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Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Ladevorrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Eine solche Ladevorrichtung und ein solches Verfahren sind beispielsweise bereits aus der
DE 10 2015 208 747 A1 bekannt. Die Ladevorrichtung weist einen Gleichspannungswandler zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs auf. Dabei ist eine Wicklung einer elektrischen Maschine Teil des Gleichspannungswandlers. Beispielsweise ist das Fahrzeug mittels der elektrischen Maschine antreibbar. Dabei umfasst die Wicklung zumindest zwei Spulen. Außerdem ist eine Steuereinheit zum Ansteuern des Gleichspannungswandlers vorgesehen.
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Im Rahmen des Verfahrens wird der Energiespeicher mit elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom mittels des Gleichspannungswandlers geladen. Hierzu wird mittels des Gleichspannungswandlers die Eingangsgleichspannung in die Ausgangsgleichspannung gewandelt. Der Energiespeicher ist somit dazu ausgebildet, elektrische Energie zu speichern, mit welcher beispielsweise die elektrische Maschine versorgt werden kann.
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Die
DE 3204901 A1 offenbart eine Einrichtung mit einem Zerhacker zum Batterieladen, wobei der Zerhacker bei einem Laden mit einer Primärspule eines Transformators in Reihe geschaltet ist. In einem Motorsteuerbetrieb steuert der Zerhacker einen Strom in einen Hauptschlußmotor.
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Des Weiteren offenbart die
JP 2012 191813 einen geschalteten Reluktanzmotor, bei welchem eine Motorsteuerung Merfachspulengruppen seriell oder parallel schalten kann, um diskontinuierliche Drehmomentschwankungen gering zu halten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ladevorrichtung und eine Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs bereitzustellen, welche ein besonders vorteilhaftes Laden des elektrischen Energiespeichers ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Ladevorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug wie beispielsweise einen Personenkraftwagen. Die Ladevorrichtung umfasst einen Gleichspannungswandler zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs. Dabei ist eine Wicklung einer elektrischen Maschine, insbesondere des Fahrzeugs, Teil des Gleichspannungswandlers, wobei die Wicklung zumindest zwei Spulen umfasst. Ferner umfasst die Ladevorrichtung eine Steuereinheit zum Ansteuern des Gleichspannungswandlers.
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Um nun den Energiespeicher besonders vorteilhaft, insbesondere besonders effizient und kostengünstig, aufladen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die zumindest zwei Spulen zum Laden des elektrischen Energiespeichers elektrisch in Reihe zu schalten, wobei die zumindest zwei Spulen eine Induktivität des Gleichspannungswandlers bilden.
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Das Fahrzeug ist beispielsweise als zumindest elektrisch antreibbares Fahrzeug, insbesondere als Kraftfahrzeug, ausgebildet, wobei mittels der elektrischen Maschine beispielsweise wenigstens ein Rad des Fahrzeugs beziehungsweise das Fahrzeug insgesamt elektrisch antreibbar ist. Hierzu ist die elektrische Maschine, welche vorzugsweise Bestandteil des Fahrzeugs ist, in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betreibbar ist. Um die elektrische Maschine als Elektromotor zu betreiben, wird die elektrische Maschine mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher versorgt, welcher vorzugsweise Bestandteil des Fahrzeugs ist. Die elektrische Maschine weist dabei die zuvor genannte, mindestens eine Wicklung auf, welche beispielsweise eine Spulenwicklung ist. Unter der Wicklung kann insbesondere eine Gesamtheit aller Spulen bildenden Schleifen wenigstens eines elektrischen Leiters, beispielsweise ein isolierter Draht, der elektrischen Maschine zu verstehen sein.
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Durch Versorgen der elektrischen Maschine mit in dem Energiespeicher gespeicherter elektrischer Energie wird der Energiespeicher entladen. Um den Energiespeicher zu laden, wird ihm über den Gleichspannungswandler elektrische Energie zugeführt, die beispielsweise von einer Stromquelle, insbesondere einer Ladesäule oder dergleichen, stammt beziehungsweise bereitgestellt wird. Üblicherweise weist die von der Stromquelle bereitgestellte elektrische Energie eine erste elektrische Spannung auf. Mittels des Gleichspannungswandlers ist es möglich, die erste Spannung in eine demgegenüber unterschiedliche zweite elektrische Spannung umzuwandeln und dadurch an eine zum Laden des Energiespeichers vorteilhafte Spannung anzupassen.
