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Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen elektrische Energiespeicher auf, etwa Akkumulatoren, die mittels stationärer Versorgungsnetze aufgeladen werden können. Die Akkumulatoren stellen Energie bereit für den elektrischen Antrieb, der bei Elektrofahrzeugen alleine und bei Hybridfahrzeugen in Kombination mit einer Verbrennungskraftmaschine Energie zur Traktion des Fahrzeugs erzeugen. Etwa bei Parallel-Hybridfahrzeugen erzeugt die Verbrennungskraftmaschine kinetische Energie, die auf Räder des Fahrzeugs übertragen wird, während bei Seriell-Hybridfahrzeugen die Verbrennungskraftmaschine über eine elektrische Maschine elektrische Energie erzeugt, die von dem elektrischen Antrieb genutzt wird. Ferner stellen Akkumulatoren Energie bereit für Nebenaggregate, die u.a. elektrische Maschinen umfassen können, oder auch etwa ohmsche Verbraucher wie Heizelemente umfassen können.
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Zum Aufladen eines fahrzeugseitigen elektrischen Energiespeichers wird dieser über eine Ladeschaltung mit einem stationären Versorgungsnetz verbunden. Im Weiteren ist eine fahrzeugseitige Ladeschaltung beschrieben, mit der sich der Aufladevorgang durchführen lässt. Ferner ist ein Verfahren und eine Verwendung zumindest einer Wicklung einer fahrzeugseitigen elektrischen Maschine beschrieben, mit der sich der Aufladevorgang realisieren lässt.
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Aspekte der Erfindung
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Mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche lassen sich fahrzeugseitige elektrische Energiespeicher aufladen.
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Es ist vorgesehen, dass der Stromrichter einer fahrzeugseitigen elektrischen Maschine zum einen als Inverter eingesetzt wird, um ein Ansteuersignal (insbesondere einen Ansteuerstrom wie ein Drehstromsignal) zu erzeugen, und der gleiche Stromrichter der fahrzeugseitigen elektrischen Maschine in einer Ladeschaltung verwendet wird, in der die zumindest eine Wicklung der elektrischen Maschine als Zwischenspeicher bei einer Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlung (d.h. als Boost-Induktivität) verwendet wird. Der Stromrichter wird somit für zwei Funktionen eingesetzt: Zum einen als Inverter (zum Betrieb einer elektrischen Maschine) und zum anderen als Gleichstromwandler (zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers). Auch die zumindest eine Wicklung der elektrischen Maschine erhält zwei Funktionen: zum einen die herkömmliche Funktion zur Steuerung bzw. Erzeugung eines magnetischen Feldes, um die elektrische Maschine als solche betreiben zu können (Antrieb oder Generator) und zum anderen die Funktion als Boost-Induktivität in einem Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler. Die zumindest eine Wicklung der elektrischen Maschine speichert hierbei Energie als magnetisches Feld, gemäß der Funktionsweise einer Induktivität. Die Energie wird als elektrische Energie in die zumindest eine Wicklung der elektrischen Maschine eingespeist und als elektrische Energie von dieser wieder abgegeben. Durch die Funktion der zumindest einen Wicklung der elektrischen Maschine ist es möglich, mittels eines Wechselstromanschlusses elektrische Energie einzuspeisen. Ein Wechselspannung, die am Wechselstromanschlusses dem Fahrzeug zur Verfügung gestellt wird, wird zunächst fahrzeugseitig gleichgerichtet und dann (vorzugsweise geglättet) der zumindest einen Wicklung bereitgestellt, welche (in dieser Funktion) als Induktivität eines DCDC-Wandlers arbeitet.
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Die zusätzliche Funktion der elektrischen Maschine und des Stromrichters bzw. Inverters der elektrischen Maschine zur Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlung ermöglicht eine besonders einfache Ausgestaltung der extern notwendigen Komponenten, die zum Anschluss an ein externes bzw. stationäres elektrisches Versorgungsnetz erforderlich sind.
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Entgegen der üblichen Nomenklatur soll als Stromrichter nur eine Gruppe von betreffenden Schaltelementen bezeichnet werden, während Energiespeicher wie Kondensatoren oder Induktivitäten, die zur Realisierung einer Stromrichterfunktion erforderlich sind, etwa zur Realisierung einer Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlung, gesondert aufgeführt werden. Diese Abweichung ist notwendig, da die hier vorgeschlagenen Vorrichtungen und Verfahren vorsehen, dass die Schaltelemente eines Inverters, der als eigenständige Komponente eine elektrische Maschine ansteuert, zusammen mit mindestens einer Wicklung einer elektrischen Maschine, die als Boost-Induktivität dient, einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers) realisieren.
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Es wird eine fahrzeugseitige Ladeschaltung für ein Fahrzeug mit elektrischem Antrieb beschrieben. Als Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb kommen etwa reine Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge in Betracht, wobei Hybridfahrzeuge neben dem elektrischen Antrieb beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine aufweisen. Die Ladeschaltung dient zum Aufladen eines fahrzeugseitigen elektrischen Energiespeichers, der eine Traktionsbatterie oder eine Bordnetzbatterie sein kann, etwa eine Hochvolt-Traktionsbatterie mit einer Nennspannung > 80 Volt (typischerweise > 320 Volt oder > 360 V...400V) oder eine Niedervoltbatterie mit einer Nennspannung von < 60 Volt (typischerweise ca. 12 V, 14 V, 24 V, 42 V oder 48 Volt).
