DE102015224090B4 - Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Traktionsnetzes eines elektrischen Antriebsstranges - Google Patents
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Abstract
Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Traktionsnetzes (8) eines elektrischen Antriebsstranges (1), wobei die Schaltungsanordnung mindestens drei DC/DC-Wandler (4-6) und mindestens eine Hochvoltspannungsquelle (13, 16) aufweist, wobei ein Ausgang (7) eines ersten DC/DC-Wandlers (4) mit dem Traktionsnetz (8) verbunden ist und der Eingang (9) des ersten DC/DC-Wandlers (4) mit den Ausgängen (10, 11) des zweiten und dritten DC/DC-Wandlers (5, 6) verbunden ist, wobei die mindestens eine Hochvoltspannungsquelle (13, 16) am Eingang (12, 15) des zweiten oder dritten DC/DC-Wandlers (5, 6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsspannung (U(intern)) des ersten DC/DC-Wandlers (4) die höchste Spannung der Schaltungsanordnung ist, wobei der Eingang des zweiten oder dritten DC/DC-Wandlers (5, 6) als DC-Ladeanschluss konfiguriert ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Traktionsnetzes eines elektrischen Antriebsstranges.
- Elektrische Antriebsstränge werden in Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzt. Dabei weist der Antriebsstrang eine Elektromaschine auf, die motorisch oder generatorisch betrieben werden kann. Die Elektromaschine kann dabei grundsätzlich eine Gleichstrom- oder eine Wechselstrommaschine sein, wobei überwiegend Wechselstrommaschinen Anwendung finden. Weiter verfügen die Antriebsstränge über mindestens eine Hochvoltspannungsquelle, die die Spannung für die Elektromaschine zur Verfügung stellt bzw. im generatorischen Betrieb als Senke von der Elektromaschine geladen wird. Die Hochvoltspannungsquelle ist häufig als Hochvoltbatterie ausgebildet, wobei zwischen Hochvoltbatterie und Elektromaschine noch ein Wechselrichter angeordnet ist, wenn es sich bei der Elektromaschine um eine Wechselstrommaschine handelt.
- Alternativ oder ergänzend zu Hochvoltbatterien sind auch Brennstoffzellen vorgeschlagen worden.
- Aus der
DE 199 54 306 A1 ist eine Vorrichtung zur elektrischen Energieerzeugung mit einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug bekannt, das wenigstens einen Antriebsmotor aufweist, der über einen Umrichter mit der Brennstoffzelle verbindbar ist. Dabei sind der Brennstoffzelle Hilfsaggregate für die Startphase und den Dauerbetrieb nach der Startphase zugeordnet, wobei der Umrichter und Hilfs- bzw. Zusatzaggregate für das Starten und den Betrieb der Brennstoffzelle sowie eine Seite eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers über wenigstens einen Schaltkontakt mit elektrischen Ausgängen der Brennstoffzelle verbindbar sind. An die andere Seite des DC/DC-Wandlers ist über wenigstens einen weiteren Schaltkontakt ein Energiezwischenspeicher anschließbar. Weiter ist ein Steuergerät vorgesehen, das die Freigabe des Energieflusses über den DC/DC-Wandler und die Energieflussrichtung über den DC/DC-Wandler in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennstoffzelle und des Energiezwischenspeichers steuert. Weiter ist vorgesehen, dass der bidirektionale DC/DC-Wandler und wenigstens ein weiterer bidirektionaler DC/DC-Wandler, der mit dem von der Brennstoffzelle gespeisten Netz und mit einem Bordnetz verbunden ist, dessen Spannung kleiner als die Nennspannung der Brennstoffzelle ist, in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dabei kann der Antriebsmotor ein Gleichstrommotor sein, sodass der Wechselrichter ebenfalls ein DC/DC-Wandler ist, sodass insgesamt drei DC/DC-Wandler zum Einsatz kommen können. Nachteilig an dieser Topologie ist, dass bei steigender Last die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle absinkt, sodass auch die Eingangsspannung des Wechselrichters einbricht. Dies führt dazu, dass der Antriebsmotor (bzw. allgemeiner die Elektromaschine) nicht in ihren hinsichtlich Wirkungsgrad optimierten Arbeitspunkten betrieben werden kann. - Aus der
US 2010 / 0 133 025 A1 ist eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Traktionsnetzes eines elektrischen Antriebsstranges bekannt. - Aus der
US 2013 / 0 099 581 A1 ist eine Schaltungsanordnung mit mindestens drei DC/DC-Wandlern und mindestens einer Hochvoltspannungsquelle bekannt. Die mindestens eine Hochvoltspannungsquelle ist am Eingang des zweiten oder dritten DC/DC-Wandlers angeordnet und der Eingang des ersten DC/DC-Wandlers ist mit den Ausgängen des zweiten und dritten DC/DC-Wandlers verbunden. Die Eingangsspannung des ersten DC/DC-Wandlers ist die höchste Spannung der Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung kann auch in einem Fahrzeug eingesetzt werden. - Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Traktionsnetzes eines elektrischen Antriebsstranges zu schaffen, das einen verbesserten Betrieb der Elektromaschine ermöglicht.
- Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Die Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Traktionsnetzes eines elektrischen Antriebsstranges weist mindestens drei DC/DC-Wandler und mindestens eine Hochvoltspannungsquelle auf. Dabei ist ein Ausgang eines ersten DC/DC-Wandlers mit dem Traktionsnetz verbunden und der Eingang des ersten DC/DC-Wandlers mit den Ausgängen des zweiten und dritten DC/DC-Wandlers verbunden, wobei die mindestens eine Hochvoltspannungsquelle am Eingang des zweiten oder dritten DC/DC-Wandlers angeordnet ist. Somit liegt die mindestens eine Hochvoltspannungsquelle über zwei DC/DC-Wandlern an dem Traktionsnetz, sodass Spannungseinbrüche an der Hochvoltspannungsquelle sich nicht unmittelbar auf das Traktionsnetz auswirken. Vielmehr bilden die drei DC/DC-Wandler einen TriPort-Wandler mit einem gemeinsamen internen Anschluss. Dabei sei angemerkt, dass die DC/DC-Wandler vorzugsweise als bidirektionale DC/DC-Wandler ausgebildet sind, sodass die Bezeichnung Ein- und Ausgang nur der Unterscheidung dient, was später noch näher erläutert wird. Im generatorischen Betrieb der Elektromaschine wird beispielsweise eine am Traktionsnetz anliegende Spannung, die von der Elektromaschine erzeugt wird, vom Ausgang des ersten DC/DC-Wandlers auf den Eingang des ersten DC/DC-Wandlers umgesetzt. Weiter sei darauf hingewiesen, dass der Begriff Hochleistungsspannungsquelle nicht ausschließt, dass diese auch als Senke arbeiten kann.
- Dieser TriPort, gebildet durch die drei DC/DC-Wandler, bietet nun vielfältige Ausgestaltungen.
- Dabei ist die Eingangsspannung des ersten DC/DC-Wandlers die höchste Spannung der Schaltungsanordnung. Hierdurch werden die Ströme im TriPort minimiert, sodass mit geringeren Leitungsquerschnitten gearbeitet werden kann, was Kosten und Gewicht spart.
- Dabei ist der Eingang des zweiten oder dritten DC/DC-Wandlers als DC-Ladeanschluss konfiguriert.
- In einer weiteren Ausführungsform ist der erste DC/DC-Wandler derart ausgebildet, dass die Ausgangsspannung einstellbar ist. Somit kann in vorteilhafter Weise ein Arbeitspunkt für Spannung und Strom an der Elektromaschine hinsichtlich des Wirkungsgrades optimiert eingestellt werden.
- Hierzu ist vorzugsweise dem ersten DC/DC-Wandler ein Steuergerät zugeordnet, das derart ausgebildet ist, dass die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers in Abhängigkeit eines gewünschten Arbeitspunktes einer Elektromaschine im Traktionsnetz eingestellt wird.