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Da nun erfindungsgemäß die Spulen, welche Teile beziehungsweise Bestandteile der elektrischen Maschine sind, auch als Teile beziehungsweise Bestandteile des Gleichspannungswandlers verwendet werden, können die Teileanzahl, das Gewicht und die Kosten der Ladevorrichtung beziehungsweise des Fahrzeugs insgesamt besonders gering gehalten werden. Ferner kann dadurch, dass die Spulen in Reihe geschaltet werden, der Einsatz einer herkömmlicherweise erforderlichen Zusatzinduktivität vermieden werden, sodass die Teileanzahl, das Gewicht und die Kosten besonders gering gehalten werden können. Ferner kann dadurch der Energiespeicher besonders effizient geladen werden. Das Schalten der Spulen in beziehungsweise die in Reihe geschalteten Spulen wird beziehungsweise werden auch als Reihenschaltung bezeichnet. Durch das Schalten der Spulen in Reihe werden jeweilige Einzelinduktivitäten der zumindest zwei Spulen zu einer Gesamtinduktivität der Reihenschaltung addiert.
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Herkömmlicherweise erfolgt eine solche Reihenschaltung nicht, sondern die Spulen sind an einer Seite der beispielsweise als Elektromotor ausgebildeten elektrischen Maschine über einen Sternpunkt verbunden und somit parallel geschaltet. Dies hat zur Folge, dass sich die jeweiligen Einzelinduktivitäten der Spulen reziprok addieren. Dadurch wird die Gesamtinduktivität beim Stand der Technik gegenüber den jeweiligen Einzelinduktivitäten sogar reduziert, sodass beispielsweise hinter dem Sternpunkt eine zusätzliche Spule beziehungsweise Induktivität zusätzlich zu den bereits vorhandenen Spulen der elektrischen Maschine in Reihe geschaltet werden muss, um eine im Vergleich zur Gesamtinduktivität der elektrischen Maschine größere Induktivität zu erhalten. Solch eine zusätzliche Spule ist ein Bauteil, das zusätzliches Gewicht verursacht und ausfallen kann, wobei ein solches zusätzliches Bauteil bei der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung vermieden werden kann.
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Mittels der erfindungsgemäßen Reihenschaltung der Spulen zu einer großen Gesamtinduktivität des Gleichspannungswandler ist eben dieser besonders vorteilhaft zu betreiben beziehungsweise ist durch das erfindungsgemäße Schalten der wenigstens zwei Spulen in Reihe ein besonders vorteilhaftes Laden des elektrischen Stromspeichers realisierbar. Eine weitere Induktivität zusätzlich zur elektrischen Maschine kann für das Laden entfallen. Des Weiteren ist es nicht notwendig, den Sternpunkt der elektrischen Maschine aus eben dieser herauszuführen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Gleichspannungswandler einen Wechselrichter, insbesondere einen Pulswechselrichter, wobei ein erster Anschluss des Wechselrichters mit den zumindest zwei elektrisch in Reihe geschalteten Spulen und ein zweiter Anschluss des Wechselrichter mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden ist. Durch eine solche Verschaltung des Wechselrichters mit den in Reihe geschalteten Spulen einenends und dem elektrischen Energiespeicher anderenends ist eine besonders vorteilhafte Integration des Wechselrichters in die Ladevorrichtung möglich.
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Der Energiespeicher, welcher beispielsweise als eine Batterie ausgebildet ist, stellt beispielsweise als Ausgangsstrom beziehungsweise Ausgangsspannung einen Gleichstrom beziehungsweise eine Gleichspannung bereit. Die elektrische Maschine, insbesondere in ihrem Motorbetrieb, wird jedoch beispielsweise mittels Wechselstroms beziehungsweise Wechselspannung betrieben. Um dies zu realisieren, ist der Wechselrichter zwischen dem Energiespeicher und der elektrischen Maschine geschaltet, sodass mittels des Wechselrichter die von dem Energiespeicher bereitgestellte Gleichspannung beziehungsweise der von dem Energiespeicher bereitgestellte Gleichstrom in Wechselspannung beziehungsweise Wechselstrom, mit welcher beziehungsweise welchem die elektrische Maschine, insbesondere in ihrem Motorbetrieb, versorgbar ist, umgewandelt werden kann. Beim Laden des Energiespeichers wird dieser beispielsweise über den Wechselrichter beziehungsweise über ein den Wechselrichter bildendes Bauelement geladen, jedoch unterbleibt beispielsweise beim Laden ein Betrieb des Bauelements als Wechselrichter beziehungsweise beim Laden unterbleibt eine durch den Wechselrichter bewirkte Spannungs- beziehungsweise Stromumwandlung.