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Die Ladeschaltung umfasst ferner einen Wechselstromanschluss. Dieser kann mehrphasig sein, etwa dreiphasig, ist jedoch vorzugsweise einphasig ausgeführt. Der Wechselstromanschluss ist für eine Nennspannung ausgelegt, die die eines Versorgungsnetzes entspricht, beispielsweise 110 V, 120 V, 220 V, 230 V oder 240 V bei einer Frequenz von beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz. Der Wechselstromanschluss ist vorzugsweise ein Steckkontakt und kann insbesondere gemäß einem Standard nach IEC/TR 60083 oder IECEE CEE-7 ausgebildet sein, etwa gemäß CEE 7/4. Der Wechselstromanschluss ist ferner vorzugsweise in einer Außenhaut des Fahrzeugs eingelassen, insbesondere innerhalb einer Mulde, und kann mit einer Klappe versehen sein, die die Mulde und/oder den Wechselstromanschluss abdeckt. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Wechselstromanschluss kontaktlos ist und eine Sekundärspule umfasst, die zur induktiven Aufnahme von Energie ausgestaltet ist (und zur Anregung mittels einer externen Primärspule eingerichtet ist).
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Ferner weist die Ladeschaltung einen Gleichrichter auf, der mit dem Wechselstromanschluss unmittelbar oder mittelbar (etwa über einen EMV-Filter) verbunden ist. Der Gleichrichter hat eine Wechselstromseite, mit der der Wechselstromanschluss verbunden ist, und weist eine Gleichstromseite auf, an der die gleichgerichtete Spannung auftritt. Der Gleichrichter ist vorzugsweise ein Vollwellengleichrichter, etwa ein Thyristor-, Transistor- oder Diodenschaltung, die eine Gleichrichter-Brücke bildet. Der Gleichrichter ist vorzugsweise ein gesteuerter Gleichrichter, kann jedoch auch als halbgesteuerter Gleichrichter oder als passiver Gleichrichter ausgestaltet sein. Im Falle eines gesteuerten Gleichrichters weist dieser eine Gleichrichter-Brücke auf, die mit Thyristoren gebildet wird. Im Falle eines halbgesteuerten Gleichrichters weist dieser Thyristoren und Dioden auf, wobei jeweils ein Thyristor (oder ein Transistor) und eine Diode einen Arm des Gleichrichters bilden. Im Falle eines ungesteuerten Gleichrichters weist dieser eine Gleichrichter-Brücke auf, die mit Dioden gebildet wird. Wie erwähnt, können anstatt von Thyristoren können auch Transistoren verwendet werden, etwa Feldeffekttransistoren wie MOSFETs oder auch IGBTs.
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Zudem weist die Ladeschaltung wie erwähnt eine elektrische Maschine auf. Diese ist mit mindestens einer Wicklung ausgestattet, vorzugsweise mit mehreren Wicklungen, beispielsweise mit einem ganzzahligen Vielfachen von drei. In einer Ausgestaltung sind drei Wicklungen vorgesehen. Die Wicklungen sind insbesondere Statorwicklungen. Die elektrische Maschine kann als fremd- oder permanenterregte elektrische Maschine ausgestaltet sein. Die elektrische Maschine kann als Asynchronmaschine oder als Synchronmaschine ausgebildet sein, und kann beispielsweise eine Gleichstrommaschine sein. Beispielsweise kann die elektrische Maschine eine fremderregte Synchronmaschine sein. Bei mehreren (Stator-)Wicklungen können diese als Sternkonfiguration geschaltet sein und sind an einem Sternpunkt miteinander verbunden. Ein Ende der Wicklungen wird von dem Sternpunkt gebildet während das andere Ende der Wicklungen von Wicklungsanschlüssen gebildet wird. Die elektrische Maschine ist mittelbar oder unmittelbar mit dem Gleichrichter verbunden, insbesondere mit dessen Gleichstromseite. Hierbei ist vorzugsweise der Sternpunkt der elektrischen Maschine mit dem Gleichrichter mittelbar (etwa über einen Trennschalter) oder unmittelbar verbunden. Falls die Wicklungen in Dreieckskonfiguration geschaltet sind, dann ist ein Ende einer Wicklung (und somit auch ein Ende einer Reihenschaltung zweier weiterer Wicklungen) mit dem Gleichrichter verbunden.
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Die Ladeschaltung weist einen Stromrichter auf. Dieser ist vorzugsweise mit der elektrischen Maschine verbunden. Der Stromrichter ist insbesondere eine Inverterschaltung. Der Stromrichter ist vorzugsweise als B6C-Brücke ausgestaltet. Der Stromrichter ist ausgestaltet, in zwei unterschiedlichen Modi (Invertermodus, Lademodus) zu arbeiten. Zum einen kann der Stromrichter zur Ansteuerung der elektrische Maschine als Motor, als Generator, oder in beiden dieser Funktionen arbeiten, so dass diese als Elektromotor und/oder als Generator betrieben wird. Zum anderen kann der Stromrichter zur Übertragung von Leistung an einen Energiespeicheranschluss (wobei dies als Lademodus bezeichnet werden kann) dienen, wobei hierbei die mindestens eine Wicklung der elektrischen Maschine die Leistung überträgt und der Stromrichter als Schalteinheit eines Wandlers dient, insbesondere als Schalteinheit eines DCDC-Wandlers. Der Stromrichter kann in einer Richtung elektrische Energie übertragen bzw. wandeln, wenn dieser im Lademodus betrieben wird oder wenn die elektrische Maschine als Generator arbeitet. In beiden dieser Modi wird elektrische Energie vom Stromrichter an einen Energiespeicheranschluss bzw. an einen daran angeschlossenen Energiespeicher geliefert. Der Stromrichter ist ferner vorzugsweise ausgestaltet, in umgekehrter Richtung zu arbeiten, insbesondere zur Übertragung von elektrischer Energie von dem Energiespeicheranschluss bzw. an den daran angeschlossenen Energiespeicher an die elektrische Maschine. Der Stromrichter ist daher vorzugsweise für unterschiedliche Wandlungsrichtungen ausgebildet (d.h. ein bidirektionaler Wandler). Zudem ist der Stromrichter daher vorzugsweise für unterschiedliche Modi ausgestaltet, d.h. für den Betrieb als DCDC-Wandler (zusammen mit der zumindest einen Wicklung der elektrischen Maschine) und für den Betrieb der elektrischen Maschine als Generator und/oder als Elektromotor.
