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Das hier beschriebene Verfahren und das hier beschriebene Fahrzeugbordnetz betreffen die Energieübertragung zwischen einem Fahrzeug mit elektrischem Antrieb und einer Anschlussstation, sowie die Übertragung an oder von einem elektrischen Antrieb. Die hier beschriebenen Vorgehensweisen betreffen insbesondere Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb, etwa Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge (die neben einem elektrischen Antrieb einen weiteren, nicht elektrischen Antrieb aufweisen) .
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Es ist bekannt, Leistungselektronik einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs auch für das Laden des Fahrzeugs oder Rückspeisen von Energie in eine Anschlussstation bzw. Ladestation zu verwenden. Jedoch muss bei dem Anschluss an eine Anschlussstation sichergestellt sein, dass die Berührspannung in einer zulässigen Höhe ist, während allgemein der Betrieb der Leistungselektronik zu Störsignalen führen kann, die zu reduzieren sind.
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Die Druckschrift
DE 10 2015 101 283 A1 beschreibt, eine Hochvoltbatterie mittels eines fahrzeugseitigen Ladegeräts zu laden, wobei Y-Kondensatoren am Wechselstromeingang zu- oder abgeschaltet werden, abhängig von einer Soll-Störfestigkeit bzw. von einer gewünschter Verringerung des Ableitstroms.
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Es besteht die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mittels der sicher und mit nur geringen Störsignalen die Leistungselektronik sowohl für den Betrieb des elektrischen Antriebs als auch zur Übertragung von Energie zwischen einem Fahrzeug und einer Anschlussstation bei hohen Leistungen betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Vorteile, Eigenschaften, Ausführungsformen und Merkmale ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen sowie mit der Beschreibung und der Zeichnung.
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Es wird vorgeschlagen, mindestens ein schaltbares Filterelement zu verwenden, um sowohl Grenzwerte betreffend die elektromagnetische Verträglichkeit eines Fahrzeugs bzw. Fahrzeugbordnetzes beim Fahren einhalten zu können, als auch Berührungsspannungsgrenzwerte beim Laden oder Rückspeisen einhalten zu können, insbesondere ohne galvanische Trennung, d.h. Verwendung eines Transformators. Zum einen kann auf einen kostspieligen und schweren Transformator verzichtet werden und zum anderen ist auch bei einer fehlerhaften Erdung der Anschlussstation (d.h. der Lade- oder Rückspeisestation) gewährleistet, dass die Berührspannung am Äußeren des Fahrzeugs (d.h. am Chassis) nicht überschritten wird.
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Ist das Fahrzeug nicht an eine Anschlussstation angeschlossen, dann ist eine kapazitive Ableitung mindestens eines Filterelements geschlossen, um Wechselstromsignale (insbesondere bedingt durch Schaltvorgänge eines Stromrichters) von den Potentialen des Stromrichters und/oder mindestens eines daran angeschlossenen Bordnetzabschnitts an die Fahrzeugmasse abzuleiten. Ist das Fahrzeug an eine Anschlussstation angeschlossen, dann ist eine kapazitive Ableitung des (jeweiligen) Filterelements geöffnet (d.h. getrennt), um durch Wechselstromsignale (insbesondere bedingt durch Schaltvorgänge eines Stromrichters) an den Potentialen des Stromrichters und/oder eines daran angeschlossenen Bordnetzabschnitts keine gefährliche Berührspannung an der Fahrzeugmasse (und somit am Äußeren des Fahrzeugs) entstehen zu lassen, etwa wenn die Fahrzeugmasse nicht ausreichend über die Anschlussstation geerdet ist.
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Es wird daher ein Verfahren zum Übertragen elektrischer Energie vorgeschlagen, bei dem die Filterung geschaltet ist. Es wird elektrische Energie über mindestens ein Filterelement zwischen einem fahrzeugseitigen Stromrichter und mindestens einem fahrzeugseitigen Bordnetzabschnitt übertragen, insbesondere in galvanisch verbundener Weise. Die Energie wird somit nicht über einen fahrzeugseitigen Transformator übertragen, und auch nicht über einen Transformator, der Kontaktanschlüssen der Anschlussstation vorgeschaltet ist. Der fahrzeugseitige Stromrichter ist insbesondere ein Inverter. An diesem sind ein elektrischer Antrieb und insbesondere eine elektrische Maschine angeschlossen. Der Stromrichter wird auch beim Übertragen von Energie ausgehend von oder zu einer Anschlussstation verwendet. Die Anschlussstation ist insbesondere eine Ladestation und kann alternativ oder in Kombination hierzu zum Rückspeisen von Energie von einem Fahrzeug ausgestaltet sein (im Sinne einer Rückspeisestation).
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Es wird elektrische Energie zwischen dem mindestens einem Bordnetzabschnitt und der Anschlussstation übertragen. Hierbei ist eine schaltbare kapazitive Ableitung des mindestens einen Filterelements geöffnet. Die kapazitive Ableitung führt zu einem fahrzeugseitigen Masseanschluss. Insbesondere führt die kapazitive Ableitung zu einem Schutzpotential der Anschlussstation, die an den fahrzeugseitigen Masseanschluss angeschlossen ist. Das angeschlossene Schutzpotential der Anschlussstation ist dessen Erdungsanschluss. Der fahrzeugseitige Masseanschluss entspricht dem Potential des Chassis. Dadurch, dass die kapazitive Ableitung geöffnet ist, ergibt sich bei einem fehlerhaft angeschlossenen Schutzpotential keine gefährliche Berührspannung aufgrund der kapazitiven Ableitung des Filterelements.
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Beim Übertragen von elektrischer Energie zwischen dem Bordnetzabschnitt und einer fahrzeugseitigen elektrischen Maschine, das heißt einem fahrzeugseitigen elektrischen Antrieb, ist die kapazitive Ableitung geschlossen. Indem die kapazitive Ableitung des Filterelements zu dem fahrzeugseitigen Masseanschluss führt, ist die Filterwirkung verbessert und es ergeben sich deutlich geringere Störsignale, wie von dem Fahrzeug und insbesondere von dem elektrischen Antrieb ausgehen.
