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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssteuergerät und ein Verfahren zum Laden einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Antriebssteuergeräte dienen unter anderem zur Umwandlung einer Batteriespannung, insbesondere der Spannung einer Traktionsbatterie, in eine geeignete Spannung für eine elektrische Maschine, bspw. eine dreiphasige Wechselspannung für einen Permanentmagnetsynchronmotor (PSM). Dabei wird auch die Leistung, die von der Batterie an die elektrische Maschine abgegeben wird, durch das Antriebssteuergerät bspw. durch Pulsweitenmodulation (PWM) geregelt.
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Zum Laden der Batterie, bspw. mittels einer Netzspannung, wird üblicherweise eine separate Ladeschaltung bzw. ein separates Ladegerät bereitgestellt. Dieses zusätzliche elektrische Gerät erhöht die Kosten und gleichzeitig das Gesamtgewicht. Insbesondere bei Kraftfahrzeugen gilt es, dies zu vermeiden.
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Aus der
DE 10 2011 083 212 A1 ist ein Antriebssystem eines batteriebetriebenen Fahrzeugs bekannt. Aus der
DE 10 2009 000 096 A1 ist weiterhin ein Verfahren für die Steuerung einer Stromversorgungseinrichtung mit einem Wechselrichter bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Hier werden ein Antriebssteuergerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und ein Verfahren zum Laden einer Batterie gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand derieweiligen Unteransprüche. Die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der nachfolgenden Beschreibung ergänzt werden.
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Vorgeschlagen wird ein Antriebssteuergerät, umfassend:
- – einen Stromrichter, welcher zur elektrischen Versorgung einer elektrischen Maschine aus einer Batterie und zum Laden der Batterie eingerichtet ist;
- – einen zwischen dem Stromrichter und der elektrischen Maschine angeordneten Alternativunterbrecher, welcher entweder den Stromrichter von der elektrischen Maschine elektrisch trennt und gleichzeitig den Stromrichter mit Induktivitäten elektrisch verbindet oder den Stromrichter mit der elektrischen Maschine elektrisch verbindet und gleichzeitig den Stromrichter von den Induktivitäten elektrisch trennt; und
- – einen zwischen dem Stromrichter und der Batterie angeordneten Gleichstromkonverter zur Verbindung des Stromrichters mit der Batterie, wenn der Alternativunterbrecher den Stromrichter mit den Induktivitäten verbindet.
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Der Stromrichter weist Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)) oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)) oder ähnliche geeignete Leistungshalbleiter als Schalter auf. Besonders bevorzugt sind sechs IGBTs derart verschaltet und können entsprechend so gesteuert werden, dass aus einer an dem Stromrichter anliegenden Zwischenkreisspannung, welches eine Gleichspannung ist, eine dreiphasige Wechselspannung geformt wird, die zum Betrieb der elektrischen Maschine, bspw. eines PSM, benötigt wird, sodass der Stromrichter aus der Gleichspannung der Batterie eine für den Betrieb der elektrischen Maschine benötigte Wechselspannung erzeugt.
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Zum Laden der Batterie kann eine Stromquelle, wie z. B. ein dreiphasiges Versorgungsnetz, an die Induktivitäten angeschlossen werden. Die Induktivitäten tragen dazu bei, dass die während des Ladevorgangs der Batterie fließenden Ströme sinusförmig und phasengleich zu der dreiphasigen Versorgungsspannung gestaltet sind und somit mit einem guten Cosinus Phi dem dreiphasigen Versorgungsnetz entnommen werden. Der Alternativunterbrecher trennt dabei die elektrische Maschine von dem Stromrichter und verbindet die Induktivitäten mit dem Stromrichter, so dass beim Laden der Batterie die Stromquelle nicht mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Der Stromrichter wandelt beim Laden der Batterie eine Quellenspannung der Stromquelle, bspw. eine dreiphasige Wechselspannung (Netzspannung) in eine Gleichspannung um. Dabei kann der Stromrichter bevorzugt auf eine Leistung im Bereich von ungefähr 80 kW [Kilowatt]) bis 150 kW ausgelegt sein. Ein Gleichstromkonverter wandelt die vom Stromrichter bereitgestellte Gleichspannung, nachfolgend auch als Zwischenkreisspannung bezeichnet, in eine für das Aufladen der Batterie geeignete Gleichspannung um.
