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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Antriebsstrangs. Ferner betrifft die Erfindung ein Ladesystem zum Laden einer Batterie, eine Ladeschaltung zum Laden einer Batterie, einen elektrischen Antriebsstrang mit einer Vorrichtung zum Laden einer Batterie, und ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang.
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Stand der Technik
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Fahrzeuge mit elektrischen Antriebssträngen, die insbesondere eine Batterie, einen Wechselrichter und eine elektrische Maschine umfassen, sind bekannt. Das Laden dieser Batterien aus einem Zweiphasennetz mit einem separaten Ladegerät ist ebenfalls bekannt. Aus der
US-5341075A ist weiter bekannt, Komponenten des Antriebsstrangs, insbesondere Komponenten der elektrischen Maschine und eines Wechselrichters für die Funktion des Ladens mitzuverwenden. Hierbei werden Anschlüsse der elektrischen Maschine und des Inverters mittels Schützen mit einer Energiequelle verbunden. Die Energie dieser Energiequelle soll zum Laden der Batterie verwendet werden. Eine ähnliche Alternative ist aus der
WO-1997008009A1 bekannt. Es besteht das Bedürfnis eine Topologie bereitzustellen, die weniger aufwändig ist und insbesondere den Verzicht der Schütze ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Antriebsstrangs, wobei der Antriebsstrang, eine Batterie, einen Drei-Level-Wechselrichter und eine elektrische Batterie umfasst. Das Verfahren umfasst die Schritte, Anschließen einer Wechselstromquelle über einen Brückengleichrichter an den Wechselrichter; Ansteuern mindestens eines Schaltelementes des Wechselrichters und Öffnen der übrigen Schaltelemente des Wechselrichters.
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Es wird ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Antriebsstrangs bereitgestellt, wobei der Antriebsstrang eine Batterie, einen Drei-Level-Wechselrichter und eine elektrische Maschine umfasst. Dadurch dass der Antriebsstrang, dem die zu ladende Batterie zugeordnet ist, einen Drei-Level-Wechselrichter umfasst, ist eine Anpassung der Verschaltung der elektrischen Maschine, zum Laden der Batterie nicht notwendig. Die Batterie oder Gleichspannungsquelle dient insbesondere der Versorgung des Antriebstrangs beziehungsweise einer daran angeschlossenen elektrischen Maschine zum Antrieb eines Fahrzeugs.
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Bei dem Aufbau von Wechselrichterschaltungen unterscheidet man zwischen Zweipunkt- oder Zwei-Level-Schaltungen auf der einen Seite, und Dreipunkt- oder Drei-Level-Schaltungen andererseits. Gewöhnlich eingesetzte und aus dem Stand der Technik bekannte Zwei-Level-Wechselrichter dienen der Wandlung einer Gleichspannung in eine einphasige oder mehrphasige Wechselspannung, je nachdem wie viele steuerbare Halbbrücken parallel zu der Gleichspannung geschaltet sind. Zwei-Level-Schaltungen sind geeignet, zwei Spannungsstufen an den Mittelabgriffen der Halbbrücken bereitzustellen. An diesen Mittelabgriffen der jeweiligen Halbbrücke liegt eine Phase der Wechselspannung an. Die Schaltelemente des Wechselrichters werden hierzu beispielsweise derart pulsweitenmoduliert angesteuert so dass sich an den Phasenanschlüssen eine Wechselspannung ausbildet. Am Eingang dieses Wechselrichters liegt zwischen den beiden Eingangsanschlüssen eine Gleichspannung an. Derartige Wechselrichter sind ebenso für die Wandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung als auch umgekehrt für die Wandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung geeignet.
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Drei-Level-Schaltungen sind darüber hinaus in der Lage, drei Spannungsstufen an den Mittelabgriffen, an denen auch die Phasenspannung abgegriffen wird, bereitzustellen. Hierzu wird ein Drei-Level-Wechselrichter an zwei in Reihe geschaltete Gleichspannungsquellen, also insbesondere Batterien oder Traktionsbatterien oder eine Batterie und eine Brennstoffzelle, angeschlossen. Der Mittelabgriff zwischen den beiden Gleichspannungsquellen wird als ein Eingangsanschluss des Wechselrichters verwendet. Dadurch kann mittels der parallel angeordneten Zweige des Drei-Level-Wechselrichters neben einer positiven Spannung und einer negativen Spannung auch eine Mittenspannung an den Phasenausgängen des Wechselrichters bereitgestellt werden. Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE-10 2010 008 426 A1 bekannt.