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Bei der erstgenannten Übertragung von Energie zwischen dem Bordnetzabschnitt und der Anschlussstation wird somit Energie vom Fahrzeug an eine (stationäre) Anschlussstation übertragen. Dies entspricht beispielsweise einem Ladevorgang oder einem Rückspeisevorgang. Da hierbei üblicherweise das Schutzpotential der Anschlussstation an das Fahrzeug (und dessen Masse) angeschlossen ist, sollte darauf geachtet werden, dass die Berührspannung auch bei einem fehlerhaften Schutzpotential nicht zu hoch ist. Ein anderer Aspekt ist, dass sich dadurch kein Fehlerstrom ergeben sollte, der ein Laden oder ein Rückspeisen verhindert (etwa bei der Verwendung einer Fehlerstromsicherung). Beim Übertragen von elektrischer Energie zwischen dem mindestens einen Bordnetzabschnitt und der elektrischen Maschine bzw. dem elektrischen Antrieb befindet sich das Fahrzeug in einem Fahrzustand. Da hierbei größere Leistungen übertragen werden können als im voran genannten Fall des Ladens oder Rückspeisens, ist insbesondere Sorge zu tragen, dass von dem Fahrzeug bzw. dem Bordnetzabschnitt keine Störstrahlung ausgeht, deren Intensität etwa einen normierten Schwellenwert übersteigt. Durch das Öffnen oder Schließen der kapazitiven Ableitung wird gewährleistet, dass einerseits beim Fahren nicht zu starke Störstrahlung entsteht, und dass zum anderen beim Laden oder Rückspeisen bei fehlerhaftem Schutzpotential der Anschlussstation keine zu hohe Berührspannung am Fahrzeug entstehen kann. Das Übertragen von elektrischer Energie zwischen dem Bordnetzabschnitt und der elektrischen Maschine bzw. dem Antrieb betrifft das Beschleunigen des Fahrzeugs und gegebenenfalls auch das Rekuperieren durch die elektrische Maschine, bei dem kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird und in den Bordnetzabschnitt eingespeist wird.
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Als Bordnetzabschnitt wird ein Abschnitt eines Bordnetzes mit mehreren oder nur einer Bordnetzkomponente bezeichnet. Sind mehrere Bordnetzkomponenten oder Bordnetzabschnitte im Bordnetz vorgesehen, dann sind vorzugsweise auch mehrere Filterelemente vorgesehen. Dies gilt insbesondere bei mehreren Bordnetzkomponenten oder Bordnetzabschnitte, die jeweils Störsignale erzeugen, wobei für jede dieser Bordnetzkomponenten oder Bordnetzabschnitte bzw. für jeden dieser Bordnetzabschnitte vorzugsweise (mindestens) ein Filterelement vorgesehen ist. Jedes Filterelement kann einen Schalter umfassen, der wie hier beschrieben gesteuert wird. Ferner können mehrere Filterelemente oder alle Filterelemente einen gemeinsamen Schalter umfassen, der die betreffenden Kondensatoren mit einem fahrzeugseitigen Masseanschluss bzw. mit dessen Potential - wie hier erwähnt - schaltbar verbindet. Das Filterelement ist vorzugsweise nahe an der Bordnetzkomponenten bzw. an dem Bordnetzabschnitt vorgesehen. Eine elektrische Verbindung, die das Filterelement mit der Bordnetzkomponente bzw. dem Bordnetzabschnitt mit dem Inverter verbindet, hat vorzugsweise eine Länge, die kleiner ist als die Länge der elektrischen Verbindung zwischen dem Filterelement und dem Stromrichter. Das Verhältnis der Längen beträgt vorzugsweise nicht mehr als 1%, 2%, 5% oder 10%.
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Im Weiteren werden zur klareren Darstellung ein Bordnetzabschnitt und ein Filterelement betrachtet, wobei dies jedoch auch mehrere Bordnetzabschnitte und Filterelemente betrifft. Ferner wird zur klareren Darstellung der Begriff Bordnetzabschnitt auch für (einzelne) Bordnetzkomponenten verwendet, wobei der Bordnetzabschnitt in seiner einfachsten Ausführung einer einzelnen Bordnetzkomponente entsprechen kann. Als Bordnetzkomponenten bzw. Bordnetzabschnitte, die wie erwähnt mit einem Filterelement versehen sind (d.h. die über ein Filterelement mit dem Stromrichter verbunden sind), kommen insbesondere Komponenten mit Schaltelementen wie weitere Stromrichter, insbesondere Inverter und DC/DC-Wandler in Betracht, sowie allgemein Komponenten mit Halbleiterschaltern oder elektromechanischen Schaltern, da durch deren Schaltverhalten Störsignale entstehen. Ferner kommen als Bordnetzkomponenten bzw. Bordnetzabschnitte, die wie erwähnt mit einem Filterelement versehen sind, Leistungskomponenten oder Bordnetzabschnitte in Betracht, die im Betrieb zum Schalten eines Stroms von mindestens 1 A, 10 A, 100 A oder mehr eingerichtet sind, oder die im Betrieb zum Schalten eines Stroms mit einer Schaltfrequenz von mindestens 100 Hz, 1kHz, 10 kHz oder 50 kHz eingerichtet sind.
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Der Bordnetzabschnitt ist insbesondere ein Hochvoltbordnetzabschnitt und kann einen Traktionsakkumulator umfassen. Hierbei können Nennspannungen von etwa 400 Volt, 600 Volt oder 800 Volt verwendet werden.
