auf 1, umfasst das Antriebssystem weiterhin einen Motor M, der dazu ausgebildet ist mit dem Leistungsversorgungsbus 4 verbunden zu werden und welcher weiter dazu ausgebildet ist AC-Energie von dem Leistungsversorgungsbus 4 zu empfangen, wenn sich die Leistungswandlerschaltung 2 im Leistungsversorgungsbetrieb befindet. Der Motor M kann ein herkömmlicher asynchroner Motor sein, bei welchem die Drehzahl des Motors M durch eine Frequenz eines der Wechselspannung V2 und des Wechselstroms I2, welche von der Leistungswandlerschaltung 2 im Leistungsversorgungsbetrieb bereitgestellt werden, gesteuert wird. Dies wird im Folgenden in größerem Detail beschrieben.
  • Weiterhin umfasst das Antriebssystem die Versorgungsanschlüsse 50, 51 die dazu ausgebildet sind, mit dem Leistungsversorgungsbus 4 verbunden zu werden, um den AC-Bus 4 mit AC-Energie zu versorgen wenn sich die Leistungswandlerschaltung 2 im Batterieladebetrieb befindet. Die Leistungsversorgungsanschlüsse 50, 51 können mit einer Energiequelle (in 1 nicht dargestellt), wie beispielsweise einem herkömmlichen Wechselstromnetz, verbunden werden, wenn das Fahrzeug, in welchem sich das Antriebssystem befindet, geparkt wird.
  • Bezugnehmend auf 1 umfasst das Antriebssystem eine Schalt-Schaltung 5, welche zwischen den Leistungsversorgungsbus 4 und den Motor M sowie zwischen den Leistungsversorgungsbus 4 und die Energieversorgungsanschlüsse 50, 51 geschaltet ist. Die Schalt-Schaltung 5 ist dazu ausgebildet, entweder den Leistungsversorgungsbus 4 mit dem Motor M zu verbinden um den Motor anzutreiben oder den Leistungsversorgungsbus 4 mit den Leistungsversorgungsanschlüssen 50, 51 zu verbinden, um Energie von der externen Energiequelle zu erhalten. Gemäß einer Ausführungsform steuert die Steuerschaltung 3 auch die Schalt-Schaltung 5. In dieser Ausführungsform steuert die Steuerschaltung 3 die Schalt-Schaltung 5 um den Leistungsversorgungsbus 4 mit dem Motor M zu verbinden wenn sich die Leistungswandlerschaltung 2 im Leistungsversorgungsbetrieb befindet und steuert die Steuerschaltung 3 die Schalt-Schaltung 5 um den Leistungsversorgungsbus 4 mit den Leistungsversorgungsanschlüssen 50, 51 zu verbinden, wenn sich die Leistungswandlerschaltung 2 in dem Ladebetrieb befindet.
  • In der Ausführungsform in 1, umfasst der Leistungsversorgungsbus 4 zwei Versorgungsleitungen, nämlich eine erste Leitung 41 und eine zweite Leitung 40. Die erste Leitung 41 wird im Folgenden als erste Phase bezeichnet und die zweite Leitung 40 wird im Folgenden als Nullleiter bezeichnet. Diese Art von Leistungsversorgungsbus mit einer Phase, kann als Einphasen (1-Phasen) Leistungsversorgungsbus bezeichnet werden.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform einer Schalt-Schaltung 5, welche in Verbindung mit einem einphasigen Leistungsversorgungsbus 4 verwendet werden kann. In dieser Ausführungsform umfasst die Schalt-Schaltung 5 zwei Umkehrschalter (engl.: crossover switch) 54, 55, nämlich einen ersten Umkehrschalter, der dazu ausgebildet ist den Nullleiter 40 entweder mit einem ersten Motoranschluss M0 oder mit einem ersten Versorgungsanschluss 50 zu verbinden, und einen zweiten Umkehrschalter 55, der dazu ausgebildet ist, die erste Phase 51 entweder mit einem zweiten Motoranschluss M1 oder mit einem zweiten Versorgungsanschluss 51 zu verbinden. Wenn sich die Leistungswandlerschaltung 2 im Leistungsversorgungsbetrieb befindet, verbinden die Schalter 54, 55 die Phase 41 und den Nullleiter 40 des Leistungsversorgungsbusse 4 mit dem Motor M. Wenn sich die Leistungswandlerschaltung 2 im Batterieladebetrieb befindet, verbinden die Schalter 54, 55 die Phase 41 und den Nullleiter 40 des Leistungsversorgungsbusses 4 mit den Leistungsversorgungsanschlüssen 50, 51. Die Schalter 54, 55 können als herkömmliche Schalter ausgebildet sein, wie beispielsweise Relays oder elektronische Schalter. Elektronische Schalter sind beispielsweise Transistoren, Thyristoren oder ähnliches.
  • Die Leistungswandlerschaltung 2 kann in einer herkömmlichen bidirektionalen Leistungswandlertopologie ausgeführt sein. Eine „bidirektionale Leistungswandlertopologie“ ist eine Leistungswandlertopologie, die eine Energieübertragung in zwei Richtungen zulässt, nämlich in der vorliegenden Ausführungsform von der Batterie 1 zu dem Leistungsversorgungsbus 4 und von dem Leistungsversorgungsbus 4 zu der Batterie 1. Zur Erläuterung werden zwei verschiedene Ausführungsformen der Leistungswandlerschaltung 2 mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben. Die Schaltungstopologien der 3 und 4 stellen jedoch lediglich Beispiele dar. Viele verschiedene andere bidirektionale Leistungswandlertopologien können ebenfalls verwendet werden, wie beispielsweise Schaltungen mit einer VIENNA-Wandlertopologie oder einer SWISS-Wandlertopologie. Diese Topologien werden in Kolar, J. W.; Friedli, T., „The essence of three-phase PFC rectifier systems" Telecommunications Energy Conference (INTELEC), 2011 IEEE 33rd International, S. 1–27, October 9–13, 2011 beschrieben, welches hiermit in seiner Gesamtheit unter Bezugnahme mit aufgenommen ist.
  • Bezugnehmend auf 3 umfasst die Leistungswandlerschaltung 2 in einem Antriebssystem mit einem einphasigen Leistungsversorgungsbus 4 eine Leistungswandlerstufe 21, welche zwischen den Batterieanschluss 11, 12 und den Leistungsversorgungsbus 4 geschaltet ist. Eine Abwandlung der Leistungswandlerschaltung 2, welche in Verbindung mit einem 3-phasigen Leistungsversorgungsbus verwendet werden kann, wird weiter unten beschrieben. Bezugnehmend auf 3 umfasst die Leistungswandlerstufe 21 eine H-Brücke mit zwei Halbbrücken. Eine erste Halbbrücke umfasst einen ersten Schalter 61 und einen zweiten Schalter 62, welche in Serie zwischen die Batterieanschlüsse 11, 12 geschaltet sind. Eine zweite Halbbrücke umfasst einen dritten Schalter 63 und einen vierten Schalter 64, welche in Serie zwischen die Batterieanschlüsse 11, 12 geschaltet sind. Jede der ersten und zweiten Halbbrücke umfasst einen Ausgang, der ein gemeinsamer Schaltungsknoten der Schalter der jeweiligen Halbbrücke ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Ausgang der ersten Halbbrücke 61, 62 mit der ersten Phase 41 verbunden und der Ausgang der zweiten Halbbrücke 63, 64 ist mit dem Nullleiter 40 verbunden. Eine Induktivität 65, wie beispielsweise eine Drossel (engl.: choke), ist mit einem der Ausgänge verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Induktivität 65 zwischen den Ausgang der ersten Halbbrücke 61, 62 und die erste Phase 41 geschaltet. Alternativ ist ein Ausgangskondensator zwischen die Schaltungsknoten geschaltet, an welchen eine Ausgangsspannung V21 der Wandlerstufe 21 verfügbar ist.
  • Die Schalter 6164 der Wandlerstufe 21 können als herkömmliche elektronische Schalter ausgebildet sein, wie beispielsweise MOSFETs (Metal-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt Transistor, engl.: Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors), IGBTs (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, engl.: Insulated Gate Bipolar Transistors), BJTs (Bipolartransistor, engl.: Bipolar Junction Transistors), JFETs (Sperrschicht-Feldeffekt Transistor, engl.: Junction Field-Effect Transistors) auf Basis eines herkömmlichen Halbleitermaterials, wie beispielsweise Silicium (Si), Silicium Carbid (SiC), Gallium Arsenid (GaAs). Es ist auch möglich, die einzelnen Schalter als HEMTs (High Electron-Mobility Transistors), im speziellen als GaN-(Galliumnitrid)-HEMTs auszuführen.
  • Die Wandlerstufe 21 in 4 basiert auf der Wandlerstufe 21 aus 3 und unterscheidet sich von der Wandlerstufe 21 in 3 dadurch, dass die Induktivität 65 zwischen einen der Batterieanschlüsse 11, 12 und die Halbbrücken geschaltet ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Induktivität 65 zwischen den ersten Batterieanschluss 11 und die Halbbrücken geschaltet. Die Wirkungsweise der Wandlerstufen 21 der 3 und 4 ist im Wesentlichen die gleiche. Der Unterschied zwischen den zwei Wandlerstufen der 3 und 4 liegt darin, dass die Wandlerstufe 21 in 3 im Batterieladebetrieb als Hochsetzsteller (engl.: boost converter) betrieben werden kann, während die Wandlerstufe 21 in 4 im Batterieladebetrieb als Tiefsetzsteller (engl.: buck converter) betrieben werden kann.
  • Bezugnehmend auf die 3 und 4 empfangen die Schalter 6164 der Wandlerstufe 21 jeweils ein Treibersignal S61–S64. Das von jedem Schalter empfangene Treibersignal ist dazu ausgebildet, den jeweiligen Schalter ein- oder auszuschalten. Die Steuerschaltung 3 gibt die Treibersignale S61–S64 für die einzelnen Schalter 6164 aus. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Steuerschaltung 3 eine erste Regeleinheit 31, die den Betrieb der Leistungswandlerschaltung 2 im Leistungsversorgungsbetrieb (Antriebsmodus) steuert, und eine zweite Regeleinheit 32, die den Betrieb der Leistungswandlerschaltung 2 in dem Ladebetrieb steuert. Die erste Regeleinheit 31 wird im Folgenden als Antriebsregeleinheit bezeichnet und die zweite Regeleinheit 32 wird im Folgenden als Ladesteuereinheit bezeichnet. Eine zentrale Steuereinheit 30 steuert die Antriebsregeleinheit 31 und die Ladesteuereinheit 32 und aktiviert die Antriebsregeleinheit 31 um die Treibersignale S61–S64 für die einzelnen Schalter auszugeben, basierend auf einem gewünschten Betriebsmodus, oder aktiviert die Ladesteuereinheit 32 um die Treibersignale S61–S64 auszugeben. Es sollte bemerkt werden, dass das in den 3 und 4 dargestellte Blockdiagramm lediglich dazu dient, die Funktionsweise der Steuerschaltung 3 darzustellen, und nicht dessen Ausformung. Die einzelnen Funktionsblöcke, welche im größeren Detail im Weiteren beschrieben werden, können unter Verwendung einer herkömmlichen Technologie implementiert werden, welche dazu geeignet ist die Antriebsregeleinheit 31 und die Ladesteuereinheit 32 zu implementieren. Insbesondere können diese Regeleinheiten 31, 32 wie auch die zentrale Steuereinheit 30, als analoge Schaltungen, digitale Schaltungen oder unter Verwendung von Hardware und Software, wie beispielsweise einem Mikrocontroller, auf welchem eine spezielle Software ausgeführt wird um die Funktionalität der Steuerschaltung 3 zu implementieren, implementiert werden.