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In einem Antriebsmodus kann das Antriebssteuergerät beim elektrischen Versorgen der elektrischen Maschine aus der Batterie betrieben werden. In diesem Modus ist die Traktionsbatterie über das Trennschütz mit dem Stromrichter unmittelbar verbunden, der Stromrichter ist mittels des Alternativunterbrechers direkt mit der elektrischen Maschine verbunden, und die Induktivitäten sind mittels des Alternativunterbrechers von dem Stromrichter elektrisch getrennt. Die elektrische Maschine wird auf diese Weise von der Batterie mit Energie versorgt, wobei der Stromrichter so angesteuert ist, dass aus der Gleichspannung der Traktionsbatterie eine für die elektrische Maschine geeignete Wechselspannung erzeugt wird.
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Die elektrische Maschine kann insbesondere ein Elektromotor und besonders bevorzugt ein PSM oder ein Asynchronmotor (ASM) sein. Die Wechselspannung für die elektrische Maschine kann vom dem Stromrichter insbesondere mittels Raumzeigermodulation (Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM)) und Momentenregelung aus der Zwischenkreisspannung generiert werden.
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Die Induktivitäten können abhängig von einer Schaltfrequenz der Schalter des Stromrichters (IGBTs) und der maximalen Stromstärke der Stromquelle ausgelegt sein.
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Bevorzugt ist während des Ladens der Batterie das Trennschütz nicht geschlossen. Der Zwischenkreis kann damit auf eine Spitzenspannung geregelt werden, die oberhalb der maximalen Netz-Leiterspannung liegt. Auf diese Weise wird erreicht, dass der aus dem 3-phasigen Netz fließende Strom die oben beschriebenen Eigenschaften aufweist. Somit ist während des Ladens nur der Gleichstromkonverter unmittelbar mit dem Stromrichter verbunden. Dabei kann der Gleichstromkonverter über einen ersten Ladeausgang, an dem die Batterie angeschlossen ist, beim Laden aktiviert werden. Die Traktionsbatterie kann über den Gleichstromkonverter nach einem herkömmlichen Verfahren der I–U Ladung mittels Pulsweitenmodulation, PWM, geladen werden. Die Genauigkeit ist dabei primär von den verwendeten Strom- und Spannungssensoren abhängig, da das Pulsweitenmodulationsverfahren eine beliebig genaue, jedenfalls ausreichend genaue Einstellung der elektrischen Größen zulässt. Auf diese Weise wird die Batterie über den Gleichstromkonverter aufgeladen. Der Gleichstromkonverter wandelt über mindestens einen Hochfrequenztransformator, Gleichrichterdioden, MOSFET-Schalter, mindestens eine Glättungsdrossel und mindestens einen Filterkondensator die Zwischenkreisspannung in eine niedrigere Batterieladespannung um.
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Durch das vorgeschlagene Antriebssteuergerät kann mit geringem technischen Aufwand und nur wenigen zusätzlichen Geräten bzw. Modifikationen ein herkömmliches Antriebssteuergerät einer elektrischen Maschine auch zum Laden der Batterie verwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird der Stromrichter beim Laden der Batterie in einem Hochsetzstellermodus betrieben. Dabei wird der Strom des Stromrichters mittels Pulsweitenmodulation so geregelt, dass dieser von der 3-phasigen Quellenspannung eine Gleichspannung im Zwischenkreis herstellt, wobei diese Gleichspannung größer gleich als die Spitzenspannung zwischen den Leitern der Quellspannung ist.
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Der Stromrichter kann bevorzugt die Quellenspannung der Stromquelle, die an den Induktivitäten anliegt, in eine Zwischenkreisspannung umwandeln, die größer als eine Leiter-zu-Leiter Spitzenspannung der Stromquelle ist. Besonders bevorzugt wird die Quellenspannung von dem Stromrichter in eine Zwischenkreisspannung umgewandelt, die größer gleich 622 V [Volt] ist. Weiterhin kann bevorzugt der Gleichstromkonverter die Zwischenkreisspannung in eine niedrigere Batterieladespannung konvertieren.
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Die oben beschriebene Topologie, welche im Wesentlichen den Stromrichter, die Induktivitäten, den Alternativunterbrecher und den Gleichstromkonverter umfasst, ermöglicht eine sinusförmige Netzstromaufnahme mit einem sehr guten cos(Φ)-Wert von mindestens 0,98, wenn der Stromrichter im Hochsetzstellbetrieb betrieben wird.