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Die schaltbare kapazitive Ableitung ist bzw. wird geöffnet, wenn ein Ladevorgang beginnt, oder wenn ein Rückspeisevorgang beginnt. Ferner wird diese Maßnahme getroffen, wenn der Bordnetzabschnitt in einem Parkzustand ist oder in einen Parkzustand übergeht, etwa beim Abstellen des Fahrzeugs. Ferner wird diese Maßnahme getroffen, wenn eine Differenz zwischen einem Strom, der durch den fahrzeugseitigen Masseanschluss fließt, und einem Strom, der durch einen Neutralleiter des Inverters fließt, über einen vorgegebenen Schwellenwert liegt. Der Schwellenwert kann einem Auslöseschwellenwert eines Fehlerstromschalters entsprechen, oder kann um eine vorbestimmte Sicherheitsmarge unter diesem liegen. Hierbei kann die Differenz durch Strommessung am Masseanschluss und am Neutralleiter und durch eine entsprechende Differenzbildung ermittelt werden. Das Auswerten bzw. das Bilden der Differenz kann in einer Steuerung und insbesondere in einem Fehlerstrommonitor des Fahrzeugs, des Fahrzeugbordnetzes oder der Anschlussstation stattfinden.
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Zudem wird die genannte Maßnahme getroffen, wenn die Potentialdifferenz zwischen dem Potential des Chassis bzw. der Fahrzeugmasse und der Erdung, das heißt dem Schutzpotential der Anschlussstation, über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt. Dieser Schwellenwert kann insbesondere einem normierten Maximalwert für Berührspannung entsprechen, oder kann um eine vorbestimmte Sicherheitsmarge unter diesem liegen.
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Zudem wird die genannte Maßnahme getroffen, wenn ein Fehlerstrom, der in der Anschlussstation erfasst wird (insbesondere in einem Fehlerstrommonitor oder einer Fehlerstromsicherung der Anschlussstation) über einem Auslöseschwellenwert liegt. Der Auslöseschwellenwert kann ein Auslöseschwellenwert einer Fehlerstromsicherung sein. Der Auslöseschwellenwert kann hierbei über einem normierten Maximalwert für Berührspannung liegen. Ferner kann die Maßnahme getroffen werden, wenn der in der Anschlussstation erfasste Fehlerstrom über einem Schwellenwert liegt, der um eine vorgegebene Marge unter dem Auslöseschwellenwert der Fehlerstromsicherung der Anschlussstation liegt. Dadurch wird vermieden, dass die Fehlerstromsicherung der Anschlussstation ausgelöst wird (wodurch ein weiteres Laden verhindert wird), ohne dass sich eine gefährliche Berührspannung ergibt.
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Zudem kann die genannte Maßnahme getroffen werden, wenn erfasst wird, dass das Schutzpotential der Anschlussstation fehlerhaft ist, ein Fehlersignal von der Anschlussstation vorliegt, das ein fehlerhaftes Schutzpotential wiedergibt, oder wenn erfasst wird, dass das Schutzpotential fehlerhaft mit dem fahrzeugseitigen Masseanschluss verbunden ist. In den Fällen, in denen ein Fehlerstrom erfasst wird bzw. eine entsprechende Differenz erfasst wird oder eine fehlerhafte Verbindung mit dem Schutzpotential oder auch ein fehlerhaftes Schutzpotential selbst vorliegt, kann ein Fehlersignal abgegeben werden. Dies ermöglicht es, diesen Fehler zu erkennen und geeignete Maßnahmen zu treffen, um dennoch einen Lade- oder Rückspeisevorgang zu ermöglichen.
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Die vorangehend genannten Fälle betreffen das Öffnen der schaltbaren kapazitiven Ableitung bzw. das Vorsehen der schaltbaren kapazitiven Ableitung in offenem Zustand. Im Weiteren werden Fälle betrachtet, in denen die kapazitive Ableitung geschlossen ist oder geschlossen wird.
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Die schaltbare kapazitive Ableitung ist geschlossen bzw. wird geschlossen, wenn das Fahrzeug in einen Fahrzustand versetzt wird, etwa beim Starten des Fahrzeugs oder beim Öffnen einer Fahrzeugtür. Ferner kann die genannte Maßnahme getroffen werden, wenn der elektrische Antrieb aktiviert wird (sei es zum Beschleunigen oder zum Rekuperieren). Weiterhin kann die genannte Maßnahme getroffen werden, wenn die Verbindung zwischen der Anschlussstation und dem Fahrzeugbordnetzabschnitt getrennt wird oder getrennt ist. Weiterhin kann die genannte Maßnahme getroffen werden, wenn eine Leistung des elektrischen Antriebs betragsmäßig einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Ein derartiger Schwellenwert ist größer Null und kann einem Wert entsprechen, bei dem abgegebene Störsignale über einen normierten Grenzwert steigen.
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Die elektrische Energie wird zwischen einem Hochstromvoltrichter als fahrzeugseitiger Stromrichter und einem Hochvoltnetzabschnitt als fahrzeugseitiger Bordnetzabschnitt übertragen. Der Stromrichter kann somit als Hochvoltstromrichter bzw. als Hochvoltinverter ausgestaltet sein. Der Stromrichter ist insbesondere bidirektional. Der Bordnetzabschnitt ist als Hochvoltbordnetzabschnitt ausgestaltet. Die Vorsilbe „Hochvolt-“ bedeutet, dass die Nennspannung über 60 Volt, 110 Volt, 230 Volt, 360 Volt, 380, 560 Volt oder 750 Volt liegt. Die elektrische Energie wird ebenfalls bei einer Spannung in der genannten Höhe übertragen. Ferner kann vorgesehen sein, dass elektrische Energie zwischen der Anschlussstation und dem Stromrichter bei einer Spannungsladung übertragen wird, die mindestens 60 Volt, 110 Volt, 230 Volt, 360 Volt, 575 Volt oder 860 Volt liegt. Ferner ist vorgesehen, dass elektrische Energie zwischen dem Stromrichter und der Anschlussstation als Wechselstrom oder Gleichstrom übertragen wird, wobei der Wechselstrom ein- oder mehrphasig übertragen werden kann. Vorzugsweise wird jedoch die elektrische Energie zwischen der Anschlussstation und dem Stromrichter als Gleichstrom übertragen. Somit kann der Stromrichter bei der Übertragung elektrischer Energie zwischen dem Bordnetzabschnitt und einer Anschlussstation als DC/DC-Wandler oder als AC/DC-Wandler arbeiten. Beim Übertragen von elektrischer Energie zwischen dem Bordnetzabschnitt und einer fahrzeugseitigen elektrischen Maschine arbeitet der Stromrichter als Inverter und ist insbesondere eingerichtet, aus einer Gleichspannung Bordnetzabschnitt ein Drehstrom zu erzeugen, der in der elektrischen Maschine in ein magnetisches Drehfeld gewandelt werden kann. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine Synchronmaschine oder Asynchronmaschine. Die elektrische Maschine ist ferner mechanisch mit einem Abtrieb des Fahrzeugs verbunden. Die elektrische Maschine kann zudem eine permanenterregte Maschine oder eine fremderregte Maschine sein.