  • Die Funktionsweise der Antriebsregeleinheit 31 wird unter Bezugnahme auf 5 im Weiteren beschrieben und die Funktionsweise der Ladesteuereinheit 32 wird unter Bezugnahme auf 6 im Weiteren beschrieben.
  • 5 zeigt Zeitdiagramme des Ausgangsstromes I21 der Wandlerstufe 21 und der Treibersignale S61–S64 der einzelnen Schalter. Der Ausgangsstrom der Wandlerstufe 21 ist der Strom, welcher von der Wandlerstufe 21 an den Leistungsversorgungsbus 4 bereitgestellt wird. Zum Zwecke der Erläuterung wird angenommen, dass ein hoher Signalpegel der Treibersignale S61–S64 in 5 einen Signalpegel darstellt, welcher den jeweiligen Schalter ausschaltet. Die Ausgangsspannung V21 der Wandlerstufe 21 entspricht der Ausgangsspannung V2 der Leistungswandlerschaltung 2 in einem Antriebssystem mit einem einphasigen Leistungsversorgungsbus 4 und der Ausgangsstrom I2 der Leistungswandlerschaltung 2 entspricht dem Ausgangsstrom der Wandlerstufe 21. Zum Zwecke der Erläuterung wird angenommen, dass die Wandlerstufe 21 im Antriebsmodus dazu ausgebildet ist, den Versorgungsstrom I21 und I2 entsprechend mit einer sinusförmigen Wellenform, welche schematisch in 5 dargestellt ist, zu erzeugen. 5 zeigt eine Periode mit einer positiven Halbperiode und einer negativen Halbperiode des sinusförmigen Versorgungsstromes I2, I21. Die Funktionsweise der Antriebsregeleinheit 31, welche die Wandlerstufe 21 ansteuert um den sinusförmigen Versorgungsstrom I21 zu erzeugen, wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Zeitdiagramme der einzelnen Treibersignale S61–S64 beschrieben.
  • Im Allgemeinen kann die Antriebsregeleinheit 31 die Wandlerstufe 21 ansteuern, um einen positiven Versorgungstrom I2, I21 zu erzeugen, welcher eine Versorgungsspannung ist welche die in den 3 und 4 dargestellte Polarität aufweist, und kann die Antriebsregeleinheit 31 die Wandlerstufe 21 ansteuern, um einen negativen Versorgungsstrom zu erzeugen welcher ein Versorgungsstrom I21 ist der eine zu der in den 3 und 4 dargestellten Polarität entgegengesetzte Polarität aufweist. Ein Betriebsmodus der Antriebsregeleinheit 31, in welchem die Antriebsregeleinheit 31 die Wandlerstufe 21 ansteuert um einen positiven Ausgangsstrom I2, I21 zu erzeugen, wird als erster Betriebsmodus bezeichnet und ein Betriebsmodus in welchem die Wandlerstufe 21 einen negativen Ausgangsstrom I21 erzeugt, wird als zweiter Betriebsmodus der Antriebsregeleinheit 31 bezeichnet. In dem ersten Betriebsmodus schaltet die Antriebsregeleinheit 31 den dritten Schalter 63 aus, den vierten Schalter 64 ein und den ersten Schalter 61 und den zweiten Schalter 62 wie bei einer Pulsweitenmodulation (PWM) ein und aus. Der erste und der zweite Schalter 61, 62 werden abwechselnd ein- und ausgeschaltet, sodass der zweite Schalter 62 eingeschaltet ist wenn der erste Schalter 61 ausgeschaltet ist und andersherum. Ein momentaner Strompegel des Versorgungsstrom I21 kann durch das Tastverhältnis des PWM-Betriebs des ersten Schalters 61 gesteuert werden, wobei sich der Strompegel des Ausgangsstroms I21 erhöht wenn sich das Tastverhältnis erhöht. Das Tastverhältnis des PWM-Betriebs des ersten Schalters 61 ist gegeben durch D61 = Ton61/T61, wobei D61 das Tastverhältnis ist, Ton61 die Einschaltphase des ersten Schalters in einem Schaltzyklus und T61 die Dauer des Schaltzyklusses ist. Ein Tastverhältnis D62 des zweiten Schalters ist im Wesentlichen D62 = 1 – D61.
  • Eine positive sinusförmige Halbperiode des Versorgungsstromes I2, I21 wird erhalten, indem das Tastverhältnis D61 des ersten Schalters entsprechend variiert wird, wobei sich der Strompegel des Versorgungsstromes I2, I21 erhöht wenn sich das Tastverhältnis D61 erhöht und sich verringert wenn sich das Tastverhältnis D61 verringert. 5 zeigt schematisch verschiedene Schaltzyklen des ersten Schalters 61 während der positiven Halbperiode, von der eine Erhöhung gefolgt von einer Verringerung des Tastzyklus D61 dargestellt ist. Es sollte erkannt werden, dass die Zeitdiagramme in 5 nur schematisch dargestellt sind. In der Regel ist eine Schaltfrequenz des ersten und des zweiten Schalters 61, 62, welche ein Kehrwert der Schaltperiode T61 (f = 1/T61) ist, wesentlich höher als eine Frequenz des Versorgungsstromes I21. Gemäß einer Ausführungsform ist die Schaltfrequenz f mehrere 10kHz bis zu mehreren 100kHz, während eine Frequenz fSIN des sinusförmigen Versorgungsstromes I21 beispielsweise zwischen 10Hz und mehreren wenigen kHz liegt.
  • Die Erzeugung der negativen Halbperiode des Versorgungsstromes I21 entspricht der Erzeugung der positiven Halbperiode mit dem Unterschied, dass während der negativen Halbperiode der zweite Schalter 62 eingeschaltet ist, der erste Schalter 61 ausgeschaltet ist und der dritte und der vierte Schalter 63, 64 auf pulsweitenmodulierte Weise ein- und ausgeschaltet werden. Der Signalpegel des Versorgungsstromes I21 wird durch das Tastverhältnis D62 des PWM-Betriebs des zweiten Schalters 62 bestimmt, wobei sich der Signalpegel erhöht wenn sich das Tastverhältnis D62 erhöht. Der vierte Schalter 64 dient, ähnlich dem zweiten Schalter 62 in der zweiten Halbperiode, als Freilaufelement während der zweiten Halbperiode und wird eingeschaltet, wenn der dritte Schalter 63 ausgeschaltet wird und andersherum. Das Tastverhältnis D64 des vierten Schalters 64 ist: D64 = 1 – D63.
  • Bezugnehmend auf die 3 und 4 können die einzelnen Schalter 6164 mit einem Freilaufelement, wie beispielsweise einer Diode, implementiert werden. Diese Schalter können eine Spannung mit einer ersten Polarität blockieren und leiten, wenn die Spannung die entgegengesetzte Polarität aufweist. Wenn die Schalter 6164 als MOSFETs implementiert werden, können integrierte Bodydioden der MOSFETs als Freilaufelemente dienen.
  • Wenn die Schalter 6164 mit integrierten Freilaufelementen implementiert werden, können die unter Bezugnahme auf 5 dargestellten Kontrollsysteme derart abgeändert werden, dass während der positiven Halbperiode der erste und der vierte Schalter 61, 64 PWM-artig angesteuert werden. Während Ausschaltphasen dieser Schalter 61, 64 stellen die Freilaufelemente des zweiten und des dritten Schalters 62, 63 einen Strompfad zur Verfügung. Während der negativen Halbperiode werden der zweite und der dritte Schalter 62, 63 PWM-artig angesteuert und die Freilaufelemente des ersten und des vierten Schalters 61, 64 stellen einen Strompfad während Ausschaltphasen dieser Schalter 62, 63 zur Verfügung.
  • Die Leistungswandlerstufen 21 der 3 und 4 können in einem Dauerstrombetrieb (CCM, continuos current mode) oder in einem diskontinuierlichen Strommodus (DCM, discontinuos current mode) betrieben werden. In dem CCM ist das Tastverhältnis der PWM-artig angetriebenen Schalter derart, dass sich ein Strom durch die Induktivität 65 zwischen zwei Einschaltphasen der PWM-artig betriebenen Schalter nicht auf null verringert. In dem DCM ist das Tastverhältnis der PWM-artig betriebenen Schalter derart, dass sich ein Strom durch die Induktivität 65 zwischen zwei Einschaltphasen der PWM-artig betriebenen Schalter auf Null verringert. In einer weiteren Ausführungsform können die Leistungswandlerstufen in einem Nullspannungs-Schaltmodus betrieben werden, wobei der Strom zwischen zwei Einschaltphasen seine Richtung wechselt. Diese Betriebsart wird in der US-Patentschrift Nr. 8,026,704 beschrieben, welche hiermit unter Bezugnahme in ihrer Gesamtheit miteinbezogen ist.
  • Unter Bezugnahme auf die oben stehende Beschreibung, kann der Signalpegel des Versorgungsstroms I2, I21 während der positiven Halbperiode variieren, indem das Tastverhältnis D61 des ersten Schalters 61 variiert wird, und der Signalpegel der Versorgungsspannung V21 kann während der negativen Halbperiode variiert werden, indem das Tastverhältnis D63 des dritten Schalters 63 variiert wird. Die Antriebsregeleinheit 31 ist dazu ausgebildet, die Tastverhältnisse D61, D63 gemäß den Zeitdiagrammen in 5 zu variieren, sodass der Versorgungsstrom I21 eine sinusförmige Wellenform aufweist. Die Gegen-EMK (EMK = Elektromotorische Kraft, engl.: back EMF, Electromagnetic Force) des Motors bedingt eine sinusförmige Spannung V21 und V2, wenn der Versorgungsstrom der vom Motor empfangen wird eine sinusförmige Wellenform aufweist.