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Bei dem Verfahren zum Laden einer Batterie umfasst das Anschließen einer Wechselstromquelle über einen Brückengleichrichter an den Wechselrichter das Verbinden einer Wechselstromquelle mit einem Brückengleichrichter und das Verbinden eines Ausgangsanschlusses des Brückengleichrichters mit dem Mittelabgriff zwischen den Gleichspannungsquellen und das Verbinden des anderen Ausgangsanschlusses des Brückengleichrichters mit einem Phasenanschluss der elektrischen Maschine. Dies kann mit geeigneten Schaltelementen erfolgen, beispielsweise mittels Halbleiterschaltern oder Schützen.
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Durch gezieltes Ansteuern mindestens eines Schaltelementes und Öffnen aller übrigen Schaltelemente wird ein Stromfluss aus der Wechselstromquelle über den Brückengleichrichter und das angesteuerte Schaltelement zur Gleichspannungsquelle ermöglicht. Vorteilhaft wird ein Verfahren zum Laden der mindestens einen Gleichspannungsquelle bereitgestellt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Ansteuern mindestens eines Schaltelementes des Drei-Level-Wechselrichters das Ansteuern eines einzelnen Schaltelementes. Hierbei sind vorzugsweise ein Ausgangsanschluss des Brückengleichrichters mit dem Mittelabgriff der Gleichspannungsquellen, beziehungsweise dem Reihenschaltungs-Mittelabgriff, und der andere Ausgangsanschluss des Brückengleichrichters mit einem Ausgangsanschluss des Drei-Level-Wechselrichters verbunden.
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Durch das selektive Ansteuern eines Schaltelementes, dessen Kollektor mit einem der Phasenanschlüsse der Maschine verbunden ist und das Öffnen der übrigen Schaltelemente des Drei-Level-Wechselrichters wird ein Stromfluss aus der Wechselstromquelle über den Brückengleichrichter durch die elektrische Maschine und durch das angesteuerte Schaltelement zur Gleichspannungsquelle, deren negatives Potential mit dem Mittelabgriff zwischen den beiden Gleichspannungsquellen verbunden ist, ermöglicht.
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Vorteilhaft wird das Laden der Gleichspannungsquelle, deren negatives Potential mit dem Mittelabgriff zwischen den beiden Gleichspannungsquellen verbunden ist, ermöglicht.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Ansteuern mindestens eines Schaltelementes das Ansteuern zweier Schaltelemente des Drei-Level-Wechselrichters. Hierbei ist vorzugsweise ein Ausgangsanschluss des Brückengleichrichters mit dem negativen Potential der Reihenschaltung der Gleichspannungsquellen, beziehungsweise dem negativen Reihenschaltungsanschluss, und der andere Ausgangsanschluss des Brückengleichrichters mit einem Ausgangsanschluss des Drei-Level-Wechselrichters verbunden.
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Durch das gezielte gleichzeitige Ansteuern zweier Schaltelemente einer der unteren Halbbbrücken beziehungsweise einer Hälfte der parallel geschalteten Zweige des Drei-Level-Wechselrichters und das Öffnen der übrigen Schaltelemente des Drei-Level-Wechselrichters wird ein Stromfluss aus der Wechselstromquelle über den Brückengleichrichter durch die elektrische Maschine und durch die angesteuerten Schaltelemente zu der Reihenschaltung der Gleichspannungsquellen ermöglicht.
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Vorteilhaft wird das gemeinsame Laden der Gleichspannungsquellen, die in Reihe geschaltet sind, ermöglicht.
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Ferner umfasst die Erfindung ein Computerprogramm, dass eingerichtet ist, dass bisher beschriebene Verfahren auszuführen.