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Wie erwähnt, verfügt die Ladeschaltung über einen Energiespeicheranschluss. Dieser ist zum Anschluss eines elektrischen Energiespeichers eingerichtet. Die Ladeschaltung gibt über den Energiespeicheranschluss Ladestrom an den Energiespeicher ab. Der Energiespeicher kann wie oben dargestellt ausgeführt sein. Der Energiespeicher ist insbesondere ein elektrochemischer oder ein elektrostatischer Speicher, etwa ein Akkumulator oder ein Kondensator oder eine Kombination hiervon. Der Akkumulator kann ein Lithium-basierter Speicher sein oder ein Blei-Säure-Akkumulator oder auch ein Speicher mit Nickelzellen, insbesondere Nickel-Metallhydrid-Zellen. Der Energiespeicheranschluss ist insbesondere ein Steckanschluss oder ein Schraubanschluss. Der Energiespeicheranschluss ist für Betriebsspannungen von vorzugsweise mindestens 60 V, insbesondere von mindestens 320, 360 V oder 400 V ausgelegt.
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Der Energiespeicheranschluss kann direkt mit dem Stromrichter bzw. dessen Versorgungsspannungsschienen verbunden sein. Vorzugsweise befindet sich zwischen dem Energiespeicheranschluss und dem Stromrichter ein Anpassungs-DCDC-Wandler. Der Anpassungs-DCDC-Wandler verbindet vorzugsweise den Stromrichter mit dem Energiespeicheranschluss. Der Anpassungs-DCDC-Wandler kann von der Steuervorrichtung angesteuert werden oder von einer anderen Steuereinheit, die von der Steuervorrichtung oder einer dieser übergeordneten Einheit angesteuert wird. Der Anpassungs-DCDC-Wandler ist beispielsweise ein Step-Up-Wandler (d.h. ein Aufwärtswandler). Mit dem Anpassungswandler kann die vom Stromrichter gelieferte Spannung an eine Betriebsspannung des Energiespeichers bzw. des Energiespeicheranschlusses (vorzugsweise nach oben) angepasst werden.
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Es ist vorgesehen, dass die mindestens eine Wicklung der elektrischen Maschine in Serie zwischen dem Gleichrichter und dem Stromrichter geschaltet ist. Dadurch kann die mindestens eine Wicklung als Boost-Induktivität arbeiten. Insbesondere ist ein Sternpunkt von mehreren Wicklungen der elektrischen Maschine unmittelbar oder mittelbar (etwa über einen Trennschalter) mit dem Gleichrichter (bzw. dessen Gleichstromseite) verbunden. Die zum Sternpunkt entgegengesetzten Enden der Wicklungen, d.h. die Wicklungsanschlüsse sind mit dem Stromrichter verbunden. Vorzugsweise ist der Stromrichter mehrphasig, insbesondere dreiphasig ausgestaltet, bevorzugt als Vollbrücke. Der Stromrichter weist für jeden der Wicklungsanschlüsse einen Anschluss und einen zugehörigen Arm der Brückenschaltung auf, welche von Schaltelementen des Stromrichters gebildet wird. Ist die elektrische Maschine dreiphasig ausgestaltet, so ist auch der Stromrichter dreiphasig ausgestaltet.
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Die fahrzeugseitige Ladeschaltung ist kann mit einer Steuervorrichtung ausgestattet sein. Diese ist ansteuernd mit dem Stromrichter, mit dem Gleichrichter, oder mit beiden verbunden. Die Steuervorrichtung ist zur wahlweisen Ansteuerung gemäß einem Invertermodus und gemäß einem Lademodus ausgestaltet. In einem ersten Zustand ist die Steuervorrichtung eingerichtet, den Stromrichter in dem Invertermodus zu betrieben. In einem zweiten Zustand ist die Steuervorrichtung eingerichtet, den Stromrichter in einem Lademodus zu betreiben. Die Steuervorrichtung kann beide Zustände – jedoch nicht gleichzeitig – einnehmen. Die Steuervorrichtung ist eingerichtet, wahlweise in einem der beiden Modi betrieben zu werden. Die Zustände bzw. die Modi schließen sich gegenseitig aus. Die Steuervorrichtung kann ferner ausgestaltet sein, in dem Lademodus den Gleichrichter anzusteuern, sofern dieser steuerbar oder halbsteuerbar ausgebildet ist. Die Steuervorrichtung kann hierbei ausgestaltet sein, den Gleichrichter gemäß einem Pulsweitenmodulations- oder Phasenanschnittverfahren anzusteuern. Die Steuereinrichtung kann ferner eingerichtet sein, Daten betreffend den Zustand (insbesondere den Ladezustand, die Klemmenspannung, den Strom, die Temperatur oder andere Betriebsparameter) eines an den Energiespeicheranschluss anschließbaren elektrischen Energiespeichers zu empfangen. Es können an dem Energiespeicheranschluss Messvorrichtungen vorgesehen sein, etwa Spannungs- und/oder Stromsensoren, um den Zustand des angeschlossenen Energiespeichers zu ermitteln. Diese Messvorrichtungen sind an Eingänge der Steuervorrichtung angeschlossen. Die Steuervorrichtung kann dadurch den Ladestrom steuern, regeln oder überwachen, der an dem Energiespeicheranschluss abgegeben wird.