  • Weiterhin ist die Antriebsregeleinheit 31 dazu ausgebildet, die Frequenz fSIN des Versorgungsstromes I21 basierend auf einen Motorsignal SM zu variieren. Das Motorsignal SM kann eine gewünschte Drehgeschwindigkeit des Motors M anzeigen, wobei die Antriebsregeleinheit 31 dazu ausgebildet ist, die Schalter S61–S64 der Wandlerstufe 21 derart anzusteuern, dass der Motor mit der gewünschten Drehgeschwindigkeit angesteuert wird. Das Motorsignal kann weiterhin ein gewünschtes Drehmoment des Motors M anzeigen. Das Drehmoment des Motors kann eingestellt werden, indem die Amplitude des Versorgungsstromes I21, I2 eingestellt wird, wobei die Amplitude ebenfalls eingestellt werden kann, indem das Tastverhältnis der Kontrollschalter eingestellt wird. Daher kann die Antriebsregeleinheit 31 weiterhin dazu ausgebildet sein, die Schalter S61–S64 derart anzusteuern, dass der Versorgungsstrom eine gewünschte Amplitude aufweist, wie Sie vom Motorsignal SM festgelegt wird. Daher arbeitet die Antriebsregeleinheit 31 wie ein herkömmlicher Frequenzumrichter-Controller (VFD, engl.: variable frequency drive controller). Diese Art von Controller ist allgemein bekannt, sodass hierzu keine weiteren Erklärungen nötig sind.
  • Daher variiert die Leistungswandlerschaltung 2 im Antriebsmodus, wie von der Steuerschaltung 3 angesteuert, die Frequenz des Versorgungsstromes I2 der am Leistungsversorgungsbus 4 verfügbar ist, basierend auf dem Motor-Kontrollsignal SM, sodass der Motor M mit einer gewünschten Drehgeschwindigkeit und/oder einem gewünschten Drehmoment angetrieben wird. Gemäß einer Ausführungsform kann der Winkel des sinusförmigen Stromes, welcher dem Motor bereitgestellt wird, eine Phasendifferenz zu der sinusförmigen Spannung aufweisen, welche von der Gegen-EMK erzeugt wird.
  • 6 zeigt schematisch den Batteriestrom I1 und die Batteriespannung V1, beispielsweise gesteuert durch die Ladesteuereinheit 32 während des Ladebetriebs. Während des Ladebetriebs fließt der Batteriestrom I1 in die entgegengesetzte Richtung wie die in den 3 und 4 dargestellten Richtungen, sodass der Batteriestrom I1 in 6 ein negatives Vorzeichen aufweist. Gemäß einer Ausführungsform ist die Ladesteuereinheit 32 dazu ausgebildet, die Batterie in einem von zwei Lademodi zu laden, nämlich einem ersten Lademodus, welcher im Folgenden als Konstantstrommodus bezeichnet wird, und einem zweiten Lademodus, welcher im Folgenden als Konstantspannungsmodus bezeichnet wird. In dem Konstantstrommodus, steuert die Ladesteuereinheit 32 die Leistungswandlerschaltung 2 derart an, dass die Batterie mit einem im Wesentlichen konstanten Batteriestrom I1 geladen wird, und in dem Konstantspannungsmodus steuert die Ladesteuereinheit 32 die Leistungswandlerschaltung 2 derart an, dass die Batteriespannung V1 im Wesentlichen konstant gehalten wird. Gemäß einer Ausführungsform ist die Ladesteuereinheit 32 dazu ausgebildet, die Leistungswandlerschaltung 2 in dem Konstantstrommodus oder dem Konstantspannungsmodus zu betreiben, basierend auf einem Ladezustand der Batterie 1. Gemäß einer Ausführungsform wird der Ladezustand der Batterie 1 durch die Batteriespannung V1 repräsentiert, sodass die Ladesteuereinheit 32 ein Batteriespannungssignal SV1 empfängt, welches die Batteriespannung V1 repräsentiert. Dieses Batteriespannungssignal SV1 kann dadurch erhalten werden, indem die Batteriespannung V1 auf konventionelle Weise gemessen wird.
  • Bezugnehmend auf die in 6 dargestellten Kurven, betreibt die Ladesteuereinheit 32 die Leistungswandlerschaltung 2 in dem Konstantstrommodus wenn die Batteriespannung V1 unterhalb einer maximalen Batteriespannung V1MAX liegt. 6 zeigt die Batteriespannung V1 und den Batteriestrom –I1 über der Zeit, wobei der in 6 dargestellte Ladeprozess startet, wenn sich die Batteriespannung V1 auf eine minimale Spannung V1MIN verringert hat. Während die Batterie 1 mit einem konstanten Ladestrom –I1REF in dem Konstantstrommodus geladen wird, erhöht sich normalerweise die Batteriespannung V1. Die in 6 dargestellte lineare Erhöhung ist jedoch nur ein Beispiel.
  • Bezugnehmend auf 6 wechselt die Ladesteuereinheit 32 in den Konstantspannungsmodus, wenn die Batteriespannung V1 eine maximale Spannung V1MAX erreicht, welche einer Referenzspannung V1REF in dem Konstantspannungsmodus entspricht. Während des Konstantspannungsmodus verringert sich der Batteriestrom –I1. Gemäß einer Ausführungsform beendet die Ladesteuereinheit 32 den Ladeprozess, wenn sich der Ladestrom –I1 auf einen minimalen Ladestrom –I1MIN verringert hat. Eine Verringerung des Ladestromes auf einen minimalen Ladestrom zeigt an, dass die Batterie 1 vollständig geladen ist.
  • Die Wirkungsweise der Leistungswandlerschaltung 2 im Ladebetrieb wird mit Bezug auf 7, in welcher Zeitdiagramme der Versorgungsspannung V2 und der Treibersignale S61–S64 der Schalter 6164 der Leistungswandlerschaltung 2 dargestellt sind, beschrieben. In 7 zeigt ein hoher Signalpegel eines Treibersignals einen Ein-Zustand an, welcher den entsprechenden Schalter einschaltet und ein niedriger Signalpegel repräsentiert einen Aus-Zustand, welcher den jeweiligen Schalter ausschaltet.
  • In dem Ladebetrieb wird die Versorgungsspannung V2 welche am Leistungsversorgungsbus zur Verfügung steht durch eine externe Energiequelle (in 1 nicht dargestellt), welche mit den Versorgungsanschlüssen 50, 51 verbunden ist, bereitgestellt. Die Schalt-Schaltung 5 verbindet im Ladebetrieb die Versorgungsanschlüsse 50, 51 mit dem Leistungsversorgungsbus 4. Bezugnehmend auf 7 wird angenommen, dass die Versorgungsspannung V2 eine sinusförmige Wellenform aufweist. 7 zeigt eine Periode mit einer positiven Halbperiode und einer negativen Halbperiode der Versorgungsspannung V2. Abhängig davon, ob die Ladesteuereinheit 32 die Leistungswandlerschaltung 2 in dem Konstantspannungsmodus oder dem Konstantstrommodus betreibt, steuert die Ladesteuereinheit 32 entweder den Batteriestrom I1 oder die Batteriespannung V1. In jedem Fall umfasst die Steuerung das PWM-artige Treiben wenigstens eines der Schalter 6164 und das Variieren des Tastverhältnisses des PWM-Betriebs, abhängig von dem zu steuerndem Signal (die Batteriespannung V1 oder der Batteriestrom I1).
  • Während der positiven Halbperiode der Versorgungsspannung V2 schaltet die Ladesteuereinheit 32 den vierten Schalter 64 ein und schaltet den dritten Schalter 63 aus. Der zweite Schalter 62 wird PWM-artig ein- und ausgeschaltet, wobei ein Tastverhältnis D62 des PWM-Betriebs des zweiten Schalters 62 variiert, um das Ausgangssignal zu steuern. Der erste und der zweite Schalter 61, 62 werden entgegengesetzt ein- und ausgeschaltet, das heißt, dass der erste Schalter 61 eingeschaltet ist wenn der zweite Schalter 62 ausgeschaltet ist und andersherum. Ein Tastverhältnis des ersten Schalters 61 ist im Wesentlichen: D61 = 1 – D62. In 7 wird ein PWM-Betrieb des ersten und des zweiten Schalters nur schematisch dargestellt.
  • Während der negativen Halbperiode der Versorgungsspannung V2 schaltet die Ladesteuereinheit 32 den dritten Schalter 63 ein und schaltet den vierten Schalter 64 aus. Der erste Schalter 61 wird PWM-artig ein- und ausgeschaltet, wobei ein Tastverhältnis D61 des ersten Schalters 61 variiert wird, um das Ausgangssignal (I1 oder V1) zu steuern. Der erste Schalter 61 und der zweite Schalter 62 werden entgegengesetzt ein- und ausgeschaltet. Das heißt, dass der zweite Schalter 62 eingeschaltet ist wenn der erste Schalter 61 ausgeschaltet ist. Daher ist ein Tastverhältnis D62 des zweiten Schalters 62 im wesentlichen D62 = 1 – D61.
  • Wenn die Schalter 6164 mit Freilaufelementen implementiert werden, kann der erste Schalter 61 während der positiven Halbperiode ausgeschaltet sein und der zweite Schalter 62 kann während der negativen Halbperiode ausgeschaltet sein, da die Freilaufelemente dieser Schalter 61 und 62 jeweils den Strom während der Ausschaltphasen des zweiten Schalters 62 und des ersten Schalters 61 entsprechend übernehmen.
  • Die Arbeitsweise der Leistungswandlerschaltung 2 während der positiven Halbperiode der Versorgungsspannung V2 ist wie folgt. Wenn der zweite und der vierte Schalter 62, 64 eingeschaltet sind, wird Energie magnetisch in der Induktivität 65 gespeichert. Wenn der zweite Schalter 65 ausschaltet und der erste Schalter 61 einschaltet wird, wird die in der Induktivität 65 gespeicherte Energie auf die Batterie 1 übertragen. Das Ausgangssignal I1, V1 kann gesteuert werden, indem das Tastverhältnis des PWM-Betriebs des zweiten Schalters 62 gesteuert wird. Während der negativen Halbperiode der Versorgungsspannung V2 wird Energie magnetisch in der Induktivität 65 gespeichert, wenn der erste Schalter 61 und der dritte Schalter 63 eingeschaltet sind. Wenn der erste Schalter 61 ausschaltet und der zweite Schalter 62 einschaltet, wird die vorher in der Induktivität gespeicherte Leistung über den dritten Schalter 63 auf die Batterie 1 übertragen. Das Ausgangssignal I1, V1 kann gesteuert werden, indem das Tastverhältnis des PWM-Betriebs des ersten Schalters 61 gesteuert wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform steuert die Ladesteuereinheit 32 nicht nur das Ausgangssignal, welches der Batteriestrom I1 in einem Konstantstrommodus und die Batteriespannung V1 in dem Konstantspannungsmodus ist, sondern steuert auch den Strom I2 in der Leistungswandlerschaltung 2, sodass dieser Strom in Phase ist mit der Versorgungsspannung V2, welche über die Versorgungsanschlüsse 50, 51 bereitgestellt wird. Das heißt, die Ladesteuereinheit 32 weist eine Leistungsfaktor-Korrektur-Funktionalität (PFC, Power Factor Correction) auf.