- In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Hochvoltspannungsquelle modular aufgebaut. Somit kann die Schaltungsanordnung sehr einfach an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die zugehörigen DC/DC-Wandler modular aufgebaut sind, wobei vorzugsweise die interne Spannung am Eingang des ersten DC/DC-Wandlers konstant gehalten wird.
- Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Schaltungsanordnung ist der Einsatz in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstranges in einer ersten nicht anspruchsgemäßen Ausführungsform, -
2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstranges in einer zweiten Ausführungsform, -
3 eine schematische Darstellung eines Drehmoment-Drehzahl-Kennfeldes einer Synchron-Elektromaschine (Stand der Technik), -
4 eine Spannungs-Strom-Kennlinie eines elektrochemischen Elements (Stand der Technik) und -
5 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstranges in einer dritten nicht anspruchsgemäßen Ausführungsform. - In der
1 ist schematisch ein elektrischer Antriebsstrang 1 dargestellt, der eine Elektromaschine 2, einen Wechselrichter 3 sowie drei DC/DC-Wandler 4-6 aufweist. Der Ausgang 7 des ersten DC/DC-Wandlers 4 ist mit dem Wechselrichter 3 verbunden. Der Teil zwischen Wechselrichter 3 und DC/DC-Wandler 4 stellt das Traktionsnetz 8 dar. Der Eingang 9 des ersten DC/DC-Wandlers 4 ist mit den beiden Ausgängen 10, 11 des zweiten DC/DC-Wandlers 5 und des dritten DC/DC-Wandlers 6 verbunden. Dieser Verbindungspunkt liegt auf einem festen Spannungspotential U (intern), das die höchste Spannung im elektrischen Antriebsstrang 1 darstellt. Am Eingang 12 des zweiten DC/DC-Wandlers 5 ist eine erste Hochvoltspannungsquelle 13 in Form einer Brennstoffzelle 14 angeschlossen. Am Eingang 15 des dritten DC/DC-Wandlers 6 ist eine zweite Hochvoltspannungsquelle 16 in Form einer Hochvoltbatterie 17 angeschlossen. Weiter weist der elektrische Antriebsstrang 1 mindestens ein Steuergerät 18 auf. Die drei DC/DC-Wandler 4-6 sind als bidirektionale DC/DC-Wandler ausgebildet, wobei vorzugsweise die Ausgangsspannung des ersten DC/DC-Wandlers 4 durch das Steuergerät 18 einstellbar ist. Das Steuergerät 18 steuert dabei auch die Energierichtung an den DC/DC-Wandlern 4-6. Dadurch, dass jede Hochvoltspannungsquelle 13, 16 über zwei DC/DC-Wandler mit dem Traktionsnetz 8 verbunden ist, kann die Ausgangsspannung am Ausgang 7 des ersten DC/DC-Wandlers 4 unabhängig vom physikalischen Verhalten der Hochvoltspannungsquelle 13, 16 eingestellt werden, was es erlaubt, stets einen gewünschten Arbeitspunkt für die Elektromaschine 2 einzustellen. - Dabei bilden die drei DC/DC-Wandler 4-6 einen TriPort 25 mit den drei äußeren Anschlüssen 7, 12, 15. Dies erlaubt neben der Einstellung des Arbeitspunktes der Elektromaschine 2 auch eine einfache Skalierbarkeit. So kann beispielsweise die Schaltung sehr einfach an unterschiedliche Leistungsbedarfe der Elektromaschine 2 angepasst werden.
- In der
2 ist eine alternative Ausführungsform eines elektrischen Antriebsstranges 1 dargestellt, wo gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen aufweisen. Der einzige Unterschied ist, dass die erste Hochvoltspannungsquelle 13 als Hochleistungsbatterie 19 und die zweite Hochvoltspannungsquelle 16 als Hochenergiebatterie 20 ausgebildet sind. Durch die Verwendung unterschiedlicher Hochvoltspannungsquellen 13, 16 kann somit sowohl eine Anpassung an Dynamik und Dauer erfolgen. - Erfindungsgemäß wird die Hochvoltspannungsquelle 16 durch eine externe DC-Ladeanschlussmöglichkeit ersetzt.