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Der Hochvoltstromrichter und der Hochvoltbordnetzabschnitt sind von dem Fahrzeugmasseanschluss elektrisch isoliert. Dies trifft insbesondere auch auf die Wicklungen der elektrischen Maschine zu.
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Bei geschlossener kapazitiver Ableitung werden Wechselstromanteile von einem positiven Potential und einem negativen Potential des Stromrichters an dem fahrzeugseitigen Masseanschluss kapazitiv abgeleitet. Ferner können Wechselstromanteile von einem positiven Potential und einem negativen Potential des Bordnetzabschnitts an den fahrzeugseitigen Masseanschluss kapazitiv abgeleitet werden. Sind der Stromrichter und der Bordnetzabschnitt direkt (das heißt ohne Filterelement) miteinander verbunden, dann sind die Wechselstromanteile (und auch die kapazitive Ableitung) identisch. Falls zwischen diesen eine Filterinduktivität geschaltet ist, dann werden die Wechselstromanteile jeweils kapazitiv abgeleitet, vorzugsweise über getrennte Kondensatoren. Ferner können Wechselstromanteile von den genannten positiven und negativen Potentialen (das heißt die Potentiale des Stromrichters und des Bordnetzabschnitts) an den fahrzeugseitigen Masseanschluss kapazitiv abgeleitet werden. Die Wechselstromanteile werden symmetrisch abgeleitet. Die Ableitung der positiven und negativen Potentiale des Stromrichters betrifft die Ableitung der Potentiale an einer Gleichstromseite des Stromrichters.
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Wie erwähnt ist der Stromrichter vorzugsweise ein Wechselrichter und weist somit eine Gleichstromseite und eine Wechselstromseite auf. Die Wechselstromseite ist schaltbar mit der elektrischen Maschine und fahrzeugseitigen Kontakten (d.h. einem Verbindungsanschluss) zum Anschluss einer Anschlussstation verbunden. Die Gleichstromseite ist wie erwähnt direkt oder vorzugsweise über eine Filterinduktivität, das heißt eine Serieninduktivität, mit dem Bordnetzabschnitt verbunden. Das kapazitive Ableiten der betreffenden Wechselstromsignale sieht vor, dass die Wechselstromsignale jeden Potentials über einen individuellen Kondensator abgeleitet werden und dem Masseanschluss zugeführt werden. Bei Verwendung einer Filterinduktivität ist diese insbesondere symmetrisch ausgestaltet und umfasst eine Teilinduktivität zur Verbindung der positiven Potentiale und eine weitere Teilinduktivität zum Verbinden der negativen Potentiale des Stromrichters und des Bordnetzabschnitts. Die Teilinduktivitäten sind insbesondere magnetisch miteinander gekoppelt und sind vorzugsweise gleichartig aufgebaut (sodass die gleiche Induktivität aufweisen). Weiter ergibt sich aus der weiter unten erwähnten Darstellung der betreffenden Ableitkondensatoren und der Darstellung des Filters.
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Bei offener und bei geschlossener kapazitiver Ableitung werden Wechselstromanteile zwischen einem positiven Potential des Stromrichters oder des Bordnetzabschnitts und einem negativen Potential des Stromrichters oder des Bordnetzabschnitts kapazitiv geglättet. Hierzu kann ein Glättungskondensator verwendet werden. Dieser ist parallel zu dem positiven und negativen Potential geschaltet. Sind der Stromrichter und der Bordnetzabschnitt direkt miteinander verbunden, das heißt ohne Filterinduktivität, so sind die positiven Potentiale identisch und es sind die negativen Potentiale identisch. In diesem Fall wird kapazitiv geglättet indem ein Kondensator zwischen das positive und das negative Potential angeschlossen ist. Umfasst die Verbindung zwischen Stromrichter und Bordnetzabschnitt eine Filterinduktivität, so kann zu beiden Seiten der Filterinduktivität (oder auch nur zu einer Seite) ein Glättungskondensator vorgesehen sein, der kapazitiv das positive Potential des Stromrichters mit dessen negativem Potential verbindet, bzw. der das positive Potential des Bordnetzabschnitts mit dessen negativen Potential kapazitiv verbindet.
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Bei offener und bei geschlossener kapazitiver Ableitung werden vorzugsweise Wechselstromanteile zwischen dem Stromrichter und dem Bordnetzabschnitt durch eine Filterinduktivität geleitet und gedämpft. Die Filterinduktivität ist bezogen auf die beiden Potentiale symmetrisch ausgebildet, und umfasst wie erwähnt zwei Teilinduktivitäten (jeweils eine für die unterschiedlichen Potentiale), wobei die Teilinduktivitäten vorzugsweise magnetisch gekoppelt sind.