  • Eine Ausführungsform der Ladesteuereinheit ist in 8 dargestellt. 8 ist ein Blockdiagramm der Ladesteuereinheit 32, welches mehr die Funktionsweise, als deren Implementierung zeigt. Die einzelnen Funktionsblöcke in 8 können unter Verwendung analoger Schaltungen, digitaler Schaltungen oder Hardware und Software implementiert werden.
  • Bezugnehmend auf 8, umfasst die Ladesteuereinheit 32 einen ersten Controller 321, der ein Versorgungsspannungssignal SV2, welches die Versorgungsspannung V2 repräsentiert, und ein Versorgungsstromsignal SI2 empfängt, welches den Strom –I2 von dem Leistungsversorgungsbus 4 in die Leistungswandlerschaltung 2 repräsentiert. Der erste Controller 321 gibt ein erstes Tastverhältnis-Signal SDC1 aus. Das erste Tastverhältnis-Signal SDC1 steuert die Wellenform des Signals des Versorgungsstroms I2 damit diese der Wellenform des Signals der Versorgungsspannung V2 entspricht. Nachdem sich die Wellenform des Signals der Versorgungsspannung V2 periodisch ändert, ist es gewünscht auch die Versorgungsspannung I2 periodisch zu verändern. Daher wird das erste Tastverhältnis-Signal SDC1 von dem ersten Controller 321 derart erzeugt, dass es sich auch periodisch ändert, sodass es die oben beschriebenen Anforderungen an die Phase erfüllt.
  • Bezugnehmend auf 8 umfasst die Ladesteuereinheit 32 weiterhin einen zweiten Controller 322, welcher ein zweites Tastverhältnis-Signal SDS2 ausgibt. Das zweite Tastverhältnis-Signal SDC2 dient dazu, das Ausgangssignal zu steuern, also im Konstantstrommodus den Batteriestrom I1 und im Konstantspannungsmodus die Batteriespannung V1. Der zweite Controller 322 empfängt ein Referenzsignal SREF, welches den gewünschten Signalpegel des zu steuernden Ausgangssignals repräsentiert. In dem Konstantstrommodus repräsentiert das Referenzsignal SREF den Referenzstrom –I1REF aus 7 und in dem Konstantspannungsmodus repräsentiert das Referenzsignal SREF die Referenzspannung V1REF aus 7. Der zweite Controller 322 empfängt weiterhin das Ausgangssignal welches entweder ein Batteriestromsignal SI1, welches den Batteriestrom I1 repräsentiert, oder ein Batteriespannungssignal SV1 ist, welches die Batteriespannung V1 repräsentiert. Ein Multiplexer 323 empfängt beide Signale SI1, SV1 und gibt eines dieser Signale an den zweiten Controller 322 weiter, abhängig von einem Betriebsmodus-Signal SMOD. Das Betriebsmodus-Signal SMOD wird beispielsweise von dem Hauptprozessor 30 bereitgestellt, und repräsentiert den gewünschten Betriebsmodus der Ladesteuereinheit 32.
  • Bezugnehmend auf 8 empfängt ein Multiplexer 324 das erste Tastverhältnis-Signal SDC1 und das zweite Tastverhältnis-Signal SDC2 und gibt ein globales Tastverhältnis-Signal SDC aus, welches dem Produkt des ersten und des zweiten Tastverhältnis-Signals SDC1, SDC2 entspricht.
  • Ein PWM-Generator 325 empfängt das globale Tastverhältnis-Signal SDC und erzeugt die Treibersignale S61–S64 gemäß den Zeitdiagrammen, wie sie mit Bezug auf 7 beschrieben wurden. Der PWM-Generator 325 empfängt weiterhin eine Information über die Polarität der Versorgungsspannung V2 um zu entscheiden, welcher der Schalter 6164 eingeschaltet oder ausgeschaltet wird und welcher der Schalter PWM-artig mit einem durch das Tastverhältnis-Signal SDC bestimmten Tastverhältnis betrieben wird. Bezugnehmend auf 7 wird der zweite Schalter 62 während der positiven Halbperiode PWM-artig betrieben, sodass während der positiven Halbperiode der Versorgungsspannung V2 das Treibersignal S2 mit einem durch das Tastverhältnis-Signal SDC bestimmten Tastverhältnis betrieben wird. Während der negativen Halbperiode definiert das Tastverhältnis-Signal SDC das Tastverhältnis des vierten Schalters S64. Gemäß einer Ausführungsform empfängt der PWM-Generator 325 das Versorgungsspannungssignal SV2 und extrahiert die Information über die Polarität aus diesem Signal.
  • In einem elektrischen Antriebssystem gemäß oben beschriebener Ausführungsformen, kann die AC-Energie, welche von der Leistungswandlerschaltung 2 im Antriebsmodus bereitgestellt wird, über relativ lange Leistungsversorgungsbusleitungen übertragen werden. Anders als in herkömmlichen elektrischen Antriebssystemen, welche einen DC-Bus umfassen, besteht keine Notwendigkeit, die Leistungswandlerschaltung in nächster Umgebung des Motors M anzuordnen. Daher können die Batterie 1 und die Leistungswandlerschaltung 2 als eine Einheit ausgeführt werden, sodass die Batterieanschlüsse 11, 12 nicht zugänglich sind. Es besteht somit kein Bedarf mehr an einem Batterietrennschalter, welcher in herkömmlichen Systemen dazu ausgebildet ist, die Batterie von dem DC-Bus im Falle eines Unfalls zu trennen. In dem vorliegenden elektrischen Antriebssystem kann die Leistungswandlerschaltung 2 als Batterietrennschalter wirken. Gemäß einer Ausführungsform wird die Leistungswandlerschaltung 2 derart angesteuert, dass der Strom für eine bestimmte Zeitdauer begrenzt wird und die Leistungswandlerschaltung 2 sich ausschaltet, wenn der Strompegel einen bestimmten Schwellwert übersteigt oder wenn die Zeitdauer während der der Strom einen gegebenen Schwellwert übersteigt eine vorgegebene Zeitdauer überschreitet.
  • 9 zeigt ein Antriebssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform. In dieser Ausführungsform sind weitere Lasten Z0, Z1, Z2 mit dem Leistungsversorgungsbus 4 verbunden. Abhängig von der Art der Last, können die zusätzlichen Lasten mit dem Leistungsversorgungsbus 4 auf verschiedene Art und Weise verbunden werden. Gemäß einer Ausführungsform wird die Last Z0 direkt mit dem Leistungsversorgungsbus verbunden. Diese Last Z0 ist beispielsweise ein widerstandsbasiertes Heizungssystem, welches die Versorgungsspannung V2, welche auf dem Leistungsversorgungsbus 4 zur Verfügung steht, direkt empfängt. Die Last Z0 kann gesteuert werden, indem die Spannung V2, beispielsweise mittels eines Relays (nicht dargestellt), in einem Ein-/Aus-Modus zu der Last geschaltet wird. Andere Lasten, wie beispielsweise die Lasten Z1, Z2 in 9, werden mit dem Leistungsversorgungsbus 4 über Leistungswandlerschaltungen 71, 72 verbunden. Diese Leistungswandlerschaltungen 71, 72 können unidirektionale Leistungswandlerschaltungen sein, welche die Leistung von dem Leistungsversorgungsbus 4 zu den einzelnen Lasten Z1, Z2 übertragen, jedoch nicht in einer entgegengesetzten Richtung. Die Art der Leistungswandlerschaltung 71, 72 basiert auf der Art der Last. In der Ausführungsform in 9 ist eine Leistungswandlerschaltung 71, welche mit der Last Z1 verbunden ist, eine AC/DC-Leistungswandlerschaltung, welche die Versorgungswechselspannung V2 empfängt und eine Gleichspannung V71 an die Last Z1 ausgibt. Diese Leistungswandlerschaltung 71 kann eine herkömmliche AC/DC-Leistungswandlerschaltung sein, die dazu ausgebildet ist, eine Eingangswechselspannung zu empfangen und eine kontrollierte Gleichspannung auszugeben. Eine Ausführungsform dieser AC/DC-Leistungswandlerschaltung 71 ist schematisch in 10 dargestellt.
  • Die Leistungswandlerschaltung in 10 ist als Tiefsetzsteller ausgebildet und umfasst eine Serienschaltung mit einem Schalter 711, einer Induktivität 712 und einer Kapazität 713, welche mit einem Ausgang einer Gleichrichterschaltung 710, wie beispielsweise einem Brückengleichrichter, verbunden sind. Die Serienschaltung empfängt eine Ausgangsspannung V710 der Gleichrichterschaltung 710, die mit dem Leistungsversorgungsbus 4 verbunden ist, wobei die Ausgangsspannung eine gleichgerichtete Version der Versorgungsspannung V2 ist, welche an dem Leistungsversorgungsbus 4 zur Verfügung steht. Die Ausgangsspannung V710 steht über der Kapazität 714 zur Verfügung. Ein PWM-Controller 715 betreibt den Schalter 711 PWM-artig in Abhängigkeit von einem Ausgangsspannungssignal SV71, welches die Ausgangsspannung V71 repräsentiert, sodass die Ausgangsspannung V71 einer vorgegebenen Referenzspannung entspricht. Ein Freilaufelement 714 ist parallel zu der Serienschaltung mit der Induktivität 712 und der Kapazität 713 geschaltet, wobei das Freilaufelement 714 den Strom durch die Induktivität 712 in den Phasen aufnimmt, in welchen der Schalter 711 ausgeschaltet ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Ausgangsgleichspannung V71 der Leistungswandlerschaltung 71 etwa 12V. Die Last Z1 in 9 repräsentiert DC-Lasten, welche in einem Fahrzeug Verwendung finden können, wie beispielsweise Motoren für Fensterheber und Sitzeinstellungen, Beleuchtung, Audio- und Entertainment-Systeme oder Ähnlichem.
  • Bezugnehmend auf 9 kann die zweite Leistungswandlerschaltung 72 eine Wechselspannung V72 aus der Versorgungsspannung V2 bereitstellen. Die Last Z3, welche die Wechselspannung V72 empfängt, repräsentiert Lasten in einem Fahrzeug, welche eine Versorgungswechselspannung benötigen, wie beispielsweise ein Klimaanlagen-System. Die zweite Leistungswandlerschaltung 72 kann eine herkömmliche AC/AC-Wandlerschaltung sein, die dazu ausgebildet ist, eine Wechselspannung aus der Versorungswechselspannung V2 bereitzustellen. Eine Ausführungsform dieser Leistungswandlerschaltung 72 ist schematisch in 11 dargestellt.