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Beispielsweise ist der Wechselstrom, mittels welchem die elektrische Maschine, insbesondere in ihrem Motorbetrieb, betrieben wird, ein Dreiphasenwechselstrom. Die dadurch anzutreibende elektrische Maschine weist typischerweise drei Spulen auf oder die Anzahl an Spulen der elektrischen Maschine ist ein ganzzahliges Vielfaches von drei. Der Wechselrichter kann beispielweise durch eine Brückenschaltung realisiert sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Wechselrichter zumindest ein Schaltelement auf. Dabei ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, das zumindest eine Schaltelement zum Laden des elektrischen Energiespeichers anzusteuern. Dadurch kann der Wechselrichter, welcher während einer Fahrt des Fahrzeugs aus der Gleichspannung, welche von dem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs bereitgestellt wird, eine Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine erzeugt, so geschaltet werden, dass er als Komponente des Gleichspannungswandlers beim Laden verwendbar ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Gleichspannungswandler eine Verschalteinheit zum Schalten der zumindest zwei Spulen in Reihe auf. Ferner ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, die Verschalteinheinheit zum Laden des elektrischen Energiespeichers anzusteuern. Mittels der Verschalteinheit können die mindestens zwei Spulen besonders einfach und bedarfsgerecht in Reihe geschaltet werden, wodurch das Laden des elektrischen Energiespeichers besonders vorteilhaft möglich ist. Wird die Verschalteinheit zusammen mit der elektrischen Maschine zum Laden des elektrischen Energiespeichers verwendet, kann die zum Laden des Energiespeichers erforderliche Teileanzahl besonders gering gehalten werden. Dadurch können die Kosten, das Gewicht und der Bauraumbedarf der Ladevorrichtung in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, die zumindest zwei Spulen, insbesondere mittels der Verschalteinheit, parallel zueinander zu schalten, um die elektrischen Maschine mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher zu versorgen. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, eine die zumindest zwei Spulen umfassende Sternschaltung, insbesondere mittels der Verschalteinheit, zu bewirken um die elektrischen Maschine mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher zu versorgen. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, eine die zumindest zwei Spulen umfassende Dreieckschaltung, insbesondere mittels der Verschalteinheit, einzustellen, um die elektrischen Maschine mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher zu versorgen. Zur Realisierung der Stern- beziehungsweise Dreieckschaltung umfasst der Gleichspannungswandler wenigstens eine dritte Spule der Wicklung, sodass beispielsweise die zumindest drei Spulen die Stern- beziehungsweise Dreieckschaltung bilden. Die Schaltung der Spulen parallel zueinander wird auch als Parallelschaltung bezeichnet. Somit ist es beispielsweise möglich, bei einer der für eine Fahrt des Fahrzeugs und somit zum Betreiben der elektrischen Maschine in dem Motorbetrieb die Parallel-, Stern- oder Dreieckschaltung der Spulen einzustellen, sodass ein besonders vorteilhafter Betrieb darstellbar ist. Somit schafft die Verschalteinheit einen besonders großen Freiheitsgrad bei der Schaltungstopologie, sowohl in Hardware als auch Funktionsumfang.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Ladevorrichtung einen Gleichrichter auf, welcher ausgangsseitig mit dem Gleichspannungswandler verbunden ist. Über den Gleichrichter kann beispielsweise der Gleichspannungswandler mit der von der Stromquelle, insbesondere von der Ladesäule, bereitgestellten elektrischen Energie versorgt werden. Durch den Gleichrichter kann, für den Fall, dass die Stromquelle eine Wechselspannung beziehungsweise einen Wechselstrom bereitstellt, ein besonders vorteilhaftes Laden des Energiespeichers realisiert werden, da beispielsweise mittels des Gleichrichters die von der Stromquelle bereitgestellte Wechselspannung beziehungsweise der von der Stromquelle bereitgestellte Wechselstrom in eine Gleichspannung beziehungsweise in einen Wechselstrom umgewandelt werden kann. Somit kann dann der Gleichrichter die Gleichspannung bereitstellen, welche dann beispielsweise mittels des Gleichspannungswandlers auf einen vorteilhaften Wert gewandelt werden kann.