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Das Verfahren kann mit einem wie folgt dargestellten Fahrzeugbordnetz ausgeführt werden. Es wird ein Fahrzeugbordnetz mit einem schaltbaren Filter beschrieben, wobei das Fahrzeugbordnetz mindestens einen Bordnetzabschnitt (bzw. mindestens eine Bordnetzkomponente) und einen Stromrichter aufweist, insbesondere mindestens einen Bordnetzabschnitt und einen Stromrichter wie vorangehend erwähnt. Ferner umfasst das Fahrzeugbordnetz eine elektrische Maschine, die ebenso wie die vorangehend genannt elektrische Maschine bzw. der oben genannte elektrische Antrieb ausgebildet sein kann. Ferner umfasst das Fahrzeugbordnetz einen Verbindungsanschluss. Dieser ist eingerichtet zum Anschluss des Fahrzeugbordnetzes an eine Anschlussstation. Der Verbindungsanschluss bietet elektrische Kontakte zum Anschließen eines Kabels ausgehend von der Anschlussstation. Auf den Verbindungsanschluss kann von außen zugegriffen werden; hierzu kann dieser gemäß einem Ladestandard ausgebildet sein. Der Verbindungsanschluss kann als Gleichstrom- oder Wechselstromanschluss ausgebildet sein und kann insbesondere ein- oder mehrphasig ausgestaltet sein. Der Verbindungsanschluss ist insbesondere eine Ladebuchse und kann gemäß einer Norm für Elektrofahrzeuge oder Plug-In-Fahrzeuge ausgebildet sein.
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Der Stromrichter ist über ein Filterelement mit dem Bordnetzabschnitt verbunden. Sind mehrere Bordnetzabschnitt oder Bordnetzkomponenten vorgesehen, können mehrere oder alle Bordnetzabschnitt bzw. Bordnetzkomponenten über ein jeweiliges Filterelement mit dem Stromrichter verbunden sein. Das (jeweilige) Filterelement kann nur parallel angeschlossene Bauelemente umfassen, insbesondere Kondensatoren, oder kann auch seriell geschaltete Bauelemente umfassen, insbesondere mindestens eine Filterinduktivität. Es ergibt sich ein Pi-Filterelement. Allgemein sind auch Filterelemente mit höherer Ordnung (als dargestellt) möglich. Zudem ist die elektrische Maschine über den Stromrichter mit dem Filterelement verbunden. Zwischen dem Bordnetzabschnitt und der elektrischen Maschine ist somit der Stromrichter vorgesehen. Zudem ist der Verbindungsanschluss über den Stromrichter mit dem Filterelement verbunden. Der Verbindungsanschluss ist insbesondere über den Stromrichter mit dem Bordnetzabschnitt verbunden. Es kann eine Schaltvorrichtung vorgesehen sein, die entweder den Stromrichter oder die elektrische Maschine mit dem Filterelement bzw. mit dem Bordnetzabschnitt verbindet. Insbesondere kann ein Konfigurationsschalter als Schaltvorrichtung vorgesehen sein, mittels dem die Konfiguration der elektrischen Maschine geändert werden kann. Als Konfiguration kommt hierbei eine Dreieckkonfiguration, eine Sternkonfiguration oder eine Leerlaufkonfiguration in Betracht. Bei der Leerlaufkonfiguration ist mindestens eine Wicklung von den anderen Wicklungen getrennt. Der Konfigurationsschalter ist eingerichtet, die Leerlaufkonfiguration einzustellen und zumindest eine weitere der verbleibenden Konfigurationen einzustellen.
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Der Verbindungsanschluss ist galvanisch mit dem Bordnetzabschnitt verbunden. Bei angeschlossener Anschlussstation ist ebenso eine Stromquelle der Anschlussstation mit dem Bordnetzabschnitt galvanisch verbunden. Insbesondere ist kein fahrzeugseitiger Transformator zwischen dem Verbindungsanschluss und dem Bordnetzabschnitt vorgesehen.
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Das Filterelement weist eine schaltbare kapazitive Ableitung auf. Die schaltbare kapazitive Ableitung verbindet ein negatives und ein positives Potential des Stromrichters bzw. des Bordnetzabschnitts schaltbar und insbesondere über Kondensatoren, mit einem Fahrzeugmasseanschluss des Bordnetzes. Zwischen dem Fahrzeugmasseanschluss einerseits und dem negativen sowie positiven Potential (des Stromrichters und/oder des Bordnetzabschnitts) andererseits sind somit Kondensatoren sowie zumindest ein zu den Kondensatoren in Reihe angeschlossener Schalter vorgesehen.
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Zur Vermeidung einer überhöhten Berührspannung bei fehlerhafter Anbindung des Fahrzeugmasseanschlusses an einen Erdungsanschluss der Anschlussstation kann somit die kapazitive Ableitung geöffnet werden, sodass keine Wechselströme vom Bordnetzabschnitt bzw. vom Stromrichter zur Fahrzeugmasse geleitet werden können, die zu einer erhöhten Berührspannung führen könnten. Wenn die Anschlussstation nicht mit dem Verbindungsanschluss verbunden ist, dann können die Kondensatoren über die kapazitive Ableitung mit dem Fahrzeugmasseanschluss verbunden sein, sodass sich eine verbesserte Störunterdrückung ergibt; die Fahrzeugmasse dient in diesem Fall als Abschirmung.
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Es ist eine Steuerung vorgesehen, die mit der schaltbaren kapazitiven Ableitung ansteuernd verbunden ist. Die Steuerung ist insbesondere eingerichtet, in einem Lade- oder Rückspeisezustand des Fahrzeugbordnetzes (bzw. für den Fall, dass die Anschlussstation an den Bordnetzabschnitt des Fahrzeugs angeschlossen ist), die schaltbare kapazitive Ableitung in einem offenen Zustand vorzusehen und diesen einzustellen. In einem Fahr- oder Rekuperationszustand (das heißt wenn der Verbindungsanschluss nicht mit einer Anschlussstation verbunden ist), sieht die Steuerung die schaltbare kapazitive Ableitung in einem geschlossenen Zustand vor oder stellt diesen ein.