  • Bezugnehmend auf 11 umfasst die Leistungswandlerschaltung 72 eine erste Leistungswandlerstufe 721, die eine Ausgangsspannung V720 von einer Gleichrichterschaltung 720 empfängt, welche mit dem Leistungsversorgungsbus 4 verbunden ist. Die Ausgangsspannung V720 ist eine gleichgerichtete Version der Versorgungsspannung V2 welche auf dem Leistungsversorgungsbus zur Verfügung gestellt wird. Die erste Leistungswandlerstufe 721 erzeugt eine Versorgungsgleichspannung V721 aus der Versorgungswechselspannung V2. Diese Versorgungsspannung V721 wird im Folgenden als Zwischenkreisspannung (engl.: DC link voltage) bezeichnet. Die erste Leistungswandlerstufe 721 kann mit einer herkömmlichen AC/DC-Wandlertopologie implementiert werden, wie beispielsweise einer Tiefsetzsteller-Topologie (wie in 10 dargestellt), einer Hochsetzsteller-Topologie oder einer Tief-Hochsetzsteller-Topologie.
  • Bezugnehmend auf 11 empfängt eine zweite Leistungswandlerstufe 722 die Zwischenkreisspannung V721 und erzeugt eine Ausgangswechselspannung V72 mit einer gewünschten Frequenz und Amplitude. Die zweite Leistungswandlerstufe 722 umfasst eine DC/AC-Konverter-Topologie. Diese Topologie kann eine herkömmliche DC/AC-Konverter-Topologie sein, wie beispielsweise eine Topologie wie sie mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben wurde.
  • Die Lasten Z0–Z3 werden über die Leistungswandlerschaltungen 71, 72 versorgt, wenn das Antriebssystem sich im Antriebsmodus befindet und wenn sich das Antriebssystem in dem Ladebetrieb befindet. In dem Antriebsmodus wird die Versorgungsspannung V2 über die Leistungswandlerschaltung 2, welche zwischen die Batterie 1 und den Leistungsversorgungsbus geschaltet ist, bereitgestellt und in dem Ladebetrieb wird die Versorgungsspannung V2 durch die externe Energiequelle bereitgestellt, welche mit den Leistungsversorgungsanschlüssen verbunden ist.
  • Bezugnehmend auf die oben stehenden Erläuterungen steuert die Leistungswandlerschaltung in dem Antriebsmodus den Versorgungsstrom I2, welcher auf dem Leistungsversorgungsbus entsprechend dem Motortreibersignal SM bereitgestellt wird, wobei das Motortreibersignal SM Informationen über die gewünschten Wellenform-Parameter des Antriebssystems I2, wie beispielsweise Frequenz und Amplitude, umfasst. Die Leistungswandlerschaltungen 71, 72, welche die Lasten Z1, Z2 und die Last Z0 versorgen, sind dazu ausgebildet, mit einer Versorgungsspannung V2 betrieben zu werden, dessen Frequenz und Amplitude variieren, was ein Ergebnis der Gegen-EMK des Motors M ist, welcher den Versorgungsstrom I2 empfängt.
  • Wenn sich jedoch die Leistungswandlerschaltung 2 in dem Antriebsmodus befindet, aber das Motortreibersignal anzeigt, dass die Leistungsaufnahme des Motors M Null ist, reduziert die Leistungswandlerschaltung 2 die Amplitude des Versorgungsstromes I2 auf Null. In diesem Fall würden andere Lasten wie beispielsweise die Lasten Z0, Z1, Z2 aus 9, nicht weiter versorgt werden. Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung 3 dazu ausgebildet, den Motor M von dem Leistungsversorgungsbus 4 unter Verwendung der Schalt-Schaltung 5 zu trennen (der Versorgungsbus 4 wird dann mit den Versorgungsanschlüssen 50, 51 verbunden, welche in diesem Betriebszustand keine externe Leistung empfangen) und die Antriebsregeleinheit 31 zu steuern, um einen Versorgungsstrom I2 oder eine Versorgungsspannung V2 ungleich Null oder beides zu erzeugen, um die Lasten Z0, Z1, Z2 anzusteuern. Diese Versorgungsspannung kann eine vorgegebene Frequenz oder eine vorgegebene Amplitude oder beides haben.
  • 12 zeigt eine weitere Ausführungsform der Leistungswandlerschaltung 2, welche zwischen die Batterie 11 und den Leistungsversorgungsbus 4 geschaltet ist. Neben der Wandlerstufe 21, welche oben beschrieben wurde, umfasst die Leistungswandlerschaltung 2 in 12 weiterhin eine weitere Wandlerstufe 20. Die Wandlerstufe 21 wird im Folgenden als die erste Wandlerstufe und die weitere Wandlerstufe 20 als zweite Wandlerstufe bezeichnet. Die zweite Wandlerstufe 20 ist eine DC/DC-Wandlerstufe und ist zwischen die Batterie 1 und die erste Wandlerstufe 21 geschaltet. Wie die DC/AC-Wandlerstufe 21 ist auch die DC/DC-Wandlerstufe 20 eine bidirektionale Wandlerstufe, welche eine Leistungsübertragung von der Batterie 1 an die DC/AC-Wandlerstufe 21 und von der DC/AC-Wandlerstufer 21 zu der Batterie 1 erlaubt.
  • Die DC/DC-Wandlerstufe 20 wird ebenfalls durch die Steuerschaltung 3 angesteuert. Gemäß einer Ausführungsform steuert die Steuerschaltung 3 die DC/DC-Wandlerstufe 20 im Leistungsversorgungsmodus der Leistungswandlerschaltung 2 derart an, dass sie eine Ausgangsspannung V20 (welche im Folgenden als Zwischenkreisspannung V20 bezeichnet wird) bereitstellt. Ein Signalpegel der Zwischenkreisspannung V20 kann entweder höher als ein Signalpegel der Batteriespannung V1 oder niedriger als ein Signalpegel der Batteriespannung V1 sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform entspricht der Signalpegel der Zwischenkreisspannung V20 dem maximalen Signalpegel der Batteriespannung V1, wobei die DC/DC-Wandlerstufe 20 den Signalpegel der Zwischenkreisspannung V20 konstant hält, während sich die Batteriespannung V1 verringert, wenn sich die Batterie 1 entlädt.
  • Die DC/DC-Wandlerstufe 20 kann mit einer herkömmlichen DC/DC-Konverter-Topologie, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, implementiert werden.
  • Weiterhin kann die DC/DC-Wandlerstufe 20 eine galvanische Isolation zwischen der Batterie 1 und der DC/AC-Wandlerstufe 21 bereitstellen. In diesem Fall umfasst die DC/DC-Wandlerstufe 20 einen Transformator oder andere Mittel, um die Batterie 1 und die DC/AC-Wandlerstufe 21 galvanisch zu isolieren und eine Leistungsübertragung in beide Richtungen (bidirektional) zu erlauben. In diesem Fall kann die Leistungswandlerschaltung mit einer Topologie, wie sie in den 1a und 1b von Everts, J.; Krismer, F.; Van den Keybus, J.; Driesen, J.; Kolar, J. W., „Comparative evaluation of soft-switsching, bidirectional, isolated AC/DC converter topologies," Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE, S. 1067–1074, Februar 5–9, 2012 („Everts“) beschrieben ist, welches hiermit unter Bezugnahme in seiner Gesamtheit mit aufgenommen ist. Der DC/DC-Wandler 20 kann also mit einer sogenannten Dual-Active-Bridge-Topologie wie sie in den 2a und 2b von Everts gezeigt ist, implementiert werden, wobei der DC/DC-Wandler 20 gemäß einer ersten Ausführungsform die Spannung V20 als Gleichspannung erzeugt. In diesem Fall kann der DC/AC-Wandler 21 wie oben beschrieben, implementiert werden.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist die DC/DC-Wandlerstufe 20, welche von der Steuerschaltung angesteuert wird, dazu ausgebildet im Antriebsmodus einen Strom mit einer gleichgerichteten sinusförmigen Wellenform wie in 13 dargestellt, bereitzustellen und eine gleichgerichtete sinusförmige Spannung V20 im Ladebetrieb zu empfangen. In diesem Fall verhält sich der DC/AC-Wandler 21 wie eine Auffaltbrücke (engl.: unfolding bridge), welche aus dem gleichgerichteten Strom I21 einen Versorgungswechselstrom I21 erzeugt. Eine Wellenform dieses Wechselstroms I21 ist in 23 ebenfalls dargestellt. Der DC/AC-Wandler 21 kann mit einer in 3 dargestellten Topologie implementiert werden, wobei die Induktivität 65 weggelassen werden kann. Die Wirkungsweise eines Wandlers 21, welcher als Auffaltbrücke wirkt, ist wie folgt. Der Wandler 21 schließt den ersten und den vierten Schalter 61, 64 während einer Periode des periodischen Versorgungsstromes I20 und öffnet den zweiten und den dritten Schalter 62, 63 in einer nächsten Periode.
  • In der zweiten Ausführungsform steuert die Ladesteuereinheit 32 den DC/DC-Wandler 20 abhängig von dem Motorsignal SM an, um wenigstens die Amplitude oder die Frequenz oder beides des gleichgerichteten Stromes I20 zu variieren, abhängig von dem Motorsignal SM.
  • Eine Ausführungsform eines DC/DC-Wandlers mit einer Dual-Active-Bridge-Topologie wie in Everts dargestellt, wird in 14 dargestellt. Es soll erkannt werden, dass die DC/DC-Wandler-Topologie in 14 lediglich ein Beispiel ist. Andere bidirektionale DC/DC-Wandler-Topologien können ebenfalls verwendet werden.