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Beispielsweise muss ein Ladestrom, welcher von der Stromquelle bereitgestellt wird beziehungsweise an dieser aus einem Stromnetz bezogen wird, in der Regel umgeformt und/oder gerichtet werden, bevor dieser als Ladestrom dem elektrischen Energiespeicher zum Laden beziehungsweise Aufladen zu Verfügung gestellt werden kann. Dies kann beispielsweise durch den Wechselrichter auf besonders vorteilhafte Weise geschehen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, zum Laden des elektrischen Energiespeichers den Gleichrichter anzusteuern. Dadurch entfällt beispielsweise eine zusätzliche Steuereinheit, welche zusätzlich Kosten und/oder Gewicht verursachen würde. Somit ist ein besonders vorteilhaftes Laden des Energiespeichers realisierbar. Ebenso könnte durch die Steuereinheit und/oder Verschalteinheit der Wechselrichter so gesteuert werden, dass dieser als Gleichrichter arbeitet beziehungsweise funktioniert.
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Beispielsweise durch eine Elektronik der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung können Betriebszustände wie beispielsweise das Laden und das Fahren beziehungsweise das Versorgen der elektrischen Maschine mit in dem Energiespeicher gespeicherter elektrischer Energie, besonders schnell und/oder besonders einfach gewechselt werden. Ein Wechsel der Betriebszustände der Ladevorrichtung ist vorzugsweise nur in einem Stillstand des Fahrzeugs vorgesehen. Mit anderen Worten unterbleibt beispielsweise ein Wechsel der Betriebszustände während der Fahrt. Beim Laden wird der Energiespeicher über den Gleichspannungswandler und die zumindest zwei Spulen mit elektrischer Energie versorgt. Beim Motorbetrieb wird die elektrische Maschine über den Gleichspannungswandler und die zumindest zwei Spulen mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher versorgt. Dadurch können die Teileanzahl, das Gewicht die Kosten und der Bauraumbedarf der Ladevorrichtung besonders gering gehalten werden.
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Darüber hinaus ist bei der Ladevorrichtung ein einfaches Wechseln ihre Schaltungstopologie möglich. Für das Laden werden beispielsweise die zumindest zwei Spulen der elektrischen Maschine über die Verschalteinheit in Reihe geschaltet. Damit wird die elektrische Maschine als Induktivität zusammen mit Schaltern des Wechselrichter zu einem Gleichspannungswandler verschaltet, welcher eine besonders hohe Induktivität aufweisen kann und dadurch ein besonders effizientes Laden des elektrischen Energiespeichers ermöglicht. Andere realisierbare Schaltungstopologien sind beispielweise die Sternschaltung und/oder die Dreiecksschaltung.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, insbesondere mittels einer Ladevorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Bei dem Verfahren wird mittels eines Gleichspannungswandlers eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers gewandelt wird, wobei eine zumindest zwei Spulen einer elektrischen Maschine des Fahrzeugs umfassende Wicklung der elektrischen Maschine als Teil des Gleichspannungswandlers verwendet wird. Ferner wird der Gleichspannungswandler mittels einer Steuereinheit angesteuert.
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Um nun den Energiespeicher besonders vorteilhaft, insbesondere besonders effizient und kostengünstig, aufladen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mittels der Steuereinheit durch das Ansteuern des Gleichspannungswandlers die zumindest zwei Spulen zum Laden des elektrischen Energiespeichers elektrisch in Reihe geschaltet werden, wobei die zumindest zwei Spulen eine Induktivität des Gleichspannungswandlers bilden. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts und des zweitens Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Verschaltung einer Ladevorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 ein schematischer Schaltplan der Ladevorrichtung in einem ersten Betriebszustand gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 3 ein schematischer Schaltplan der Ladevorrichtung gemäß Fig. in einem zweiten Betriebszustand; und
- 4 ein schematischer Schaltplan einer Simulationsberechnung zur Bestimmung von Drehmomenten auf eine elektrische Maschine.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch eine Verschaltung einer ersten Ausführungsform einer Ladevorrichtung 10 für ein Fahrzeug, insbesondere ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Die Ladevorrichtung 10 dient zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 12, insbesondere einer Batterie, wie beispielsweise einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs. Unter dem Laden des elektrischen Energiespeichers 12 ist ein Einspeichern von elektrischer Energie in den Energiespeicher 12 zu verstehen. Dazu wird ein elektrischer Strom aus einem Stromnetz, beispielsweise das öffentliche Stromnetz eines Landes, entnommen beziehungsweise bezogen und mittels der Ladevorrichtung 10 dem Energiespeicher 12 als Ladestrom bereitgestellt. Der elektrische Energiespeicher 12 versorgt beispielsweise eine elektrische Maschine 16, insbesondere einen Elektromotor, des Fahrzeugs mit Energie. Wie aus 2 erkennbar ist, weist die elektrische Maschine 16 wenigstens eine Wicklung 38 auf, welche mehrere Spulen 36 umfasst. In 2 ist erkennbar, dass die Wicklung 38 wenigstens drei Spulen 36 aufweist.