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Ferner umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Ferner umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Antriebsstrangs, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, einen Wechselrichter des Antriebsstrangs anzusteuern, wobei der Antriebsstrang eine Batterie, den Wechselrichter und eine elektrische Maschine umfasst, wobei der Wechselrichter als ein Drei-Level-Wechselrichter ausgestaltet ist.
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Vorteilhaft wird eine Vorrichtung bereitgestellt, welche dazu eingerichtet ist, einen Drei-Level-Wechselrichter derart anzusteuern, dass eine Batterie des Antriebsstrangs aufgeladen wird. Hierzu führt die Vorrichtung ein wie bisher beschriebenes Verfahren durch. Sie steuert Schaltelemente an zum Anschluss einer Wechselstromquelle über einen Brückengleichrichter an den Wechselrichter. Sie steuert mindestens ein Schaltelement des Wechselrichters an und öffnet die übrigen Schaltelemente des Wechselrichters.
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Ferner umfasst die Erfindung ein Ladesystem zum Laden einer Batterie, wobei das Ladesystem die beschriebene Vorrichtung und den Drei-Level-Wechselrichter umfasst.
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Vorteilhaft wird somit ein Ladesystem zum Laden einer Batterie bereitgestellt, welches unter Einbeziehung des Drei-Level-Wechselrichters ein Laden einer Batterie ermöglicht, ohne dass die elektrische Verschaltung einer elektrischen Maschine zum Laden der Batterie abgeändert werden muss.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, umfasst das Ladesystem die Vorrichtung und einen Gleichspannungswandler, dessen Schaltelemente und Dioden als Schaltelemente und Dioden des Drei-Level-Wechselrichters ausgebildet sind.
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Gleichspannungswandler sind aus dem Stand der Technik bekannt. Gleichspannungswandler weisen zwischen ihren Eingangs- und Ausgangsanschlüssen eine Induktivität, eine Diode, und einen Schalter auf. Die Induktivität und die Diode sind in Reihe zwischen die positiven Pole der Ein- und Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers geschaltet. Der Schalter ist mit einem Kontakt mit dem Mittelabgriff zwischen der Induktivität und der Diode verbunden und der andere Kontakt des Schalters ist mit den negativen Anschlusspolen der Eingangsund Ausgangsanschlüsse des Gleichspannungswandlers verbunden. Bei dem Ladesystem mit dem Gleichspannungswandler werden als Schaltelement und Diode des Gleichspannungswandlers die Diode und das Schaltelement des Drei-Level-Wechselrichters verwendet. Vorteilhaft werden für diese Bauelemente keine zusätzlichen Bauelemente zur Realisierung des Gleichspannungswandlers zur Ladung der Batterie benötigt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Ladesystem die Vorrichtung und die elektrische Maschine.
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Vorteilhaft wird somit ein Ladesystem zum Laden einer Batterie bereitgestellt, welches unter Einbeziehung der elektrischen Maschine ein Laden einer Batterie ermöglicht.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, umfasst das Ladesystem die Vorrichtung und einen Gleichspannungswandler, dessen Induktivität als Wicklung der elektrischen Maschine ausgebildet ist. Vorteilhaft wird die Wicklung der elektrischen Maschine als Induktivität für den Gleichspannungswandler verwendet, der das Laden einer Batterie ermöglicht.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Ladeschaltung zum Laden einer Batterie, wobei die Ladeschaltung ein Ladesystem gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10 und einen Brückengleichrichter umfasst. Der Brückengleichrichter umfasst vier Dioden. Weiter sind Eingangsanschlüsse zum Anschluss einer Wechselstromquelle und Ausgangsanschlüsse zum Anschluss eines Gleichspannungswandlers an dem Brückengleichrichter vorgesehen.
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Vorteilhaft wird eine Ladeschaltung bereitgestellt, die zusätzlich zu dem Ladesystem einen Brückengleichrichter umfasst. An den Brückengleichrichter kann eine Wechselstromquelle angeschlossen werden. Die Energie aus der Wechselstromquelle wird mittels dem Brückengleichrichter in eine Gleichspannung umgewandelt. Mittels eines angeschlossenen Gleichspannungswandlers wird die Gleichspannung auf ein zum Laden einer Batterie geeignetes Spannungspotential angepasst.