  • Bezugnehmend auf 14 umfasst die DC/DC-Leistungswandlerstufe 20 eine erste Brückenschaltung 201 mit zwei Halbbrücken, wobei jede einen High-Side-Schalter 201 1, 201 3 und einen Low-Side-Schalter 201 2, 2014 aufweist, welche zwischen Eingangsanschlüsse zum Empfangen der Batteriespannung V1 geschaltet ist. Eine Serienschaltung mit einem induktiven Speicherelement 203 und einer primärseitigen Windung 204 P eines Transformators 204 ist zwischen Ausgangsknoten der beiden Halbbrücken geschaltet, wobei ein Ausgangsknoten ein Schaltungsknoten ist, welcher den High-Side-Schaltern 201 1, 201 3 und den Low-Side-Schaltern 201 2, 201 4 einer Halbbrücke gemeinsam ist. Der Transformator 204 umfasst weiterhin eine sekundärseitige Windung 204 S, welche induktiv mit der primärseitigen Windung 204 P gekoppelt ist. Eine zweite Brückenschaltung 205 mit zwei Halbbrücken, wobei jede einen High-Side-Schalter 205 1, 205 3 und einen Low-Side-Schalter 205 2, 205 4 aufweist, ist mit der sekundärseitigen Windung 204 S verbunden. Jede dieser Halbbrücken ist zwischen einen Ausgang (an welchem die Zwischenkreisspannung V20 oder der gleichgerichtete Strom I20 bereitgestellt wird) und einen Eingang geschaltet. Der Eingang ist ein Schaltungsknoten, welcher den High-Side-Schaltern 205 1, 205 3 und den Low-Side-Schaltern 205 2, 205 4 einer Halbbrücke gemeinsam ist. Der Eingang der Halbbrücke 205 1, 205 2 ist mit einem ersten Anschluss der sekundärseitigen Windung 204 S verbunden und der Eingang der Halbbrücke 205 3, 205 4 ist mit einem zweiten Anschluss der sekundärseitigen Windung verbunden.
  • Die Schalter 201 1201 4, 205 1205 4 der Brückenschaltungen 201, 205 können als herkömmliche elektronische Schalter, wie beispielsweise MOSFETs (Metal-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt Transistor, engl.: Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors), IGBTs (Bipolar Transistor mit isolierter Gate-Elektrode, engl.: Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Sperrschicht-Feldeffekt Transistor, engl.: Junction Field-Effect Transistors), HEMTs (Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit, engl.: High-Electron-Mobility Transistors) oder ähnlichen, implementiert werden. Wenn die Schalter 205207 als MOSFETs implementiert werden, kann eine interne Bodydiode der MOSFETs als Gleichrichterelement verwendet werden, sodass kein zusätzliches Gleichrichterelement benötigt wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird das Einschalten und das Ausschalten der einzelnen Schalter 201 1201 4 der ersten Brückenschaltung 201 der beiden Halbbrücken derart getaktet, dass wenigstens einige der Schalter 201 1201 4 eingeschaltet und/oder ausgeschaltet werden, wenn die Spannung über dem entsprechenden Schalter Null ist. Dies ist als Nullspannungsschalten (ZVS, engl.: zero voltage switching) bekannt.
  • Der DC/DC-Wandler 20 kann bidirektional betrieben werden. Das heißt, dass der DC/DC-Wandler 20 in dem Antriebsmodus derart betrieben werden kann, dass er aus der Batteriespannung V3 eine im wesentlichen konstante Zwischenkreisspannung oder einen Versorgungsstrom I20 mit einer gleichgerichteten Wechselstrom-Wellenform bereitstellt. In dem Ladebetrieb kann der DC/DC-Wandler 20 die Spannung V20 mit einem im Wesentlichen konstanten Spannungspegel oder mit einer gleichgerichteten Wechselstrom- Wellenform empfangen und die Batterie entweder im Konstantspannungsmodus oder im Konstantstrommodus laden.
  • 15 zeigt eine weitere Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems. Das Antriebssystem in 14 umfasst weiterhin einen Generator G und einen weiteren Leistungswandler 8, welcher mit dem Generator G verbunden ist. Der Generator G ist beispielsweise ein durch einen Verbrennungsmotor betriebener Generator und ist dazu ausgebildet, eine Ausgangswechselspannung VG bereitzustellen. Die weitere Leistungswandlerschaltung 8 empfängt die Generatorspannung VG und stellt eine Gleichspannung V8 an Ausgangsanschlüssen 81, 82 zur Verfügung, welche mit der Leistungswandlerschaltung 2 verbunden sind.
  • Gemäß einer Ausführungsform, wie in 16A dargestellt, ist der Ausgang 81, 82 der weiteren Leistungswandlerschaltung 8 mit dem Eingang der Leistungswandlerschaltung 2 verbunden und somit mit den Batterieanschlüssen 11, 12. Gemäß einer Ausführungsform ist die Leistungswandlerschaltung 8 dazu ausgebildet, eine konstante Ausgangsspannung V8 oder einen konstanten Ausgangsstrom I8 bereitzustellen, abhängig von einem Ladezustand der Batterie 1. Die Leistungswandlerschaltung 2 kann gemäß jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen implementiert werden. Gemäß einer weiteren, in 16B dargestellten, Ausführungsform umfasst die Leistungswandlerschaltung 2 die DC/DC-Wandlerstufe 20 und die DC/AC-Wandlerstufe 21. In diesem Fall ist der Ausgang 81, 82 der weiteren Leistungswandlerschaltung 8 mit dem Zwischenkreiskondensator 209 der DC/DC-Wandlerstufe 20 verbunden.
  • Die weitere Leistungswandlerschaltung 8 kann mit einer herkömmlichen AC/DC-Leistungswandler-Topologie implementiert werden, wie beispielsweise einer Hochsetzsteller-Topologie, einer Tiefsetzsteller-Topologie oder einer Tief-Hochsetzsteller-Topologie.
  • 17 zeigt eine weitere Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems. Das elektrische Antriebssystem in 17 umfasst eine Vielzahl von Batterien 1 I, 1 II, 1 III und eine entsprechen Vielzahl von Leistungswandlerschaltungen 2 I, 2 II, 2 III. Jede der Leistungswandlerschaltungen 2 I, 2 II, 2 III ist mit einem Ausgang 11 I, 12 I, 11 II, 12 II, 11 III, 12 III einer der Vielzahl an Batterien 1 I1 III verbunden. Obwohl 17 ein System mit drei Batterien und drei Leistungswandlerschaltungen darstellt, ist das System nicht auf drei Batterien und drei Leistungswandlerschaltungen beschränkt. Es ist sogar möglich, ein System mit nur zwei oder mit mehr als drei Batterien und einer entsprechenden Anzahl an Leistungswandlerschaltungen zu implementieren. Jede der Leistungswandlerschaltungen 2 I2 III umfasst einen Ausgang, wobei die Ausgänge der einzelnen Leistungswandlerschaltungen zwei 2 I2 III gemeinsam mit dem Leistungsversorgungsbus 4 verbunden sind. In dem Antriebssystem in 17 agiert eine der Leistungswandlerschaltungen, wie beispielsweise die erste Leistungswandlerschaltung 2 I, als Master-Wandler der in dem Antriebsmodus die Frequenz und die Amplitude seines Versorgungsstromes I2I steuert. Die anderen Leistungswandlerschaltungen agieren als Slave-Wandler, welche ihre Ausgangsströme steuern, damit diese dem Ausgangsstrom des Master-Wandlers entsprechen. In diesem Fall ist der Ausgangsstrom jeder Leistungswandlerschaltung 1/n des gesamten Versorgungsstromes I2. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann jeder der Slave-Leistungswandlerschaltungen den Versorgungsstrom I212–I21n mit einer Frequenz, welche der Frequenz des Ausgangsstromes I211 der Master-Leistungswandlerschaltung entspricht und mit einer Amplitude, welche von der Kapazität der Batterie 1 21 n abhängt die mit den Leistungswandlerschaltungen verbunden ist erzeugen, sodass der Gesamtausgangsstrom I2 eine vorgegebene Amplitude aufweist (um das Drehmoment des Motors M zu steuern).
  • Jede der einzelnen Leistungswandlerschaltungen 2 I2 III kann gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen der Leistungswandlerschaltung 2 implementiert und wie in Verbindung mit diesen Ausführungsformen beschrieben, betrieben werden.
  • In dem Ladebetrieb empfängt jede Leistungswandlerschaltung 2 I2n die Versorgungsspannung V2 (bereitgestellt von der externen Leistungsquelle) und lädt die Batterie gemäß einem der oben beschriebenen Verfahren.
  • Bezugnehmend auf 17 steuert die Steuerschaltung 16 die einzelnen Leistungswandlerschaltungen 2 I2 III an, wobei jede dieser Leistungswandlerschaltungen 2 I2 III wie von der Steuerschaltung 3 angesteuert in dem Antriebsmodus oder in dem Ladebetrieb arbeitet. Die Steuerschaltung 3 betreibt die einzelnen Leistungswandlerschaltungen 2 I2 III entweder in dem Antriebsmodus oder in dem Ladebetrieb.
  • 18 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Batterie 1 und einer Leistungswandlerschaltung 2, welche in einem der oben beschriebenen Antriebssysteme verwendet werden können. In der Ausführungsform in 17 umfasst die Batterie 1 eine Vielzahl an Batterieeinheiten (Batterieabschnitte) 1 1, 1 2, 1 n, wobei jede dieser Batterieeinheiten 1 11 n dazu ausgebildet ist, eine Batteriespannung V11, V12, V1n zwischen Anschlüssen der Batterieeinheit 111, 12 1, 11 2, 12 2, 11 n, 12 n bereitzustellen. Die Leistungswandlerschaltung 2 umfasst eine Vielzahl an Teilschaltungen 2 1, 2 2, 2 n, wobei jede dieser Teilschaltungen 2 1, 22, 2n mit dem Ausgang einer der Batterieeinheiten 1 11 n verbunden ist. Jede der Teilschaltungen 2 12 n wird von der Steuerschaltung 3 angesteuert, wobei die Steuerschaltung 3 die einzelnen Teilschaltungen 2 12 n gleichzeitig entweder in dem Antriebsmodus oder in dem Ladebetrieb betreibt. In dem Antriebsmodus gibt jede Teilschaltung 2 12 n eine Versorgungsspannung V21–Vn mit einer Frequenz wie durch die Steuerschaltung 3 vorgegeben aus. Die einzelnen Teilschaltungen 2 12 n sind kaskadiert, sodass die Versorgungsspannung V2 des Leistungsversorgungsbusses 4 der Summe der einzelnen Ausgangsspannungen V21–V2n der Teilschaltungen entspricht.
  • In dem Ladebetrieb bilden Ausgangskapazitäten der einzelnen Teilschaltungen 2 12 n einen kapazitiven Spannungsteiler, sodass die Spannung V21–V2n an dem Ausgang der jeweiligen Teilschaltungen 2 12 n eine Menge der Versorgungsspannung V2 ist, welche über die Versorgungsanschlüsse (in 17 nicht dargestellt) von der externen Energiequelle bereitgestellt wird. Jede der Teilschaltungen 2 12 n kann wie die erste Leistungswandlerschaltung 2, wie in Bezug auf die 116 beschrieben, implementiert werden. Wenn die einzelnen Teilschaltungen 2 12 n mit Wandlerstufen 21, wie mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben, implementiert werden, entsprechen die Ausgangskapazitäten die in 16 dargestellt sind den optionalen Ausgangskondensatoren 66 der 3 und 4.