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Die Steuerung kann hierzu einen Eingang umfassen, an dem ein Signal empfangen werden kann, das wiedergibt, ob der Verbindungsanschluss belegt ist, oder nicht. Die Steuerung ist eingerichtet, bei belegtem Verbindungsanschluss die kapazitive Ableitung offen vorzusehen, und ansonsten geschlossen vorzusehen. Ferner kann die Steuerung einen Eingang für einen Aktivitätszustand der elektrischen Maschine vorsehen, wobei die Steuerung vorgesehen ist, bei aktiver elektrischer Maschine die kapazitive Ableitung zu schließen oder in einem geschlossenen Zustand vorzusehen und ansonsten zu öffnen oder in einen offenen Zustand vorzusehen.
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Zudem kann die Steuerung eingerichtet sein, an dem Eingang ein Fehlerstromsignal zu erfassen, wobei die Steuerung eingerichtet ist, die Ableitung in einem offenen Zustand vorzusehen, wenn das Fehlerstromsignal über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Der Eingang kann mit Messvorrichtungen zur Erfassung des Fehlerstroms verbunden sein, oder kann eine vorzugsweise drahtlose Empfangsvorrichtung umfassen, mit der ein Signal, das den Fehlerstrom wiedergibt, empfangen werden kann, insbesondere von der Anschlussstation oder einem Fehlerstrommonitor des Bordnetzabschnitts. Ferner kann die Steuerung eingerichtet sein, die Verbindung in offenem Zustand vorzusehen, wenn an dem Eingang ein Signal anliegt, das einen Rückspeise- oder Ladezustand des Bordnetzabschnitts wiedergibt. Zudem kann die Steuerung eingerichtet sein, an dem Eingang ein Parkzustandssignal zu erfassen, wobei die Ableitung in offenem Zustand vorgesehen ist, wenn das Signal einen vorliegenden Parkzustand angibt (entsprechend einem abgestellten Fahrzeug), und ansonsten oder beim Vorliegen eines Fahrsignals (entsprechend einem fahrenden Fahrzeug) die Verbindung gemäß einem geschlossenen Zustand ansteuert.
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Die kapazitive Ableitung umfasst mindestens einen Kondensator. Dieser verbindet einen Schalter der Ableitung mit dem positiven Potential des Stromrichters und/oder des Bordnetzabschnitts. Die kapazitive Ableitung umfasst mindestens einen weiteren Kondensator, der den Schalter der Ableitung mit dem negativen Potential des Stromrichters und/oder des Bordnetzabschnitts verbindet. Sind die Potentiale des Stromrichters und des Bordnetzabschnitts ohne seriellen Filter (das heißt ohne zwischengeschaltete Filterinduktivität) miteinander verbunden, so ist pro Potential ein Kondensator vorgesehen, der über zumindest einen Schalter mit dem Fahrzeugmasseanschluss verbunden ist. Sind die Potentiale des Stromrichters und des Bordnetzabschnitts nicht direkt miteinander verbunden, etwa durch eine Verbindung über eine Filterinduktivität, dann ist an jedes Potential des Stromrichters und des Bordnetzabschnitts ein Kondensator angeschlossen, der über zumindest einen Schalter mit dem Fahrzeugmasseanschluss verbunden ist. Der Fahrzeugmasseanschluss ist insbesondere mit dem Chassis verbunden und vorzugsweise auch mit dem Gehäuse des Stromrichters und/oder des Filterelements.
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Wie erwähnt kann das Filterelement eine Induktivität aufweisen, insbesondere eine Serieninduktivität. Diese ist in Serie zwischen dem Stromrichter und dem Bordnetz angeschlossen. Zu beiden Seiten der Induktivität ist an dem negativen Potential ein Kondensator angeschlossen, und zu beiden Seiten der Induktivität ist ferner an den positiven Potentialen jeweils ein Kondensator angeschlossen. Der betreffende Kondensator verbindet das entsprechende Potential schaltbar mit dem Fahrzeugmasseanschluss. Der Fahrzeugmasseanschluss gehört dem (gesamten) Bordnetz des Fahrzeugs an. Die Kondensatoren verbinden die genannten Potentiale über einen gemeinsamen Schalter oder über mehrere Schalter mit dem Fahrzeugmasseanschluss. Bei mehreren Schaltern kann ein Schalter pro Untergruppe von Kondensatoren verwendet werden, oder es kann pro Kondensator ein Schalter vorgesehen sein. Vorzugsweise ist jedoch ein gemeinsamer Schalter vorgesehen, der zum einen mit dem Fahrzeugmasseanschluss verbunden ist, und zum anderen mit den Kondensatoren.
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Die 1 und 2 zeigen in beispielhafter Weise Fahrzeugbordnetze zur Erläuterung des hier beschriebenen Verfahrens und der hier beschriebenen Vorrichtung, wobei die 1 zusätzlich eine an das Fahrzeugbordnetz angeschlossene Anschlussstation AS zeigt.
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Die in 1 dargestellte Anschlussstation AS umfasst drei Phasen L1 bis L3 sowie einen Neutralleiter N. Ferner sieht die Anschlussstation AS einen Schutzleiter PEA vor. Diese sind über eine durch die Strichlinie dargestellte Schnittstelle mit dem Fahrzeugbordnetz verbunden, das rechts von der gestrichelten Linie dargestellt ist. Das Fahrzeugbordnetz umfasst ein Verbindungsanschluss VB, der neben entsprechenden Phasenanschlüssen auch einen fahrzeugseitigen Masseanschluss PEF umfasst.