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Ferner umfasst die Erfindung einen elektrischen Antriebsstrang mit einer wie bisher beschriebenen Vorrichtung zum Laden einer Batterie.
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Vorteilhaft wird ein elektrischer Antriebsstrang bereitgestellt, der eine Vorrichtung zum Ansteuern des Antriebsstrangs derart umfasst, dass eine Batterie geladen werden kann. Insbesondere steuert hierzu die Vorrichtung den Drei-Level-Wechselrichter derart an, dass die Energie einer externen Wechselspannungsquelle, die mittels einem Brückengleichrichter in eine Gleichspannung umgewandelt wird, zum Laden einer Batterie verwendet wird.
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Ferner umfasst die Erfindung ein Fahrzeug mit einem wie bisher beschriebenen elektrischen Antriebsstrang.
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Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend auf die Vorrichtung, das Ladesystem, die Ladeschaltung, den elektrischen Antriebsstrang und das Fahrzeug und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:
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1 eine Ladeschaltung zum Laden einer Batterie,
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2 eine alternative Ladeschaltung zum Laden einer Batterie
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3 einen Gleichspannungswandler,
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4 ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang und einer Ladeschaltung,
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5 ein Verfahren zum Laden einer Batterie.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 und 2 zeigen eine Ladeschaltung zum Laden mindestens einer Batterie 30, 40. Die Ladeschaltung umfasst hierzu einen Brückengleichrichter 80, an dessen Eingangsanschlüssen 24 und 25 eine Wechselspannungsquelle 70 als Energiequelle zum Laden der Batterie 30, 40 anschließbar ist. Der Brückengleichrichter 80 umfasst vier Dioden D7, D8, D9, D10. Jeweils zwei der Dioden sind in Reihe zwischen die Eingangsanschlüsse 24 und 25 des Brückengleichrichters 80 geschaltet. Jeweils zwischen den in Reihe geschalteten Dioden sind die Ausgangsanschlüsse 26 und 27 des Brückengleichrichters 80 angeordnet. Die Dioden D8 und D9 sind derart angeordnet, dass ein Stromfluss von den Eingangsanschlüssen 24 und 25 zu dem Ausgangsanschluss 27 möglich ist, die Dioden D7 und D10 sind derart angeordnet, dass ein Stromfluss von den Eingangsanschlüssen 24 und 25 zu dem Ausgangsanschluss 26 gesperrt wird. Die Ausgangsanschlüsse 26 und 27 des Brückengleichrichters 80 sind mit dem Drei-Level-Wechselrichter 50 verbunden.
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An die Phasenanschlüsse A1, A2, A3 des Drei-Level-Wechselrichters 50 ist eine dreiphasige elektrische Maschine 60 mit den Phasen U, V und W angeschlossen. Die elektrische Maschine 60 umfasst drei über einen Sternpunkt AO der elektrischen Maschine im Stern geschaltete Wicklungen. Die drei Wicklungen sind in den 1 und 2 im Sinne eines Ersatzschaltbildes als drei Reihenschaltungen aus einem induktiven Element und einem Widerstand dargestellt. Die erste Reihenschaltung, die ein erstes induktives Elemente L1 und einen ersten Widerstand R1 umfasst, ist zwischen den ersten Phasenanschluss A1 des Drei-Level-Wechselrichters 50 und den Sternpunkt AO geschaltet. Die zweite Reihenschaltung, die ein zweites induktives Element L2 und einen zweiten Widerstand R2 umfasst, ist zwischen dem zweiten Phasenanschluss A2 des Drei-Level-Wechselrichters 50 und den Sternpunkt AO geschaltet. Die dritte Reihenschaltung, die ein drittes induktives Element L3 und einen dritten Widerstand R3 umfasst, ist zwischen den dritten Phasenanschluss A3 des Drei-Level-Wechselrichters 50 und den Sternpunkt AO geschaltet. Weiter zeigen die 1 und 2 zwei Batterien 30, 40, beziehungsweise