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Insbesondere kann die Steuervorrichtung ausgestaltet sein, (im Lademodus) den Gleichrichter (und insbesondere den Stromrichter, beispielsweise dessen B6C-Brücke) derart anzusteuern, dass sich am Wechselstromanschluss ein Leistungsfaktor auftritt, der bestimmten Kriterien entspricht. Diese Kriterien können darin bestehen, dass der Leistungsfaktor möglichst groß ist, innerhalb eines vorgegebenen Intervalls liegt, oder eine vorgegebene Grenze nicht unterschreitet. Damit realisieren der Gleichrichter (und gegebenenfalls der Stromrichter) sowie die Steuervorrichtung zusammen eine Leistungsfaktorkorrektur. Insbesondere bei der Verwendung des Stromrichters innerhalb dieser Funktion kann der Leistungsfaktor zur Erreichung eines optimierten Leistungsfaktorkorrekturs eingestellt werden, wodurch sich ein hoher Wirkungsgrad ergibt.
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Die Steuervorrichtung ist in dem Invertermodus eingerichtet, den Stromrichter anzusteuern, die an dem Energiespeicheranschluss anliegende Spannung in ein Ansteuersignal zu wandeln, mit welchem die elektrische Maschine betrieben werden kann. Hierbei ist das Ansteuersignal ein Stromsignal, mit dem die elektrische Maschine erregt wird. Insbesondere ist das Ansteuersignal ein Drehstrom, mit dem sich in der elektrischen Maschine eine Drehfeld erzeugen lässt.
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Die Steuervorrichtung ist in dem Lademodus eingerichtet, den Stromrichter anzusteuern, die Spannung, welche von dem Gleichrichter über die mindestens eine Wicklung an den Stromrichter abgegeben wird, in ein Ladesignal zu wandeln, das an den Energiespeicheranschluss abgegeben wird. Mit anderen Worten ist die Steuervorrichtung ist in dem Lademodus eingerichtet, den Stromrichter anzusteuern, diejenige Spannung, welche an zumindest einem dem Gleichrichter abgewandten Anschluss der mindestens einen Wicklung anliegt (etwa an den Wicklungsanschlüssen), in ein Ladesignal zu wandeln, das an den Energiespeicheranschluss in ein Ladesignal zu wandeln, das an den Energiespeicheranschluss zur Aufladung eines daran angeschlossenen Energiespeichers abgegeben werden kann. Die Steuervorrichtung arbeitet in diesem Modus als Steuervorrichtung eines Wandlers, wobei der Wandler die mindestens eine Wicklung der elektrischen Maschine (als Boost- bzw. Buck-Induktivität) und den Stromrichter umfasst.
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Der Energiespeicher zählt gemäß einer Ausführungsform nicht zur Ladeschaltung und wird lediglich erwähnt, um die Eigenschaften der Ladeschaltung zu verdeutlichen. Es wird wie erwähnt als Stromrichter nur die betreffende Gruppe von Schaltelementen (etwa die B6C-Brücke) angesehen, während die Boost-Induktivität von der elektrischen Maschine bzw. deren ein oder mehreren Wicklungen realisiert wird. Der Stromrichter (bzw. die betreffenden Schaltelemente) und die so dargestellte Boost-Induktivität realisieren zusammen eine Wandlerfunktion, insbesondere eine Aufwärtswandler-Funktion bzw. eine Gleichspannungswandler-Funktion. Es kann mindestens eine weitere Induktivität vorgesehen sein, die der zumindest einen Wicklung der elektrischen Maschine seriell oder parallel zugeschaltet ist oder im Lademodus seriell oder parallel zugeschaltet wird, um erwünschte Induktivitätswerte zu erreichen. Diese weitere Induktivität kann als eigenes, diskretes Bauelement, d.h. als Spule als Zusatz zu der mindestens einen Wicklung der elektrischen Maschine ausgeführt sein.
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Ferner kann zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselstromanschluss ein EMV-Filter geschaltet sein. Der EMV-Filter verbindet den Gleichrichter mit dem Wechselstromanschluss. Der EMV-Filter ist insbesondere an die Wechselstromseite des Gleichrichters angeschlossen. Die Abkürzung EMV steht hierbei für "elektromagnetische Verträglichkeit". Der EMV-Filter dient zur Reduktion von hochfrequenten Anteilen, wie sie bei Schaltvorgängen auftreten. Der EMV-Filter wird insbesondere dann eingesetzt, wenn der Gleichrichter voll- oder zumindest halbgesteuert ist. Der EMV-Filter hat die Durchlasscharakteristik eines Tiefpasses, wobei bei die Grundfrequenzanteile von etwa 50 oder 60 Hz den EMV-Filter im Wesentlichen ungedämpft durchlaufen.
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Zwischen dem Gleichrichter und der elektrischen Maschine (bzw. deren einen oder mehreren Wicklungen) kann ein Glättungskondensator parallel geschaltet sein. Der Glättungskondensator ist beispielsweise parallel zu dem Gleichrichter (bzw. zu dessen Gleichstromseite) geschaltet. Der Glättungskondensator ist ausgestaltet, die vom Gleichrichter erzeugte gepulste Gleichspannung zu glätten.