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Das Fahrzeugbordnetz umfasst ferner einen als Inverter ausgebildeten Stromrichter I, der an den Verbindungsanschluss VB angeschlossen ist, und der diesen über einen Filter F mit dem Bordnetzabschnitt BN verbindet. Es sind zwei verschiedene Energieflusspfade E1, E2 möglich: der Energieflusspfad E1 zeigt die Übertragung von Energie zwischen der Anschlussstation AS und dem Bordnetzabschnitt BN und betrifft insbesondere das Laden und Rückspeisen von Energie. Hierbei zwischen dem Stromrichter I und der Anschlussstation AS Wechselstrom übertragen, und es wird zwischen dem Stromrichter I und dem Bordnetzabschnitt BN Gleichstrom übertragen. Der Gleichstrom wird durch den Filter F hindurch übertragen. Der Energieflusspfad E2 betrifft das Fahren bzw. Beschleunigen des Fahrzeugs einerseits und das Rekuperieren des Fahrzeugs andererseits. Bei dem Rekuperieren wird von der elektrischen Maschine Energie an den Bordnetzabschnitt übertragen. Beim Laden wird Energie von dem Bordnetzabschnitt BN an die elektrische Maschine EM übertragen. Die elektrische Maschine ist eine elektrische Maschine eines (elektrischen) Antriebs des Fahrzeugs. Die elektrische Maschine ist somit eine Traktionsmaschine (und treibt Antriebsräder des Fahrzeugs an). Die elektrische Maschine kann auch eine andere elektrische Maschine des Fahrzeugs sein, etwa ein elektrischer Klimakompressor, eine elektrische Pumpe (etwa eines Bremssystems) oder ähnliches.
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Ein Schalter S verbindet den Fahrzeugmasseanschluss PEF mit einem symmetrischen Paar von Kondensatoren C1, C2, die den Schalter S mit den positiven Potentialen und den negativen Potentialen zwischen dem Stromrichter I und dem Bordnetz BN. Der Kondensator C1 verbindet das positive Potential (hier I+ gleichbedeutend mit BN+ mit dem Schalter S), und der Kondensator C2 verbindet das negative Potential (I- entsprechend BN-) mit dem Schalter S. Der Glättungskondensator CX ist parallel zu dem positiven und dem negativen Potential angeschlossen. Das Potential I+ entspricht dem positiven Potential des Stromrichters, und aufgrund der direkten Verbindung entspricht dieses Potential auch dem positiven Potential BN+ des Bordnetzabschnitts BN. Gleiches gilt entsprechend für das negative Potential I- bzw. BN-. In der 1 ist im Gegensatz zur 2 keine serielle Filterinduktivität zwischen dem Bordnetzabschnitt BN und dem Stromrichter I vorgesehen.
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Eine Steuerung C ist ansteuernd mit dem Schalter S verbunden, dargestellt durch den Pfeil zwischen diesen Komponenten. Die Steuerung C umfasst einen Eingang EI. An diesen kann eine Fahrzeugsteuerung, ein Fehlerstrommonitor, eine Ladesteuerung oder Rückspeisesteuerung oder ähnliches angeschlossen sein, sodass die Steuerung in die Lage versetzt wird, zumindest einen der oben genannten Fälle zu erkennen, und entsprechend den Schalter S (d.h. die Ableitung) zu öffnen oder zu schließen. Als ein Beispiel ist der Eingang EI der Steuerung C mit einer Ladesteuerung oder dem Verbindungsanschluss VB verbunden, und kann ein Signal empfangen, das wiedergibt, ob der Verbindungsanschluss VB belegt ist, oder nicht.
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Ist der Verbindungsanschluss VB belegt, so ist es möglich, dass durch eine mangelhafte Verbindung des Fahrzeugmasseanschlusses über die Kondensatoren C1 und C2 bei geschlossenem Schalter S die Fahrzeugmasse ein gefährliches Berührungspotential erhalten würde. Daher ist vorgesehen, dass die Steuerung C in diesem Fall den Schalter S (und somit die Ableitung) öffnet. Bei nicht belegtem Verbindungsanschluss VB ist der Schalter S geöffnet, wobei dies die Steuerung C entsprechend ansteuert. Der Belegungszustand des Verbindungsanschlusses kann beispielsweise über einen Pilotlinienanschluss des Verbindungsanschlusses VB ermittelt werden; hierbei kann etwa der Eingang EI direkt oder indirekt mittels einem entsprechendem Pilotlinienanschluss des Verbindungsanschlusses VB verbunden sein.
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Die 1 zeigt ferner, dass das Chassis CH (symbolhaft dargestellt) mit dem Fahrzeugmasseanschluss PEF verbunden ist. Gleiches gilt für das Leistungselektronikgehäuse, das einem Gehäuse des Stromrichters, des Filterelements, des Bordnetzabschnitts BN oder einer Kombination hiervon entsprechen kann. Vorzugsweise befindet sich auch die Steuerung C und auch der Schalter S innerhalb eines Gehäuses, das mit dem Fahrzeugmasseanschluss PEF verbunden ist.
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Die 2 dient zur näheren Erläuterung einer Ausführungsform mit einem Filter, der eine Serieninduktivität L umfasst. In der 2 sind ein Stromrichter I und eine Bordnetzkomponente BK sowie die Potentiale I+, I+, BN+, BN- dargestellt. Die entsprechenden Komponenten der 1, die mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt sind. Gleiches gilt auch für den Schalter S, den Fahrzeugmasseanschluss PEF (dargestellt als Fahrzeugmasse) und das Leistungselektronikgehäuse LG, das in der 1 lediglich den Filter umgreift (jedoch auf den Stromrichter I und den Bordnetzabschnitt BN bzw. die Bordnetzkomponente BK teilweise oder vollständig umgreifen kann). Ferner entspricht die Steuerung C der Steuerung C der 1.