Gleichspannungsquellen, die in Reihe geschaltet sind. Die erste Batterie 30 stellt eine Gleichspannung GS1 an ihren Anschlüssen 21 und 23 bereit, die zweite Batterie 40, oder auch eine Brennstoffzelle, stellt eine zweite Gleichspannung GS2 an ihren Anschlüssen 23 und 22 bereit. Die Reihenschaltung der zwei Gleichspannungsquellen 30 und 40 stellt eine Gleichspannung GS3 bereit. Die Reihenschaltung der Gleichspannungsquellen 30 und 40 weist den positiven Reihenschaltungsanschluss 21 und den negativen Reihenschaltungsanschluss 22 auf. Die erste Gleichspannungsquelle 30 ist über den Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 mit der zweiten Gleichspannungsquelle 40 verbunden. Die Ladeschaltung umfasst einen Drei-Level-Wechselrichter 50 mit drei Spannungsniveaus. Dieser Drei-Level-Wechselrichter 50 ist eingangsseitig mit den Reihenschaltungsanschlüssen 21 und 22 sowie dem Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 der Gleichspannungsquellen 30 und 40 verbunden. Ausgangsseitig ist der Drei-Level-Wechselrichter 50 über die Ausgangsphasenanschlüsse A1, A2 und A3 mit der elektrischen Maschine 60 verbunden. Der dargestellte dreiphasige Drei-Level-Wechselrichter 50 umfasst 12 Schaltelemente M1 bis M12, die insbesondere als Halbleiterschalter, Leistungshalbleiterschalter, IGBT`s oder MOSFET`s ausgebildet sein können. Die Anschlüsse der Steuerelektroden der Schaltelemente M1 bis M12 wurden zur Vereinfachung der Darstellung nicht mit Bezugszeichen versehen. Die Schaltelemente M1 bis M12 sind in drei parallel an die Reihenschaltungsanschlüsse 21, 22 angeschlossenen Zweigen Z1 bis Z3 angeordnet. Dabei umfasst der erste Zweig Z1 vier in Reihe geschaltete Schaltelemente M1 bis M4, und zwei Löschdioden D1 und D2. Der erste Zweig Z1 ist dabei über die zwei Löschdioden D1 und D2 mit dem Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 verbunden. Der zweite Zweig Z2 umfasst vier weitere in Reihe miteinander geschaltete Schaltelemente M5 bis M8 und zwei weitere Löschdioden D3 und D4. Der zweite Zweig Z2 ist über die zwei Löschdioden D3 und D4 mit dem Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 verbunden. Ein dritter Zweig Z3 umfasst weitere vier in Reihe miteinander geschaltete Schaltelemente M9 bis M12, und weitere zwei Löschdioden D5 und D6. Der dritte Zweig Z3 ist über die weiteren zwei Löschdioden D5 und D6 mit dem Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 verbunden.
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Das am ersten Ende des ersten Zweiges Z1 angeordnete erste Schaltelement M1 ist über den Kollektor direkt mit dem positiven Reihenschaltungsanschluss 21 und über den Emitter mit dem Kollektor des zweiten Schaltelement M2 des ersten Zweiges Z1 verbunden. Das am zweiten Ende des ersten Zweiges Z1 angeordnete vierte Schaltelement M4 ist über den Emitter mit dem negativen Reihenschaltungsanschluss 22, und über den Kollektor mit dem Emitter des dritten Schaltelementes M3 des ersten Zweiges Z1 direkt verbunden. Auch das zweite Schaltelement M2 ist über den Emitter mit dem Kollektor des dritten Schaltelementes M3 des ersten Zweiges Z1 verbunden. Die erste Löschdiode D1 verbindet den Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 mit dem Mittelabgriff des ersten Zweiges Z1 zwischen dem ersten Schaltelement M1 und dem zweiten Schaltelement M2. Die erste Löschdiode D1 ist derart ausgerichtet, dass ein Stromfluss von dem Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 zu dem ersten Zweig Z1 ermöglicht wird. Die zweite Löschdiode D2 verbindet ebenfalls den Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 mit dem Mittelabgriff des ersten Zweiges Z1 zwischen dem dritten Schaltelement M3 und dem vierten Schaltelement M4. Die zweite Löschdiode D2 ist derart ausgerichtet, dass ein Stromfluss von dem ersten Zweig Z1 zu dem Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 ermöglicht wird.