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Zwischen dem Gleichrichter (bzw. deren einen oder mehreren Wicklungen) und der elektrischen Maschine kann ein Trennschalter in Reihe geschaltet sein. Der Trennschalter kann sich insbesondere in der Masseschiene befinden, wobei auch eine Reihenschaltung des Trennschalters in der positiven Versorgungsschiene möglich ist. Der Trennschalter kann elektromechanisch sein oder kann eine elektronischer Schalter sein.
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Die elektrische Maschine kann mit einem Sperraktuator ausgestattet sein. Der Sperraktuator weist einen Sperrriegel aufweist, welcher gesteuert die elektrische Maschine wahlweise arretieren oder freigeben kann. Der Sperrriegel ist insbesondere ausgestaltet, in einen Rotor der elektrischen Maschine einzugreifen. Dadurch werden Bewegungen der elektrischen Maschine während dem Lademodus oder in einem Parkmodus, in dem das Fahrzeug sich nicht bewegt, verhindert. Insbesondere bei der Verwendung einer permanenterregten elektrischen Maschine als elektrischen Maschine kann die Steuervorrichtung ausgestaltet sein, diejenigen Schaltelemente des Stromrichters, welche mit unterschiedlichen Wicklungen verbunden sind, abwechselnd anzusteuern, vorzugsweise mit einer Wechselfrequenz von weniger als 1 Hz oder 1000 Hz. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung ausgestaltet, bei jedem Schaltvorgang des Stromrichters während des Lademodus ein anderes Schaltelement bzw. unterschiedlichen Wicklungen zugeordnete Schaltelemente zu schalten. Die unterschiedlichen Wicklungen zugeordnete Schaltelemente werden vorzugsweise der Reihe nach geschaltet, wobei nach den Schaltelementen der letzten Wicklung wieder die Schaltelemente der ersten Wicklung verwendet werden.
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Die elektrische Maschine kann eine Traktionsmaschine oder ein Starter/Generator oder ein Generator oder ein Starter bzw. Anlasser des Fahrzeugs sein. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine ein Motor eines Nebenaggregats des Fahrzeugs, insbesondere eines Klimakompressors (oder auch eines auf den Einlass einer Verbrennungsmaschine wirkenden Kompressors, d.h. ein Kompressor einer Aufladevorrichtung eines Verbrennungsmotors).
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Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eines fahrzeugseitigen Stromrichters beschrieben, an den eine elektrische Maschine und ein elektrischer Energiespeicher angeschlossen sind. Der Stromrichter, die elektrische Maschine und der elektrische Energiespeicher können ausgestaltet sein, wie hier anhand der Ladeschaltung dargestellt ist. Das Verfahren sieht für den Stromrichter zwei Modi (d.h. einen Invertermodus und einen Lademodus) vor, die sich vorzugsweise gegenseitig ausschließen. Diese Modi können als Verfahrensschritte unterschiedlicher Art betrachtet werden, wobei Verfahrensschritte unterschiedlicher Art mittelbar oder unmittelbar aufeinander folgen.
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In einem Invertermodus wird der Stromrichter von dem Energiespeicher gespeist. In diesem Modus erzeugt der Stromrichter ein Ansteuersignal, mit dem die elektrische Maschine betrieben wird. Als Ansteuersignal wird ein Ansteuerstrom oder eine Ansteuerspannung bezeichnet, mit der die elektrische Maschine erregt wird. Das Ansteuersignal ist daher ein Leistungssignal. In dem Invertermodus wandelt der Stromrichter im Sinne eines Inverters die am Energiespeicheranschluss bzw. am Energiespeicher anliegende Spannung (bzw. den vom Energiespeicher gelieferten Strom) gemäß einer Motorsteuervorgabe in ein Ansteuersignal, insbesondere in einen Drehstrom um, mit dem die elektrische Maschine gespeist wird. Die Motorsteuervorgabe gibt beispielsweise ein Soll-Drehmoment und/oder eine Soll-Drehzahl an. Ferner kann bei einer fremderregten elektrischen Maschine ein Erregungssignal erzeugt werden, mit dem eine Rotorwicklung der elektrischen Maschine gespeist wird. Das Erregungssignal und insbesondere das Ansteuersignal werden vorzugsweise von der Steuervorrichtung erzeugt.
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In einem Lademodus wird der Stromrichter über mindestens eine in Reihe geschaltete Wicklung der elektrischen Maschine von einer externen elektrischen Energiequelle gespeist, insbesondere über einen Gleichrichter, der vorzugsweise steuerbar ist. Hierbei entspricht die mindestens eine in Reihe geschaltete Wicklung der anhand der Ladeschaltung erläuterten Wicklung. Der Gleichrichter ist fahrzeugseitig untergebracht. Die externe elektrische Energiequelle ist außerhalb des Fahrzeugs, in dem der Stromrichter bzw. die Ladeschaltung untergebracht ist. Der (fahrzeugseitige) Gleichrichter erhält die Energie von der externen elektrischen Energiequelle über einen fahrzeugseitigen Wechselstromanschluss. Die externe Energiequelle ist insbesondere eine Wechselstromquelle wird über den (fahrzeugseitigen) Wechselstromanschluss angeschlossen. Die externe Energiequelle ist insbesondere eine stationäre elektrische Energiequelle, etwa eine Ladestation oder ein elektrisches öffentliches oder privates Versorgungsnetz, kann jedoch auch ein weiteres Fahrzeug bzw. dessen Akkumulator sein. Die externe Energiequelle kann mittels eines Kabels an den Wechselstromanschluss angeschlossen sein. Es kann auch eine kabellose Übertragungstechnik vorgesehen sein, mittels der Energie von der externen Energiequelle an den Wechselstromanschluss übertragen wird, etwa eine induktive Übertragung, wobei der Wechselstromanschluss kontaktlos als Sekundärspule ausgebildet ist, die ein Wechselmagnetfeld einer Primärspule (der Ladestation, des Fahrzeugs, oder angeschlossen an das Versorgungsnetz) in elektrische Energie umwandelt. Anstatt der Definition, dass in einem Lademodus der Stromrichter über mindestens eine in Reihe geschaltete Wicklung der elektrischen Maschine von einer externen Energiequelle über einen Wechselstromaschluss gespeist wird kann auch vorgehen werden, dass in dem Lademodus der Stromrichter über mindestens eine in Reihe geschaltete Wicklung der elektrischen Maschine über einen Wechselstromanschluss gespeist wird. Zur fahrzeugseitigen Einspeisung wird daher ein fahrzeugseitiger Wechselstromanschluss verwendet. Über diesen Wechselstromanschluss wird im Lademodus die Ladeschaltung (bzw. der Gleichrichter bzw. der Stromrichter) mit elektrischer Energie versorgt. Dies ermöglicht eine vereinfachte Ausführung der Verbindung zwischen einer externen Wechselstromquelle und dem Fahrzeug, da zur Verbindung keine weitere Elektronik erforderlich ist, sondern ein einfaches Kabel genügt.