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Weiterhin ist der Gleichstromkonverter in einem Antriebsmodus des Antriebssteuergeräts zu einem Laden einer Bordbatterie über einen zweiten Ladeausgang eingerichtet. Dabei ist der Gleichstromkomrerter über den zweiten Ladeausgang mit der Bordbatterie elektrisch verbunden und am ersten Ladeausgang von der (Traktions-)Batterie elektrisch getrennt. Ferner ist der Gleichstromkonverter beim Laden der (Traktions-)Batterie über den ersten Ladeausgang mit der (Traktions-)Batterie elektrisch verbunden und am zweiten Ladeausgang von der Bordbatterie getrennt.
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Die elektrische Maschine kann auch als Generator betrieben werden, beispielsweise wenn das Fahrzeug in Bewegung und abgebremst wird. Dabei wird, bspw. wenn das Fahrzeug abgebremst wird, Bewegungsenergie von der elektrischen Maschine in elektrische Energie (in Form einer Wechselspannung) umgesetzt. Diese von der elektrischen Maschine erzeugte elektrische Energie wird über den Stromrichter und den Trennschütz in die Batterie (Traktionsbatterie) zurückgespeist. Mit anderen Worten dient in diesem Falle die elektrische Maschine als Stromquelle. Zusätzlich kann dabei auch eine Bordbatterie von dem Gleichstromkonverter über einen zweiten Ladeausgang aufgeladen werden. Dazu ist die Bordbatterie, die insbesondere zur Versorgung von elektrischen Geräten (Antriebssteuerung, Bordcomputer, Sicherheitssysteme, usw.) in einem Kraftfahrzeug dient, über den Gleichstromkonverter mit dem Stromrichter verbunden. Der Gleichstromkontrerter wandelt die vom Stromrichter bereitgestellte Zwischenkreisspannung dabei in eine passende Ladespannung für die Bordbatterie um. Sofern der Gleichstromkonverter immer nur eine Spannung regeln kann, ist es nicht möglich, beim Laden der Batterie gleichzeitig über den Gleichstromkomrerter die Batterie am ersten Ladeausgang und die Bordbatterie am zweiten Ladeausgang des Gleichstromkonverters aufzuladen. Im Betrieb als Generator während des Antriebsmodus kann eine Regelung des Ladens der Bordbatterie entsprechend ihres Ladebedürfnisses erfolgen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt beträgt eine Leistungsfähigkeit des Gleichstromkorwerters ungefähr 3 kW.
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Die Ladeleistung des Antriebssteuergeräts wird primär von der Leistungsfähigkeit des Gleichstromkonverters bestimmt. Mit einer Leistungsfähigkeit von ungefähr 3 kW des Gleichstromkonverters kann bspw. eine Traktionsbatterie mit 25 kWh [Kilowattstunden] Kapazität innerhalb von zehn Stunden aufgeladen werden. insbesondere ein Stromrichter eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Traktionsmotor als elektrischer Maschine ist typischerweise für deutlich höhere Leistungen ausgelegt. Eine beim Laden der Batterie auftretende vergleichsweise geringe Ladeleistung stellt dabei für solch einen Stromrichter kein Problem dar.
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Durch das Bereitstellen einer Ladeleistung von ungefähr 3 kW kann eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs in hinreichend kurzer Zeit vollständig aufgeladen werden, was die Einsatzbereitschaft des Kraftfahrzeugs erhöht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Alternativunterbrecher zu einem mechanischen oder elektronischen Trennen bzw. Verbinden und bevorzugt zu einem Trennen bzw. Verbinden über eine mechanische Einrichtung eingerichtet. Dies kann in einer Ausführungsform ein Getriebe sein. Dabei wird bei einem Einstecken eines Ladesteckers in einen Anschluss, der an die induktivitäten elektrisch gekoppelt ist, über das mechanische Getriebe mit Hebeln der Stromrichter von der elektrischen Maschine elektrisch getrennt und mit den induktivitäten elektrisch verbunden. Entsprechend wird beim Entfernen des Ladesteckers aus dem Anschluss die elektrische Verbindung zwischen dem Stromrichter und der elektrischen Maschine wieder hergestellt und die Verbindung zu den Induktivitäten wird getrennt. Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst das Antriebssteuergerät ferner eine aktive oder passive Kühlung zur Abfuhr von Wärme, insbesondere der beim Laden einer Batterie entstehenden Wärme. Durch die aktive oder passive Kühlung wird die Betriebssicherheit des Antriebssteuergeräts beim Laden der Batterie erhöht, da ein Überhitzen der Batterie vermieden wird und es somit nicht zu einem Abbrennen der Batterie kommen kann.