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Das am ersten Ende des zweiten Zweiges Z2 angeordnete erste Schaltelement M5 ist über den Kollektor direkt mit dem positiven Reihenschaltungsanschluss 21 und über den Emitter mit dem Kollektor des zweiten Schaltelement M6 des zweiten Zweiges Z2 verbunden. Das am zweiten Ende des zweiten Zweiges Z2 angeordnete vierte Schaltelement M8 ist über den Emitter mit dem negativen Reihenschaltungsanschluss 22, und über den Kollektor mit dem Emitter des dritten Schaltelementes M7 des zweiten Zweiges Z2 direkt verbunden. Auch das zweite Schaltelement M6 ist über den Emitter mit dem Kollektor des dritten Schaltelementes M7 des zweiten Zweiges Z2 verbunden. Die dritte Löschdiode D3 verbindet den Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 mit dem Mittelabgriff des zweiten Zweiges Z2 zwischen dem ersten Schaltelement M5 und dem zweiten Schaltelement M6. Die dritte Löschdiode D3 ist derart ausgerichtet, dass ein Stromfluss von dem Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 zu dem zweiten Zweig Z2 ermöglicht wird. Die vierte Löschdiode D4 verbindet ebenfalls den Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 mit dem Mittelabgriff des zweiten Zweiges Z2 zwischen dem dritten Schaltelement M7 und dem vierten Schaltelement M8. Die vierte Löschdiode D4 ist derart ausgerichtet, dass ein Stromfluss von dem zweiten Zweig Z2 zu dem Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 ermöglicht wird.
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Das am ersten Ende des dritten Zweiges Z3 angeordnete erste Schaltelement M9 ist über den Kollektor direkt mit dem positiven Reihenschaltungsanschluss 21 und über den Emitter mit dem Kollektor des zweiten Schaltelement M10 des dritten Zweiges Z3 verbunden. Das am zweiten Ende des dritten Zweiges Z3 angeordnete vierte Schaltelement M12 ist über den Emitter mit dem negativen Reihenschaltungsanschluss 22, und über den Kollektor mit dem Emitter des dritten Schaltelementes M11 des dritten Zweiges Z3 direkt verbunden. Auch das zweite Schaltelement M10 ist über den Emitter mit dem Kollektor des dritten Schaltelementes M11 des dritten Zweiges Z3 verbunden. Die fünfte Löschdiode D5 verbindet den Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 mit dem Mittelabgriff des dritten Zweiges Z3 zwischen dem ersten Schaltelement M9 und dem zweiten Schaltelement M10. Die fünfte Löschdiode D5 ist derart ausgerichtet, dass ein Stromfluss von dem Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 zu dem dritten Zweig Z3 ermöglicht wird. Die sechste Löschdiode D6 verbindet ebenfalls den Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 mit dem Mittelabgriff des dritten Zweiges Z3 zwischen dem dritten Schaltelement M11 und dem vierten Schaltelement M12. Die sechste Löschdiode D6 ist derart ausgerichtet, dass ein Stromfluss von dem dritten Zweig Z3 zu dem Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 ermöglicht wird.
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Die Ladeschaltung umfasst weiterhin eine Vorrichtung 90, zum Laden einer der Batterien 30, 40 oder Gleichspannungsquellen. Die Vorrichtung 90 steuert hierzu mindestens eines der Schaltelemente M1 bis M12 an.
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Falls, wie in 1 dargestellt, beispielsweise der Ausgangsanschluss 26 des Brückengleichrichters 80 mit dem Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 und der Ausgangsanschluss 27 des Brückengleichrichters 80 mit dem Ausgangsphasenanschluss A2 des Drei-Level-Wechselrichters verbunden ist, so wird bei einer Ansteuerung des Schaltelementes M3 mit einem PWM-Signal und ansonsten geöffneten Schaltelementen M1, M2, M4 ... M12 ein Ladestrom zum Laden der Batterie 30 bereitgestellt. Wenn das Schaltelement M3 geschlossen ist, fließt ein Strom vom Ausgangsanschluss 27 des Brückengleichrichters 80 durch die elektrische Maschine 60, insbesondere über die Induktivitäten L2 und L1 über das dritte Schaltelement M3 des ersten Zweiges Z1 und über die zweite Löschdiode D2 zurück zum Ausgangsanschluss 26 des Brückengleichrichters 80.