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Im Lademodus erzeugt der Stromrichter ein Ladesignal, das dem elektrischen Energiespeicher zugeführt wird. Das Ladesignal ist insbesondere ein Ladestrom oder eine Ladespannung, mittels dem bzw. der der Energiespeicher aufgeladen wird. Im Lademodus dient der Stromrichter zusammen mit der mindestens einen Wicklung als Wandler, um die elektrische Energie am Wechselspannungsanschluss gesteuert an den Akkumulator übertragen zu können. Der von dem Stromrichter (d.h. den Schaltelementen des Inverters) und der mindestens einen Wicklung gebildete Wandler ist ferner steuerbar und somit eingerichtet, die an den Akkumulator abgegebene Leistung (insbesondere den Strom und/oder die Spannung) einzustellen. Dadurch kann das Ladesignal (insbesondere der Ladestrom und/oder die Ladespannung) an den Betriebszustand der Batterie und insbesondere an dessen Stromaufnahmefähigkeit angepasst werden. Zudem kann die Spannungslage von dem Wandler, der von dem Stromrichter und der mindestens einen Wicklung gebildet wird, angepasst werden. Dadurch kann die Spannungslage der am Gleichrichter in Richtung Akkumulator abgegebenen Spannung angepasst werden an eine Betriebsspannung (bzw. Betriebssollspannung) des Akkumulators. Hierbei wird der Stromrichter etwa pulsweitenmoduliert oder mittels Phasenanschnitt angesteuert. Die Steuervorrichtung kann hierbei die Modulationssignale bzw. Phasenanschnittsignale erzeugen und dadurch die Funktion des Ansteuerns realisieren. Es sei auf die hierin genannten Funktionen der Steuervorrichtung verwiesen.
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Im Lademodus bildet die mindestens eine Wicklung der elektrischen Maschine zusammen mit dem Stromrichter einen Wandler. Insbesondere bilden diese zusammen einen Aufwärtswandler bzw. einen DCDC-Wandler. Die mindestens eine Wicklung arbeitet als Speicherinduktivität, die auch als Boost-Induktivität bezeichnet werden kann. Der gebildete Wandler ist insbesondere steuerbar. Hierbei weist der Stromrichter bzw. dessen Schaltelemente Eingänge auf, mit denen die einzelnen Schaltelemente des Stromrichters angesteuert werden können. Die Ansteuerung umfasst wie erwähnt beispielsweise eine Pulsweitenmodulation bzw. eine Phasenanschnittsteuerung. Ferner kann der Gleichrichter gesteuert werden, um den effektiven Strom bzw. die Spannung einzustellen.
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Vorzugsweise sperrt im Lademodus ein Sperrriegel eines Sperraktuators die elektrische Maschine mechanisch. Hierbei kann der Sperrriegel in den Rotor eingreifen und dadurch gesteuert arretieren. Dies dient dazu, dass der im Lademodus durch die mindestens eine Wicklung fließende Strom nicht zur unbeabsichtigten Bewegung des Rotors führt. Im Invertermodus sperrt der Sperrriegel die elektrische Maschine nicht bzw. befindet sich in einem zurückgezogenen Modus. Dadurch kann im Invertermodus, wenn die Wicklungen der elektrischen Maschine ein magnetisches Feld zur Drehmomenterzeugung erzeugen, der Rotor der elektrischen Maschine frei drehen. Im Invertermodus kann ferner Energie von der elektrischen Maschine an den Energiespeicheranschluss fließen, wenn sich die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb befindet. Der Stromrichter ist daher bidirektional ausgestaltet, und ist insbesondere ausgestaltet, im Invertermodus bidirektional Leistung übertragen bzw. wandeln zu können.
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Schließlich wird das Verwenden zumindest einer Wicklung einer fahrzeugseitigen elektrischen Maschine zum elektrischen Zwischenspeichern von Energie im Rahmen einer Gleichspannungswandlung beschrieben. Die Gleichspannungswandlung ist hierbei insbesondere eine Aufwärtswandlung. Mittels der Gleichspannungswandlung wird elektrische Energie über ein fahrzeugseitiger Wechselstromanschluss (insbesondere von einer externen elektrischen Energiequelle) an einen fahrzeugseitigen elektrischen Energiespeicher gesteuert übertragen. Das elektrische Zwischenspeichern sieht vor, dass die zumindest eine Wicklung periodisch Energie aufnimmt und abgibt, um eine Stromwandlung (insbesondere eine Hochsetzstellung) auszuführen. Mittels der Gleichspannungswandlung wird insbesondere der gleichgerichtete Strom einer externen elektrischen Wechselstromquelle an den fahrzeugseitigen Energiespeicher übertragen.