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Ferner wird ein Verfahren zum Laden einer Batterie vorgeschlagen, mit einem Antriebssteuergerät wie zuvor beschrieben umfassend die Schritte:
- a) elektrisches Trennen einer elektrischen Maschine von einem Stromrichter, welcher zur elektrischen Versorgung der elektrischen Maschine aus der Batterie und zum Laden der Batterie eingerichtet ist, mittels eines Alternativunterbrechers;
- b) elektrisches Verbinden von Induktivitäten mit dem Stromrichter mittels des Alternativunterbrechers;
- c) Umwandeln einer Quellenspannung, die an den Induktivitäten anliegt, in eine Zwischenkreisspannung mittels des Stromrichters;
- d) Konvertieren der Zwischenkreisspannung in eine Batterieladespannung mittels eines Gleichstromkonverters.
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Beim Laden der (Traktions-)Batterie wird zunächst die elektrische Maschine, die von der (Traktions-)Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden kann, von dem Stromrichter getrennt. Weiterhin werden die Induktivitäten (anstelle der elektrischen Maschine) mit dem Stromrichter verbunden. Die an den Induktivitäten anliegende Quellenspannung, bspw. eine dreiphasige Wechselspannung, die von einer Stromquelle bereitgestellt wird, wird mittels des Stromrichters in die Zwischenkreisspannung umgewandelt. Die Zwischenkreisspannung wird mittels des Gleichstromkonverters in die Batterieladespannung umgewandelt, so dass die Batterie aus einem zuvor beliebigen Zustand heraus aufgeladen wird.
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Mit dem vorliegenden Verfahren kann eine Batterie ohne zusätzliches Ladegerät über Induktivitäten vom Stromrichter und dem Gleichstromkonverter aufgeladen werden. Dies senkt die Kosten und das Gewicht des Gesamtprodukts.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird in Schritt c) der Stromrichter in dem oben erwähnten Hochsetzstellermodus betrieben.
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Der Stromrichter ist bevorzugt zu einem Umwandeln der Quellenspannung der Stromquelle, die an den Induktivitäten anliegt, in eine Zwischenkreisspannung eingerichtet, die größer gleich einer Netzspitzenspannung der Stromquelle ist. Weiterhin ist der Gleichstromkonverter zu einem Konvertieren der Zwischenkreisspannung in eine niedrigere Batteriespannung eingerichtet.
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Die Topologie aus Stromrichter ergänzt um Induktivitäten im Hochsetzstellermodusbetrieb und Gleichstromkonverter gewährleistet eine sinusförmige Netzstromaufnahme mit einem sehr guten cos(Φ)-Wert von 0,98 und mehr.
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Gemäß einem weiteren Aspekt erfolgt in Schritt a) und Schritt b) das elektrische Trennen und Verbinden mechanisch oder elektronisch und bevorzugt über ein mechanisches Getriebe. Dabei wird bei einem Einstecken eines Ladesteckers in einen Anschluss, der an die Induktivitäten elektrisch gekoppelt ist, über das Getriebe mit Hebeln der Stromrichter von der elektrischen Maschine elektrisch getrennt und mit den Induktivitäten elektrisch verbunden. Das Umgekehrte erfolgt bei einem Ausstecken.
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Während des Ladens einer der Batterien muss sichergestellt sein, dass die elektrische Maschine nicht mit der Stromquelle direkt elektrisch verbunden ist. Gleichzeitig muss jedoch die Batterie über den Gleichstromkonverter, den Stromrichter und die Induktivitäten elektrisch mit der Stromquelle verbunden sein. Andersherum muss beim Versorgen der elektrischen Maschine mit elektrischer Energie durch die Batterie die Batterie direkt mit der elektrischen Maschine über den Stromrichter elektrisch verbunden sein. Dazu können die jeweiligen elektrischen Verbindungen entweder elektronisch bspw. über IGBTs und dergleichen oder mechanisch (z. B. mittels eines Hebelgetriebes) getrennt bzw. verbunden werden. Insbesondere die mechanische Trennung bzw. Verbindung stellt eine besonders sichere Lösung dar.
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Das sichere Trennen und Verbinden der elektrischen Maschine bzw. der Stromquelle erhöht die Betriebssicherheit beim Laden der Batterie bzw. beim Versorgen der elektrischen Maschine mit elektrischer Energie durch die Batterie.