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Bei geöffnetem Schaltelement M3 fließt der Strom insbesondere vom Ausgangsanschluss 27 des Brückengleichrichters 80 durch die elektrische Maschine 60, insbesondere über die Induktivitäten L2 und L1 beziehungsweise L3 über die Schaltelemente M2 und M1 des ersten Zweiges Z1 beziehungsweise M10 und M9 des dritten Zweiges Z3 zum positiven Reihenschaltungsanschluss 21.
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Ebenso könnte statt dem Schaltelement M3 das Schaltelement M11 angesteuert werden. Dabei würde der Strom bei geschlossenem Schaltelement M11 über die Induktivitäten L2 und L3, das Schaltelement M11 und die sechste Löschdiode D6 zum Ausgangsanschluss 26 des Brückengleichrichters 80 fließen.
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Der Ladestrom zum Laden der Batterie 30 kann analog bei Verbinden des Ausgangsanschlusses 27 des Brückengleichrichters mit dem Ausgangsanschluss A1 beziehungsweise A3 des Drei-Level-Wechselrichters bereitgestellt werden. Dabei ist dann in Analogie zu dem ausführlich beschriebenen Verfahren das Schaltelement M11 oder M7 beziehungsweise M7 oder M3 anzusteuern. Die jeweils übrigen Schaltelemente müssen geöffnet sein.
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Alternativ wird, wie in 2 dargestellt, zum Laden der Batterien 30 und 40 der Ausgangsanschluss 26 des Brückengleichrichters mit dem negativen Reihenschaltungsanschluss 22 und der Ausgangsanschluss 27 des Brückengleichrichters mit dem Ausgangsphasenanschluss A2 des Drei-Level-Wechselrichters verbunden. Bei gleichzeitiger Ansteuerung des dritten und des vierten Schaltelementes M3 und M4 des ersten Zweiges mit einem PWM-Signal und ansonsten geöffneten Schaltelementen M1, M2, M5 ... M12 wird ein Ladestrom zum Laden der Reihenschaltung der Batterien 30 und 40 bereitgestellt. Wenn die Schaltelemente M3 und M4 geschlossen sind, fließt ein Strom vom Ausgangsanschluss 27 des Brückengleichrichters durch die elektrische Maschine 60, insbesondere über die induktiven Elemente L2 und L1 und über das dritte und vierte Schaltelement M3 und M4 des ersten Zweiges Z1 zurück zum Ausgangsanschluss 26 des Brückengleichrichters.
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Bei geöffneten Schaltelementen M3 und M4 fließt der Strom insbesondere vom Ausgangsanschluss 27 des Brückengleichrichters 80 durch die elektrische Maschine 60, insbesondere über die Induktivitäten L2 und L1 beziehungsweise L3 über die Schaltelemente M2 und M1 des ersten Zweiges Z1 beziehungsweise M10 und M9 des dritten Zweiges Z3 zum positiven Reihenschaltungsanschluss 21.
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Ebenso könnten statt den Schaltelementen M3 und M4 die Schaltelemente M11 und M12 angesteuert werden. Dabei würde der Strom bei geschlossenen Schaltelementen M11 und M12 über die Induktivitäten L2 und L3 und die Schaltelemente M11 und M12 zum Ausgangsanschluss 26 des Brückengleichrichters 80 fließen.
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Der Ladestrom zum Laden der Batterien 30 und 40 kann analog bei Verbinden des Ausgangsanschlusses 27 des Brückengleichrichters mit dem Ausgangsanschluss A1 beziehungsweise A3 des Drei-Level-Wechselrichters bereitgestellt werden. Dabei sind dann in Analogie zu dem ausführlich beschriebenen Verfahren die Schaltelemente M11 und M12 oder M7 und M8 beziehungsweise M7 und M8 oder M3 und M4 anzusteuern. Die jeweils übrigen Schaltelemente müssen geöffnet sein.