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Die seriell zwischen dem Stromrichter I und der Bordnetzkomponente BK angeschlossene Filterinduktivität L umfasst zwei Teilinduktivitäten L1, L2. Diese sind symmetrisch bezogen auf die positiven Potentiale und die negativen Potentiale angeordnet. Eine obere Teilinduktivität L1 verbindet das positive Potential I+ des Stromrichters mit dem positiven Potential BN+ der Bordnetzkomponente BK. Eine untere Teilinduktivität L2 verbindet das negative Potential I- des Stromrichters I mit dem negativen Potential BN- der Bordnetzkomponente BK. Die Potentiale des Stromrichters I sind somit nicht immer identisch mit den Potentialen der Bordnetzkomponente BK.
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Aus diesem Grund ist ein erster Kondensator C1 zwischen den Schalter S und dem positiven Potential I+ des Stromrichters I angeschlossen, während ein zweiter Kondensator C2 zwischen dem negativen Potential I- des Stromrichters I mit dem gleichen Schalter S ist. Dies dient zur Ableitung von Wechselstromsignalen zwischen der Filterinduktivität L und dem Stromrichter I. Ein dem ersten Kondensator C1 entsprechender dritte Kondensator C1' ist mit dem positiven Potential BN+ des Bordnetzabschnittes BN verbunden und verbindet diesen mit dem Schalter S. Ein vierter Kondensator C2', der dem zweiten Kondensator C2 entspricht, verbindet das negative Potential BN- der Bordnetzkomponente mit dem Schalter S. Die Kondensatoren C1' und C2' sind bezogen auf die Filterinduktivität L symmetrisch zu den Kondensatoren C2 und C1.
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Die mit den positiven Potentialen verbundenen Kondensatoren sind vorzugsweise mit der gleichen Kapazität ausgestattet. Dies gilt auch für die Kondensatoren, die mit den negativen Potentialen I-, BN- verbunden sind. Alternativ oder in Kombination hierzu sind die mit dem Stromrichter I verbundenen Kondensatoren C1, C2 mit der gleichen Kapazität ausgestaltet.
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Dies gilt entsprechend auch für die Kondensatoren C1' und C2', die mit dem Bordnetzabschnitt BN verbunden. Da die Anbindung des Stromrichters I an die Anschlussstation bzw. an den Verbindungsanschluss der Anbindung entspricht, wie sie in 1 dargestellt ist, wurde sie zur besseren Übersicht in der 2 nicht dargestellt.
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Es ist zu erkennen, dass der Schalter S die mit den positiven Potentialen verbundenen Kondensatoren C1, C1' und die mit den negativen Potentialen verbundenen Kondensatoren C2, C2" zu beiden Seiten der Filterinduktivität L gemeinsam mit dem Massepotential des Fahrzeugs (entsprechend PEF) verbindet. Es kann jedoch auch für die Kondensatoren C1 und C2 ein anderer Schalter verwendet werden als für die Kondensatoren C1' und C2'. Ferner können die mit den positiven Potentialen verbundenen Kondensatoren C1, C1' über einen gemeinsamen Schalter mit der Fahrzeugmasse verbunden sein, während über einen weiteren Schalter die mit den negativen Potentialen verbundenen Kondensatoren C2, CD' mit Fahrzeugmasse verbunden sind.
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Zu beiden Seiten der Filterinduktivität L sind Glättungskondensatoren vorgesehen. Der Kondensator CX1 verbindet das positive Potential des Stromrichters I mit dem negativen Potential I- des Stromrichters I, um die dort anliegende Gleichspannung zu glätten bzw. Hochfrequenzanteile bzw. Wechselanteile zu unterdrücken. Der Kondensator CX2 verbindet das positive Potential BN+ der Bordnetzkomponente BK mit dem entsprechenden negativen Potential BN-. Die Kondensatoren CX1 und CX2 dienen jeweils zum Glätten der Gleichspannung am Stromrichter I bzw. an der Bordnetzkomponente BK.
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Wie dargestellt, umfasst die Filterinduktivität L zwei Teilinduktivitäten L1, L2, die magnetisch über einen gemeinsamen Kern miteinander verbunden sind.
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Die Verbindung V umfasst insbesondere das Filterelement F und dient zur Verbindung des Stromrichters (bzw. dessen Gleichstromseite) mit der Bordnetzkomponente BK. Wie erwähnt wird die Bordnetzkomponente BK als Bordnetzabschnitt BN betrachtet, so dass die mit BK und BN bezeichneten Elemente der 1 und 2 einander entsprechen.
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Weiterhin ist eine weitere Bordnetzkomponente BK' über ein weiteres Filterelement F' an dem Stromrichter I angeschlossen. Das Filterelement F' ist wie das Filterelement F der 1 ausgebildet und umfasst für jedes der beiden Versorgungspotentiale der Bordnetzkomponente BK' jeweils einen Kondensator C1" und C2". Die Kondensatoren C1" und C2" verbinden die Versorgungspotentiale der Bordnetzkomponente BK' mit einem Schalter S'. Der Schalter verbindet schaltbar die Kondensatoren C1" und C2" mit dem fahrzeugseitigen Masseanschluss PEF bzw. mit dessen Potential. Der Schalter S' wird in gleicher Weise wie der Schalter S angesteuert. Die Steuerung C ist mit dem Schalter S' (und dem Schalter S) ansteuernd verbunden. Der Schalter S' ist beispielsweise bei nicht belegtem Verbindungsanschluss geöffnet (um eine Berührspannung zu begrenzen) und insbesondere im Fahrbetrieb des Fahrzeugs geschlossen (um abgesendete Störsignale zu unterdrücken durch Ableiten der betreffenden Wechselsignale nach Massepotential des Fahrzeugs). Es können auch mehr als die Filterelemente F, F' der 2 und mehr als die Bordnetzkomponenten BK, BK' vorgesehen sein und mit dem Stromrichter I verbunden sein, wie unterhalb des Filterelements F' und unterhalb der Bordnetzkomponente BK' dargestellt ist. Bei mehreren Schaltern wie in 2 dargestellt werden diese von einer gemeinsamen Steuerung oder zumindest synchron angesteuert.