- In der
3 ist ein Drehmoment-Drehzahl-Kennfeld einer Synchron-Elektromaschine dargestellt, wobei der obere Bereich den motorischen Betrieb und der untere Bereich den generatorischen Betrieb darstellt. -
- Um beispielsweise bei hohen Drehzahlen noch ein ausreichend hohes Drehmoment zur Verfügung zu stellen, muss die Spannung (bei angenommener gleich hoher Stromstärke I) angehoben werden. Bei geringen Leistungen sind für den Wirkungsgrad eher kleine Spannungen zu bevorzugen (bei gleicher Stromstärke). Dieses gewünschte Verhalten zur Optimierung des Wirkungsgrades der Elektromaschine 2 ist aber invers zum Verhalten eines elektrochemischen Elements wie beispielsweise einer Batterie oder Brennstoffzelle (siehe
4 ). Durch die Verwendung zweier DC/DC-Strecken kann die Arbeitspunkteinstellung weitgehend vom realen Verhalten der Hochvoltspannungsquelle 13, 16 entkoppelt werden. In der5 ist ein elektrischer Antriebsstrang 1 in einer weiteren alternativen Ausführungsform dargestellt, wobei gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen aufweisen. Der Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsformen gemäß1 und2 ist, dass am Eingang 15 des dritten DC/DC-Wandlers 6 keine Spannungsquelle angeschlossen ist, sondern ein weiteres Traktionsnetz 26 mit einer weiteren Elektromaschine 27 sowie einem Wechselrichter 28. Der Wechselrichter 28 kann jedoch entfallen, wenn die Elektromaschine 27 als Gleichstrommaschine ausgebildet ist. Somit kann eine Hochvoltspannungsquelle 13 zwei Traktionsnetze 8, 26 versorgen, wobei die Elektromaschinen 2, 27 an ihre jeweiligen Aufgaben optimiert werden können. Dabei kann das Steuergerät 18 oder ein weiteres Steuergerät vorzugsweise auch die Spannung am Eingang 15 des dritten DC/DC-Wandlers 6 anpassen, um die Elektromaschine 27 im optimalen Arbeitspunkt betreiben zu können. Hierdurch lässt sich beispielsweise ein elektrischer Allradantrieb realisieren, wobei die beiden Elektromaschinen 2, 26 unterschiedlich dimensioniert sein können.
Claims (4)
- Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Traktionsnetzes (8) eines elektrischen Antriebsstranges (1), wobei die Schaltungsanordnung mindestens drei DC/DC-Wandler (4-6) und mindestens eine Hochvoltspannungsquelle (13, 16) aufweist, wobei ein Ausgang (7) eines ersten DC/DC-Wandlers (4) mit dem Traktionsnetz (8) verbunden ist und der Eingang (9) des ersten DC/DC-Wandlers (4) mit den Ausgängen (10, 11) des zweiten und dritten DC/DC-Wandlers (5, 6) verbunden ist, wobei die mindestens eine Hochvoltspannungsquelle (13, 16) am Eingang (12, 15) des zweiten oder dritten DC/DC-Wandlers (5, 6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsspannung (U(intern)) des ersten DC/DC-Wandlers (4) die höchste Spannung der Schaltungsanordnung ist, wobei der Eingang des zweiten oder dritten DC/DC-Wandlers (5, 6) als DC-Ladeanschluss konfiguriert ist.
- Schaltungsanordnung nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste DC/DC-Wandler (4) derart ausgebildet ist, dass die Ausgangsspannung einstellbar ist. - Schaltungsanordnung nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten DC/DC-Wandler (4) ein Steuergerät (18) zugeordnet ist, das derart ausgebildet ist, dass die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers (4) in Abhängigkeit eines gewünschten Arbeitspunktes einer Elektromaschine (2) im Traktionsnetz (8) eingestellt wird. - Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Hochvoltspannungsquelle (13, 16) modular aufgebaut ist.
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