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Ferner wird ein Stromrichter der elektrischen Maschine, die dieser als Inverter zugeordnet ist, ebenfalls zur Leistungswandlung verwendet. Hierbei werden der Stromrichter und die zumindest eine Wicklung zusammen als steuerbarer Gleichspannungswandler verwendet. Der Stromrichter zusammen mit der zumindest einen Wicklung der elektrischen Maschine dienen zur Umwandlung eines gleichgerichteten Wechselstroms in einen Ladestrom eines elektrischen Energiespeichers. Der Stromrichter wird in einem Invertermodus als Inverter verwendet, um die elektrischen Maschine mit einem Ansteuerstrom zu versorgen, während der gleiche Stromrichter zusammen mit der Wicklung der mindestens einen elektrischen Maschine als Aufwärtswandler verwendet werden. Im Rahmen der Verwendung der mindestens einen Wicklung der elektrischen Maschine zum Zwischenspeichern von Energie richtet ein Gleichrichter den Strom, der über einen fahrzeugseitigen Wechselstromanschluss eingespeist wird, in Gleichstrom um, wobei die mindestens eine Wicklung und der Stromrichter diesen Gleichstrom zur (gesteuerten) Wandlung erhält, um den gewandelten Strom an einen elektrischen Energiespeicher abzugeben. Der steuerbare Gleichrichter stellt ferner die Höhe der (effektiven) Gleichspannung ein, die von dem Gleichrichter abgegeben bzw. an die elektrische Maschine geliefert wird. Insbesondere kann der steuerbare Gleichrichter zur Phasenanschnittsteuerung verwendet werden, etwa um die gleichgerichtete Gleichspannung an einen Sollstrom oder eine Sollspannung an dem Energiespeicheranschluss anzupassen.
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Die 1 ist eine Übersicht über ein System geeignet zur Erläuterung der Erfindung.
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Die 1 zeigt eine fahrzeugseitige Ladeschaltung 10, die über einen (einphasigen, gegebenenfalls auch dreiphasigen) Wechselstromanschluss 20 mit einer externen elektrischen Energiequelle 24 verbunden ist, welche die Wechselstrom abgibt. Die elektrische Energiequelle ist außerhalb des Fahrzeugs, etwa in Form einer Ladestation, und ist daher kein Teil der Ladeschaltung 10. Dem Wechselstromanschluss 20 der Ladeschaltung 10 ist ein EMV-Filter 22 nachgeschaltet. Dem EMV-Filter 22 ist wiederum ein Gleichrichter 30 nachgeschaltet. Der Gleichrichter 30 ist insbesondere als Gleichrichter-Schaltung von Dioden, Thyristoren oder Transistoren (insbesondere MOSFETs) ausgebildet. Der Gleichrichter 30 kann daher ungesteuert sein oder kann steuerbar ausgeführt sein, insbesondere steuerbar gemäß einer Phasenanschnittsteuerung. Eine Steuervorrichtung 42 ist ansteuernd mit dem steuerbar ausgeführten Gleichrichter 30 verbunden, wobei der Pfeil zwischen diesen beiden Komponenten die Ansteuerrichtung darstellt.
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Der Gleichrichter 30 ist mit dem Wechselstromanschluss 20 verbunden, vorzugsweise wie dargestellt über einen optionalen EMV-Filter 22. Der optionale EMV-Filter ist gestrichelt dargestellt, wobei gestrichelt dargestellten Komponenten generell als optional zu betrachten sind.
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Dem Gleichrichter 30 ist ein optionaler Glättungskondensator 32 nachgeschaltet. Der Glättungskondensator 32 befindet sich auf einer Gleichstromseite 31a des Gleichrichters 30. Auf einer Wechselstromseite 31b des Gleichrichters 30, die sich entgegengesetzt (bezogen auf den Gleichrichters 30) zur Gleichstromseite 31a befindet, befindet sich der Wechselstromanschluss 20 und gegebenenfalls der optionale EMV-Filter 22. Der Gleichrichter 30 verbindet den Wechselstromanschluss 20 (bzw. gegebenenfalls den optionalen EMV-Filter 22) mit einer elektrischen Maschine 40.
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Zwischen der elektrischen Maschine 40 und dem Gleichrichter 30 kann ein optionaler Glättungskondensator parallel geschaltet sein. Ferner kann die elektrische Maschine 40 über einen optionalen Trennschalter 34 mit dem Gleichrichter 30 bzw. dessen Gleichstromseite 31a verbunden sein. Der Trennschalter 34 kann insbesondere in der Masseschiene (in 1 die untere Schiene) angeordnet sein, kann alternativ oder in Kombination hiermit jedoch auch in der positiven Versorgungsschiene (in 1 die obere Schiene) vorgesehen sein.
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Dem Gleichrichter 30, welcher mit dem Wechselstromanschluss 20 verbunden ist, ist die elektrische Maschine 40 und insbesondere deren mehreren Wicklungen 50a–c nachgeschaltet. Die mehreren Wicklungen 50a–c bilden ein dreiphasiges System und sind in Sternkonfiguration geschaltet. Ein Sperraktuator 42 ist der elektrischen Maschine 40 zugeordnet und eingerichtet, deren Rotor zu sperren. Die mechanische Wirkung des Sperraktuators 42 ist mit dem Pfeil zwischen dem Sperraktuators 42 und der elektrischen Maschine 40 dargestellt. Der Sperraktuator 42 wird von der Steuervorrichtung 80 angesteuert.