  • In dem Ladebetrieb wird jede der Teilschaltungen 2 12 n durch die Steuerschaltung 3 wie die erste Leistungswandlerschaltung 2 betrieben, wie in Bezug auf die 116 oben beschrieben, mit dem Unterschied, dass die Teilschaltungen 2 12 n nicht die allgemeine Versorgungsspannung V2 empfangen, sondern lediglich einen Anteil der allgemeinen Versorgungsspannung V2.
  • 19 zeigt eine weitere Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems. In der Ausführungsform in 19 ist der Leistungsversorgungsbus 4 ein 3-phasiger Leistungsversorgungsbus, der eine erste Phase 41 (auch als R bezeichnet), eine zweite Phase 42 (auch als S bezeichnet) und eine dritte Phase 43 (auch als T bezeichnet) aufweist. In dieser Ausführungsform ist die Leistungswandlerschaltung 2 in dem Antriebsmodus dazu ausgebildet, die drei Ausgangsströme I2R, I2S, I2T bereitzustellen, jeweils einen pro Phase 41, 42, 43, wobei jeder eine Frequenz und eine Amplitude aufweist, welche durch das Motorkontrollsignal (SM, in 19 nicht dargestellt) bestimmt werden. Ein Phasenunterschied zwischen zwei dieser Versorgungsströme I2R, I2S, I2T ist etwa 120°. Die Leistungswandlerschaltung 2 arbeitet wie ein herkömmlicher 3-Phasen-Motor-Wechselrichter, der dazu ausgebildet ist, einen 3-phasigen Versorgungsstrom mit einer Frequenz und einer Amplitude bereitzustellen, welche durch das Motorkontrollsignal bestimmt werden.
  • Der Nullleiter 40 (N) ist in diesem Antriebssystem optional. Wenn das elektrische Antriebssystem beispielsweise eine weitere Last aufweist, wie beispielsweise eine oder mehrere Lasten Z0, Z1, Z2 wie in 9 dargestellt, können die Last oder die entsprechende Leistungswandlerschaltung mit dem Nullleiter oder mit einer der Phasen 41, 42, 43 verbunden werden.
  • Der Motor M ist in dieser Ausführungsform ein 3-phasiger Asynchronmotor, wobei die Schalt-Schaltung 5 dazu ausgebildet ist, den Motor mit den drei Phasen 41, 42, 43 zu verbinden. Die externe Energiequelle kann eine 3-phasige Quelle sein. In diesem Fall umfasst das Antriebssystem vier Anschlüsse, nämlich einen ersten Anschluss 51 für die erste Phase der Energiequelle, einen zweiten Anschluss 52 für die zweite Phase der Energiequelle, einen dritten Anschluss 53 für eine dritte Phase der Energiequelle und einen vierten Anschluss 50 für den Nullleiter 40 der Energiequelle. Die Schalt-Schaltung 5 ist dazu ausgebildet, entweder den Leistungsversorgungsbus 4 mit der externen Energie zu verbinden, wobei jeder der drei Phasenanschlüsse 5153 mit einer der Phasen 4143 verbunden wird, oder den Leistungsversorgungsbus 4 mit dem Motor M zu verbinden.
  • Wenn die externe Energiequelle nur eine einphasige Energiequelle ist, ist die externe Energiequelle nur mit einem der drei Phasenanschlüsse 5153 und dem Nullleiteranschluss 50 verbunden und die Schalt-Schaltung 5 ist dazu ausgebildet, den einen der drei Phasenanschlüsse 5153 mit einer der Phasen 4143 des Leistungsversorgungsbusses zu verbinden und den Nullleiteranschluss 50 mit dem Nullleiter 40 in dem Ladebetrieb zu verbinden.
  • In der Ausführungsform in 19 gibt es lediglich einen Motor, der durch die Schalt-Schaltung 5 mit dem Leistungsversorgungsbus 4 verbunden werden kann. Dieses System kann jedoch leicht modifiziert werden um eine Vielzahl an Motoren zu umfassen, wie beispielsweise bürstenlose Permanentmagnetmotoren, welche direkt im Rad des Fahrzeugs angebracht sind. In dieser Ausführungsform umfasst das System eine Vielzahl an Schaltungen, welche jeweils eine Batterie 1, eine Leistungswandlerschaltung 2, eine Steuerschaltung 3, einen Leistungsversorgungsbus und einen Motor M aufweisen. Die Schalt-Schaltungen dieser Schaltungen können dazu ausgebildet sein, den jeweiligen Leistungsversorgungsbus entweder mit dem jeweiligen Motor (in dem Antriebsmodus) oder Versorgungsanschlüssen zu verbinden. Die einzelnen Schaltungen können die Versorgungsanschlüsse miteinander teilen.
  • Zwei verschiedene Ausführungsformen der Leistungswandlerschaltung 2 aus 19 werden mit Bezug auf die 20 und 21 weiter unter beschrieben. Bezugnehmend auf 20, umfasst die Leistungswandlerschaltung 2 drei DC/AC-Wandlerstufen 21 1, 21 2, 21 3, wobei jede dieser Leistungswandlerstufen 21 1, 21 2, 21 3 zwischen die Batterie 1 und eine der drei Phasen 4143 des Leistungsversorgungsbusse 4 geschaltet ist. Optional ist die DC/DC-Leistungswandlerstufe 20 zwischen die Batterie 1 und die Leistungswandlerstufen 21 121 3 geschaltet. Jede der Leistungswandlerstufen 21 121 3 umfasst eine Halbbrücke mit einem High-Side-Schalter 61 161 3 und einem Low-Side-Schalter 62 162 3 und umfasst eine Induktivität 65 165 3, wobei die Induktivität jeder Leistungswandlerstufe 21 121 3 zwischen den Ausgang der entsprechenden Halbbrücke und die entsprechende Phase 4142 geschaltet ist. Die einzelnen Schalter 61 161 3, 62 162 3 können mit einem Freilaufelement (nicht dargestellt) wie die in Bezug auf die 3 und 4 beschriebenen Schalter implementiert werden.
  • Wie die erste oben beschriebene Leistungswandlerschaltung 2 kann die Leistungswandlerschaltung 2 in 20 in einem Antriebsmodus (Leistungsversorgungsmodus) betrieben werden, in welchem die einzelnen Leistungswandlerstufen 21 121 3 der Leistungswandlerschaltung 2 die Leistungsversorgungsspannungen V2R, V2S, V2T aus der Batteriespannung V1 oder der Zwischenkreisspannung V20 entsprechend erzeugen. Die Steuerschaltung 3 steuert die einzelnen Leistungswandlerstufen 21 121 3 derart an, dass die Versorgungsspannungen V2R, V2S, V2T eine sinusförmige Wellenform mit einer einstellbaren Frequenz aufweisen, wobei ein Phasenunterschied zwischen den einzelnen V2R, V2S, V2T im Wesentlichen 120° beträgt.
  • Weiterhin kann die Leistungswandlerschaltung 2 in einem Ladebetrieb betrieben werden, in welchem die Leistungswandlerschaltung 2 die Versorgungsspannungen von dem Leistungsversorgungsbus empfängt und entweder dem Batteriestrom I1 oder die Batteriespannung V1 oder die Zwischenkreisspannung V20 steuert.
  • 21 zeigt eine erste Leistungswandlerschaltung 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Ausführungsform in 20 basiert auf der Ausführungsform in 19, mit dem Unterschied, dass die Leistungswandlerschaltung in 20 nur die Induktivität 65 umfasst, welche zwischen die Batterie 1 oder die DC/DC-Wandlerstufe 20 und die Halbbrücken der Leistungswandlerstufen 21 121 3 geschaltet ist. Das bedeutet, dass die einzelnen Leistungswandlerstufen 21 121 3 die Induktivität 65 teilen. Weiterhin umfasst jede Wandlerstufe einen Kondensator 67 1, 67 2, 67 3, welcher zwischen die jeweilige Phase und einen Schaltungsknoten geschaltet ist, welcher den einzelnen Kondensatoren 67 1, 67 2, 67 3 gemeinsam ist. Für einen bidirektionalen Leistungsbus können die Schalter 61 161 3 und 62 162 3 als bidirektional blockende und leitende Schalter implementiert werden.
  • Die Leistungswandlertopologien der 20 und 21 und ihre Arbeitsweise wird in Kolar, J. W.¸Friedli, T., „The essence of three-phase PFC rectifier systems" wie oben erwähnt, beschrieben.
  • Eine 3-phasige Leistungswandlerschaltung kann weiterhin dadurch implementiert werden, dass drei der Leistungswandlerschaltungen, wie in Bezug auf die 3 und 4 beschrieben, verwendet werden und indem diese Leistungswandlerschaltungen derart angesteuert werden, dass in dem Antriebsmodus jede Leistungswandlerschaltung einen Versorgungsstrom für eine Phase erzeugt, derart das diese Ströme einen Phasenunterschied von im Wesentlichen 120° aufweisen.
  • 22 zeigt eine weitere Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems. In dieser Ausführungsform ist die Leistungswandlerschaltung 2 in dem Antriebsmodus dazu ausgebildet, den Versorgungsstrom I2 mit der Wellenform einer gleichgerichteten Wechselspannung zu erzeugen, wie beispielsweise einer gleichgerichteten sinusförmigen Spannung V2, und ist in dem Ladebetrieb dazu ausgebildet, eine gleichgerichtete Wechselspannung zu empfangen. Eine Ausführungsform des Versorgungsstromes I2 mit einer gleichgerichteten sinusförmigen Wellenform ist schematisch in 22 dargestellt.
  • Die Leistungswandlerschaltung 2 kann in einer Topologie implementiert werden, welche auf der zuvor in Bezug auf die 3 und 4 erläuterten Topologie basiert und welche dadurch vereinfacht wird, indem der dritte Schalter 63 weggelassen und der vierte Schalter 64 mit einer permanenten Verbindung ersetzt wird. Die Leistungswandlerschaltung 2 wird dann wie in Bezug auf die positive Halbperiode der Ausgangsspannung V2 bereits beschrieben, betrieben.
  • Bezugnehmend auf 22, umfasst das elektrische Antriebssystem weiterhin eine Gleichrichterschaltung 91, welche mit den Versorgungsanschlüssen 50, 51 verbunden ist und welche dazu ausgebildet ist, eine gleichgerichtete Spannung aus der von der internen Energiequelle (nicht dargestellt) bereitgestellten Versorgungswechselspannung zu erzeugen. Weiterhin umfasst das elektrische Antriebssystem eine Auffaltbrücke (engl.: unfolding bridge) die dazu ausgebildet ist, eine Wechselspannung aus dem gleichgerichteten Versorgungsstrom I2, welcher von der ersten Leistungswandlerschaltung 2 in dem Antriebsmodus bereitgestellt wird, zu erzeugen. Gemäß einer Ausführungsform, in 24 dargestellt, umfasst die Auffaltbrücke eine Brückenschaltung mit zwei Halbbrücken, welche jeweils einen High-Side-Schalter 921, 923 und einen Low-Side-Schalter 922, 924 aufweisen. Jede Halbbrücke umfasst einen Ausgang, wobei ein Ausgang mit einem ersten Motoranschluss M0 und der andere Ausgang mit dem zweiten Motoranschluss M2 verbunden ist. Die Schalter 921924 werden mit der Frequenz der gleichgerichteten Versorgungsspannung V2 geschalten, sodass der erste und der vierte Schalter 921924 in einer Periode der gleichgerichteten Versorgungsspannung V2 leiten, während in der nächsten Periode der zweite und der dritte Schalter 922, 923 der Auffaltbrücke 92 leiten.