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Eine Ausführungsform wird nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figur lediglich eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante zeigt.
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Es zeigt:
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1: eine schematische Darstellung eines Antriebssteuergeräts.
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1 zeigt ein Antriebssteuergerät 1. Das Antriebssteuergerät 1 kann zum Laden einer Batterie 2, 10 verwendet werden. Das Antriebssteuergerät 1 kann die Batterie 2 über einen Trennschütz 3 mit einem Zwischenkreis, d. h. der Gleichspannungsseite eines Stromrichters 7 elektrisch verbinden. Drei Induktivitäten 5a, 5b, 5c des Antriebssteuergeräts 1 können mit einer dreiphasigen Wechselstromquelle 6 elektrisch verbunden werden. Die Induktivitäten 5a, 5b, 5c sowie die elektrische Maschine 4 können mit einem Stromrichter 7 elektrisch verbunden werden. Dazu dient ein Alternativunterbrecher 8. Bei einem Laden der Batterie 2 verbindet der Alternativunterbrecher 8 die Stromquelle 6 über die Induktivitäten 5a, 5b, 5c mit der Wechselspannungsseite eines Stromrichters 7 und trennt gleichzeitig die elektrische Maschine von dem Stromrichter 7. Weiterhin ist während des Aufladens der (Traktions-)Batterie 2 der Stromrichter 7 über einen Gleichstromkonverter 9 mit der (Traktions-)Batterie 2 verbunden, die an einem ersten Ladeanschluss des Gleichstromkonverters 9 angeschlossen ist. Dabei ist der Trennschütz 3 geöffnet, so dass die (Traktions-)Batterie 2 nicht unmittelbar mit der Gleichspannungsseite des Stromrichters 7, sondern ausschließlich mittelbar über den Gleichstromkonverter 9 elektrisch verbunden ist. Der Stromrichter 7 kann auch über den Gleichstromkonverter 9 mit einer 12-V-Bordbatterie 10 elektrisch verbunden sein.
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Bei einem Versorgen der elektrischen Maschine 4 mit elektrischer Energie durch die Batterie 2 verbindet der Alternativunterbrecher 8 die elektrische Maschine 4 mit dem Stromrichter 7 und trennt die Stromquelle 6 vom Stromrichter bzw. trennt die Verbindung zwischen Stromrichter 7 und den Induktivitäten 5.
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Um beim Laden der Batterie 2 eine Wechselspannung der dreiphasigen Wechselstromquelle 6 in eine Zwischenkreisspannung 14 umzuwandeln, weist der Stromrichter 7 drei High-Side-Schalter 11a, 11b, 11c sowie drei Low-Side-Schalter 12a, 12b, 12c auf. Die High-Side-Schalter 11a, 11b, 11c und die Low-Side-Schalter 12a, 12b, 12c können bevorzugt IGBTs sein. Diese werden von einer Steuerung (nicht dargestellt) derart geschaltet, dass die Wechselspannung der dreiphasigen Wechselstromquelle 6 in die Zwischenkreisspannung 14 umgewandelt wird. Umgekehrt werden im Antriebsmodus die High-Side-Schalter 11a, 11b, 11c und die Low-Side-Schalter 12a, 12b, 12c des Stromrichters 7 beim Versorgen der elektrischen Maschine mit elektrischer Energie durch die Batterie 2 derart von der Steuerung geschaltet, dass die Spannung der Traktionsbatterie, die über das geschlossene Trennschütz 3 an dem Stromrichter 7 anliegt, in eine dreiphasige Wechselspannung für die elektrische Maschine 4 umgewandelt wird. Im Antriebsmodus kann, bspw. wenn das Fahrzeug abgebremst wird, die elektrische Maschine 4 auch in einem Generatorbetrieb betrieben werden. Dabei wird beim Abbremsen des Fahrzeugs kinetische Energie durch die elektrische Maschine 4 in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie in Form einer dreiphasigen Wechselspannung wird von dem Stromrichter 7 in die Zwischenkreisspannung umgewandelt. In diesem Fall wird die (Traktions-)Batterie 2 direkt aufgeladen. Weiterhin ist parallel zur Batterie 2 bzw. parallel zum Gleichstromkonverter 9 eine Ladekondensator 13 vorgesehen, der Spannungsschwankungen der Zwischenkreisspannung 14 dämpft.