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Die Wicklungen 50a–c weisen jeweils ein Ende auf, wobei diese Enden der Wicklungen 50a–c über einen Sternpunkt S miteinander verbunden sind. Der Gleichrichter 30 (insbesondere dessen positiver Ausgang) ist mit dem Sternpunkt verbunden. Der Gleichrichter 30 ist ferner mit einem Stromrichter 60 verbunden, wobei ein negativer Ausgang des Gleichrichters 30 mit dem Stromrichter 60 (bzw. dessen negativer Versorgungsschiene) verbunden ist. Die Ausgänge des Gleichrichters 30 entsprechen den Anschlüssen an der Gleichstromseite 31a des Gleichrichters 30.
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Die Wicklungen 50a–c weisen ferner jeweils ein Ende auf, das dem Sternpunkt S (bzw. dem Gleichrichter 30) entgegengesetzt ist.
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Diese Enden der Wicklungen 50a–c sind mit dem Stromrichter 60 verbunden. Der Stromrichter 60 umfasst eine B6C-Brücke (gesteuert von einer Steuervorrichtung 80). Der Stromrichter ist somit als Vollbrücke ausgestaltet und ist dreiphasig. Für jede der drei Phasen sind zwei steuerbare Halbleiterschalter (in 1 als Thyristoren dargestellt). Die Halbleiterschalter haben eine Sperrrichtung und eine Durchlassrichtung. Ferner haben die Halbleiterschalter einen Steuereingang, so dass der Leitungszustand bzw. Schaltzustand in Durchlassrichtung gesteuert werden kann. Die Steuereingänge sind mit der Steuervorrichtung 80 verbunden. Die zwei Halbleiterschalter jeder der drei Phasen sind in Reihe verbunden, wobei an dem Verbindungspunkt eine zugehörige Wicklung angeschlossen ist, insbesondere ein Ende der Wicklung 50a–c, das dem Sternpunkt entgegengesetzt ist. Die jeweils zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschalter sind zwischen der negativen Versorgungsschiene und einer positiven Versorgungsschiene angeschlossen und verbinden diese. Die zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschalter sind (zumindest im Invertermodus) nie gleichzeitig im Schaltungszustand "leitend". Jede Wicklung 50a–c ist über einen Halbleiterschalter mit der positiven Versorgungsschiene des Stromrichters 60 verbunden und über einen weiteren Halbleiterschalter mit der negativen Versorgungsschiene des Stromrichters 60 verbunden.
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Der Stromrichter 60 ist ferner mit einem Energiespeicheranschluss 70 verbunden. Insbesondere sind die zwei Versorgungsspannungsschienen des Stromrichters 60 mit dem Energiespeicheranschluss 70 verbunden. Der Energiespeicheranschluss 70 ist ein Gleichstromanschluss. An den Energiespeicheranschluss 70 ist ein elektrischer Energiespeicher 90, insbesondere ein Hochvoltakkumulator, angeschlossen. Der Energiespeicher 90 ist nicht Teil der Ladeschaltung 10. Bis auf die externe elektrische Energiequelle sind alle dargestellten Komponenten (und auch alle beschriebenen Komponenten) fahrzeugseitig angeordnet und somit dafür vorgesehen, in einem Fahrzeug angeordnet zu sein bzw. einen Teil eines Fahrzeugbordnetzes zu bilden.
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In der 1 ist ein optionaler Anpassungs-DCDC-Wandler 72 dargestellt. Über diesen ist der Stromrichter 60 mit dem Energiespeicheranschluss 70 verbunden. Der Anpassungs-DCDC-Wandler 72 ist vorzugsweise ein Aufwärtswandler. Der Anpassungs-DCDC-Wandler 72 dient zur Anpassung der vom Stromrichter gelieferten Spannung an eine Betriebsspannung des Energiespeichers 90. Der Anpassungs-DCDC-Wandler 72 ist als ein Teil der Ladevorrichtung 10 dargestellt. Der Anpassungs-DCDC-Wandler 72 kann jedoch auch als Komponente des Energiespeichers angesehen werden, mit dem sich Ladespannungen an Soll-Spannungen eines Zellstapels des Energiespeichers anpassen lassen.
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Die Ladevorrichtung 10 realisiert eine Ladefunktion, wobei hierzu jedoch Komponenten des elektrischen Antriebs (insbesondere die Wicklungen 50a–c der elektrischen Maschine 40 und der Stromrichter 60, der als Inverter dient) verwendet werden. Aufgrund dieser Doppelnutzung kann man die Ladevorrichtung 10 auch als (beschalteter) elektrischer Antrieb mit Ladefunktion bezeichnen. Die Wicklungen 50a–c der elektrischen Maschine sind insbesondere Statorwicklungen. Bei fremderregten elektrischen Maschinen ist im Lademodus aufgrund der Ansteuerung mittels der Steuervorrichtung 80 der Erregerstrom ausgeschaltet und im Invertermodus angeschaltet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeugseitige Ladeschaltung
- 20
- Wechselstromanschluss
- 22
- EMV-Filter
- 24
- externe elektrische Energiequelle
- 30
- Wechselstromanschluss
- 32
- Glättungskondensator
- 34
- Trennschalter
- 40
- elektrische Maschine
- 42
- Sperraktuator
- 50a–c
- mindestens einer Wicklung der elektrischen Maschine 40
- 60
- Stromrichter
- 70
- Energiespeicheranschluss
- 80
- Steuervorrichtung
- 90
- elektrischer Energiespeicher
- S
- Sternpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEC/TR 60083 [0008]
- IECEE CEE-7 [0008]
- CEE 7/4 [0008]