  • In dem oben beschriebenen elektrischen Antriebssystem, dient die Leistungswandlerschaltung 2 zum Einen dazu, die Versorgungsspannung V2 mit variierender Frequenz bereitzustellen und zum Anderen um die Batterie zu laden. Daher wird kein zusätzliches Batterieladegerät benötigt. Weiterhin ist die Leistungswandlerschaltung 2 dazu ausgebildet, eine maximale Ausgangsleistung zu liefern, welche wenigstens die maximale Eingangsleistung des Motors ist. Die Leistungswandlerschaltung 2 ist jedoch nicht nur dazu ausgebildet, die maximale Leistung für den Motor in dem Antriebsmodus bereitzustellen, sondern auch dazu, die maximale Leistung für die Batterie 1 in dem Ladebetrieb bereitzustellen, sodass die Batterie schneller als mit einem herkömmlichen Batterieladegerät geladen werden kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist ein Relay (nicht dargestellt) zwischen die Leistungswandlerschaltung 2 und jede Phase der Leistungsversorgung 4 geschaltet. Anders als in herkömmlichen Systemen, welche einen DC-Bus umfassen, kann ein einfaches und günstiges Relay (das nicht notwendigerweise dazu ausgebildet sein muss, elektrische Bögen zu verhindern) in dem System mit dem AC-Bus 4 wie oben beschrieben verwendet werden.
  • Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale welche in Bezug auf spezifische Figuren erläutert wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, auch in solchen Fällen in welchen dies nicht explizit angegeben wurde. Weiterhin können die Verfahren dieser Erfindung auch komplett in Software umgesetzt werden, unter Verwendung geeigneter Prozessorbefehle, oder in hybriden Anwendungen, welche eine Kombination aus Hardwarelogik und Softwarelogik verwenden, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen. Derartige Modifikationen der erfindungsgemäßen Idee sollen durch die beigefügten Ansprüche und ihre rechtlichen Equivalente abgedeckt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 8026704 [0054]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Kolar, J. W.; Friedli, T., „The essence of three-phase PFC rectifier systems“ Telecommunications Energy Conference (INTELEC), 2011 IEEE 33rd International, S. 1–27, October 9–13, 2011 [0042]
    • Everts, J.; Krismer, F.; Van den Keybus, J.; Driesen, J.; Kolar, J. W., „Comparative evaluation of soft-switsching, bidirectional, isolated AC/DC converter topologies,“ Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE, S. 1067–1074, Februar 5–9, 2012 [0086]
    • Kolar, J. W.¸Friedli, T., „The essence of three-phase PFC rectifier systems“ [0113]

Claims (19)

  1. Elektrisches Antriebssystem, das aufweist: eine wiederaufladbare Batterie (1); einen Leistungsversorgungsbus (4); eine erste Leistungswandlerschaltung (2) die zwischen die wiederaufladbare Batterie (1) und den Leistungsversorgungsbus (4) gekoppelt ist; einen Motor (M), der dazu ausgebildet ist, an den Leistungsversorgungsbus (4) gekoppelt zu werden; eine Steuerschaltung (3) die dazu ausgebildet ist, die erste Leistungsversorgungsschaltung (2) in einem von einem Leistungsversorgungsbetrieb und einem Batterieladebetrieb zu betreiben, wobei die erste Leistungsversorgungsschaltung (2) im Leistungsversorgungsbetrieb wenigstens einen von einem Wechselstrom und einem gleichgerichteten Wechselstrom an den Leistungsversorgungsbus (4) liefert und wobei die erste Leistungswandlerschaltung (2) im Batterieladebetrieb die wieder aufladbare Batterie (1) lädt.
  2. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, das weiterhin aufweist: Leistungsversorgungsanschlüsse (50, 51); und eine Schalt-Schaltung (5), die zwischen den Leistungsversorgungsbus (4) und die Leistungsversorgungsanschlüsse (50, 51) gekoppelt ist und die zwischen den Leistungsversorgungsbus (4) und den Motor (M) gekoppelt ist.
  3. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 2, bei dem die erste Leistungswandlerschaltung (2) dazu ausgebildet ist, einen gleichgerichteten Wechselstrom an den Leistungsversorgungsbus (4) zu liefern, und bei dem das elektrische Antriebssystem weiterhin aufweist: eine Entfaltebrückenschaltung (92), die zwischen die Schalt-Schaltung (5) und den Motor (M) geschaltet ist; und eine Gleichrichterschaltung (91), die zwischen die Leistungsversorgungsanschlüsse (50, 51) und die Schalt-Schaltung (5) geschaltet ist.
  4. Elektrisches Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Leistungsversorgungsbus (4) eine Phase und einen Nullleiter aufweist und der Motor (M) ein einphasiger Motor ist.
  5. Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1–4, bei dem der Leistungsversorgungsbus (4) drei Phasen aufweist und bei dem der Motor (M) ein 3-phasiger Motor ist.
  6. Elektrisches Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Leistungswandlerschaltung (2) im Ladebetrieb dazu ausgebildet ist, in einem von einem Konstantstrombetrieb, bei dem die wiederaufladbare Batterie (1) mit einem im wesentlichen konstanten Ladestrom versorgt wird, und einem Ladebetrieb, bei dem die wiederaufladbare Batterie (1) mit einer im wesentlichen konstanten Spannung versorgt wird, zu arbeiten.
  7. Elektrisches Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Leistungswandlerschaltung (2) aufweist: eine erste Leistungswandlerstufe (21) die einen Leistungsversorgungsbus (4) angeschlossen ist; und eine zweite Leistungswandlerstufe (20), die zwischen die wieder aufladbare Batterie (1) und die erste Leistungswandlerstufe (21) geschaltet ist.
  8. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 7, bei dem im Leistungsversorgungsbetrieb der ersten Leistungswandlerschaltung die zweite Leistungswandlerstufe (20) dazu ausgebildet ist, eine Gleichspannung an die erste Leistungswandlerstufe (21) zu liefern und die erste Leistungswandlerstufe (21) dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Wechselstrom aus der von der zweiten Leistungswandlerstufe (20) erhaltenen Gleichspannung zu erzeugen.
  9. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 7, bei dem im Leistungsversorgungsbetrieb der ersten Leistungswandlerschaltung (2); die zweite Leistungswandlerstufe (20) dazu ausgebildet ist, einen Strom mit einem gleichgerichteten Wechselsignalverlauf an die erste Leistungswandlerstufe (21) zu liefern; und die erste Leistungswandlerstufe (21) dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Wechselstrom aus dem von der zweiten Leistungswandlerstufe (20) erhaltenen Strom zu erzeugen.
  10. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 9, bei dem der gleichgerichtete Wechselsignalverlauf ein gleichgerichteter Sinussignalverlauf ist.
  11. Elektrisches Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die wieder aufladbare Batterie (1) mehrere Batterieeinheiten (1 1, 1 2, 1 n) aufweist und die erste Leistungswandlerschaltung (2) mehrere Unterschaltungen (2 1, 2 2, 2 n) aufweist, wobei jede Unterschaltung (2 1, 2 2, 2 n) an eine Batterieeinheit (1 1, 1 2, 1 n) angeschlossen ist und wobei die Unterschaltungen (2 1, 2 2, 2 n) kaskadiert sind.
  12. Elektrisches Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, das mehrere Batterien (1 I, 1 II, 1 III) und mehrere Leistungswandlerschaltungen (2 I, 2II, 2 III) aufweist, wobei jede der mehreren Leistungswandlerschaltungen (2 I, 2 II, 2 III) zwischen eine der mehreren Batterien (1 I, 1 II, 1 III) und den Leistungsversorgungsbus (4) geschaltet ist.
  13. Elektrisches Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dass weiterhin aufweist: einen Generator (G); und eine zweite Leistungswandlerschaltung (8), die an die erste Leistungswandlerschaltung (2) gekoppelt ist.
  14. Elektrisches Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin eine Last (Z0, Z1, Z2) aufweist, die an den Leistungsversorgungsbus (4) gekoppelt ist.
  15. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 14, das weiterhin eine weitere Leistungswandlerschaltung (71, 72) aufweist, die zwischen die Last (Z1, Z2) und an den Leistungsversorgungsbus (4) gekoppelt ist.
  16. Verfahren, das aufweist: Betreiben einer ersten Leistungswandlerschaltung (2), die zwischen eine wieder aufladbare Batterie (1) und einen Leistungsversorgungsbus (4) gekoppelt ist, in einem von einem Leistungsversorgungsbetrieb, in dem die erste Leistungswandlerschaltung wenigstens einen von einem Wechselstrom und einem gleichgerichteten Wechselstrom an den Leistungsversorgungsbus (4) liefert, und einem Batterieladebetrieb, in dem die erste Leistungswandlerschaltung (2) die wiederaufladbare Batterie aus einer externen Leistungsquelle, die dazu ausgebildet ist, an den Leistungsversorgungsbus (4) gekoppelt zu werden, lädt; und Ansteuern eines Motors (M), der an den Leistungsversorgungsbus (4) angeschlossen ist, im Leistungsversorgungsbetrieb.
  17. Schaltung, die aufweist: eine erste Leistungswandlerschaltung (2) zum Anschließen zwischen Anschlüsse (11, 12) einer wiederaufladbaren Batterie (1) und eines Leistungsversorgungsbusses (4); und eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, die erste Leistungswandlerschaltung (2) zu veranlassen, in einem von einem Leistungsversorgungsbetrieb und einem Batterieladebetrieb zu arbeiten, wobei die erste Leistungswandlerschaltung im Leistungsversorgungsbetrieb einen Wechselstrom an die Anschlüsse für den Leistungsversorgungsbus liefert, und wobei die erste Leistungswandlerschaltung im Batterieladebetrieb die wiederaufladbare Batterie (1) lädt.
  18. Schaltung nach Anspruch 17, bei dem der Wechselstrom einen gleichgerichteten Wechselstrom aufweist.
  19. Schaltung nach Anspruch 17 oder 18, bei dem der Leistungsversorgungsbus (4) einen Leistungsversorgungsbus aufweist, der dazu ausgebildet ist, Leistung an einen Motor zu liefern.
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