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Die 3 zeigt schematisch beispielhaft einen Gleichspannungswandler 95 zur Wandlung einer Eingangsspannung U1 in eine Ausgangsspannung U2. Hierbei handelt es sich insbesondere um einen Aufwärtswandler, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Gleichspannungswandler 95 umfasst eine Reihenschaltung aus einer Induktivität L4 und einer Diode D11 zwischen den positiven Anschlüssen der Eingangs- und der Ausgangsspannung U1 und U2. Das Schaltelement M13 ist mit dem Kollektor mit dem Mittelabgriff zwischen der Induktivität L4 und der Diode D11, und mit dem Emitter mit dem negativen Potenzial der Gleichspannungen U1 und U2 verbunden. Der Anschluss der Steuerelektrode des Schaltelementes M13 wurde zur Vereinfachung der Darstellung nicht mit Bezugszeichen versehen.
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Durch Ansteuern des Schaltelementes M13 mit einem PWM-Signal lässt sich die Ausgangspannung U2 einstellen. In Abhängigkeit des Tastverhältnisses des PWM Signals lässt sich die Ausgangsspannung U2 auf einen Wert U2 = T/taus·U1 einstellen, wobei T der Periodendauer und taus der Ausschaltzeit entspricht. Die Periodendauer T entspricht somit der Dauer des Anliegens der Spannung U1. Und die Ausschalttzeit taus entspricht der Dauer des Öffnens des Schaltelementes M13. Je kürzer das Schaltelement M13 geöffnet ist oder je länger es geschlossen ist im Verhältnis zur Periodendauer T, desto höher ist die Ausgangsspannung U2 im Verhältnis zur Eingangsspannung U1.
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Die Schaltungstopologie des Gleichspannungswandlers 95 nach 3 ist innerhalb der Ladeschaltungen nach 1 und 2 enthalten. So entsprechen die Ausgangsanschlüsse 26 und 27 des Brückengleichrichters aus 1 und 2 den Anschlusspunkten der ersten Gleichspannung U1 des Gleichspannungswandlers aus 3.
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Ebenso entsprechen die Anschlusspunkte der Gleichspannung U2 des Gleichspannungswandlers 95 dem positiven Reihenschaltungsanschlusspunkt 21 und dem Reihenschaltungs-Mittelabgriff 23 gemäß 1 für den Fall, dass nur das Schaltelement M3, M11, M7 angesteuert wird.
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Oder die Anschlusspunkte der Gleichspannung U2 des Gleichspannungswandlers 95 entsprechen dem positiven Reihenschaltungsanschlusspunkt 21 und dem negativen Reihenanschlusspunkt 22 gemäß 2 für den Fall, dass die Schaltelemente M3 und M4, M11 und M12 oder M7 und M8 angesteuert werden.
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Die Diode D11 aus 3 wird in den Topologien gemäß 1 und 2 mit den Dioden der Schaltelemente M1 und M2, M5 und M6 oder M9 und M10 umgesetzt.
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4 zeigt ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang 10, welcher eine erste Batterie 30, und/ oder eine zweite Batterie 40 oder eine Brennstoffzelle, einen Drei-Level-Wechselrichter 50, eine Vorrichtung 90, eine elektrische Maschine 60 und insbesondere einen Brückengleichrichter 80 umfasst.
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5 zeigt ein Verfahren zum Laden einer Batterie 30, 40 eines Antriebsstrangs 10. Der Antriebsstrang umfasst eine Batterie 30, 40, einen Drei-Level-Wechselrichter 50 und eine elektrische Maschine 60. Das Verfahren startet mit dem Schritt 305. In Schritt 310 wird eine Wechselstromquelle 70 über einen Brückengleichrichter 80 mit dem Wechselrichter 50 verbunden. In Schritt 320 steuert die Vorrichtung 90 mindestens eines der Schaltelemente M1 bis M12 des Drei-Level-Wechselrichters 50 mit einem Signal, insbesondere PWM-Signal an. In Schritt 330 werden die übrigen nicht angesteuerten Schaltelemente M1 bis M12 des Wechselrichters 50 geöffnet. Schritt 330 wird insbesondere zeitgleich zu Schritt 320 ausgeführt, sodass während der Ansteuerung des mindestens einen Schaltelementes M1 ... M12 die übrigen Schaltelemente geöffnet sind. Mit Schritt 340 endet das Verfahren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5341075 A [0002]
- WO 1997008009 A1 [0002]
- DE 102010008426 A1 [0006]