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Die elektrische Maschine 16, welche vorzugsweise Bestandteil des Fahrzeugs ist, kann in einem Motorbetrieb zumindest mittelbar beispielsweise zumindest ein Rad des Fahrzeugs beziehungsweise das Fahrzeug insgesamt antreiben. Dadurch ist beispielsweise eine elektrische Fahrt beziehungsweise ein elektrisches Fahren des Fahrzeugs möglich. Während des Fahrens gibt der elektrische Energiespeicher 12 die in ihm gespeicherte elektrische Energie an die als Elektromotor betriebene elektrische Maschinen 16 ab und wird dadurch geleert. Um den elektrischen Energiespeicher 12 wieder mit elektrischer Energie zu befüllen beziehungsweise zu laden, wird dieser beim Laden mittels des Ladestroms mit elektrischer Energie versorgt.
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In der Regel liegt der Strom des Stromnetzes nicht als Ladestrom vor, beispielsweise ist der Strom des Stromnetzes ein Wechselstrom. Um den beispielsweise als Batterie ausgebildeten elektrischen Energiespeicher 12 laden beziehungsweise aufladen zu können, wird ein Gleichstrom beziehungsweise eine Gleichspannung benötigt, das heißt der Strom des Stromnetzes sollte zum beispielsweise als Gleichstrom ausgebildeten Ladestrom umgeformt und/oder umgerichtet werden. Ein solches Umrichten eines Wechselstroms beziehungsweise einer Wechselspannung in einen Gleichstrom beziehungsweise eine Gleichspannung, insbesondere in den Ladestrom, geschieht mittels eines Gleichrichters 14. Der Gleichrichter 14 kann eine Komponente des Fahrzeugs sein oder eine Komponente beispielsweise einer Ladesäule einer Stromtankstelle, welche an das Stromnetz angeschlossen ist. Insbesondere kann der Gleichrichter 14 eine Komponente der Ladevorrichtung 10 sein. Der Gleichrichter 14 wird an seiner Eingangsseite 18 mit einer Wechselspannung 20 versorgt, welche im Gleichrichter 14 zu einer Gleichspannung umgerichtet beziehungsweise umgeformt wird. Diese Gleichspannung wird von dem Gleichrichter 14 auf dessen Ausgangsseite 24 bereitgestellt.
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Die Gleichspannung wird als eine Eingangsgleichspannung 22 über einen Eingang 26 in einen Gleichspannungswandler 28 geführt. Der Gleichspannungswandler 28 kann die Eingangsgleichspannung 22 in eine Ausgangsgleichspannung 30 umrichten beziehungsweise umformen. Durch die Ausgangsgleichspannung 30, welche an einem Ausgang 32 des Gleichspannungswandler 28 abgreifbar ist, kann der Ladestrom auf den elektrischen Energiespeicher 12 fliesen und diesen laden beziehungsweise aufladen, sodass der elektrische Energiespeicher 12 mit elektrischer Energie befüllt wird. Um einen definierten Stromfluss des Ladestroms zum Energiespeicher 12 zu ermöglichen, steuert eine Steuereinheit 34 bei dieser ersten Ausführungsform der Ladevorrichtung 10 den Gleichrichter 14 und den Gleichspannungswandler 28.
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Um Zeit und/oder Kosten zu sparen, sollte das Laden des elektrischen Energiespeichers 12 mittels der Ladevorrichtung 10 besonders effizient durchzuführen sein. Hierzu ist die zuvor genannten Wicklung 38 der elektrischen Maschine 16 Teil des Gleichspannungswandlers 28. Dies bedeutet, dass die Spulen 36 Bestandteile des Gleichspannungswandlers 28 sind.
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Um nun ein besonders vorteilhaftes Laden des elektrischen Energiespeichers 12 zu ermöglichen, ist die Steuereinheit 34 dazu ausgelegt, die Spulen 36 zum Laden des elektrischen Energiespeichers 12 elektrisch in Reihe zu schalten, wobei die zumindest zwei Spulen 36 eine Induktivität des Gleichspannungswandlers 28 bilden. Somit nutzt der Gleichspannungswandler 28, welcher auch als DC/DC-Wandler bezeichenbar ist, zum Laden des Energiespeichers 12 die Spulen 36 als Induktivität beziehungsweise ein durch die Spulen 36 gebildete Gesamtinduktivität, um die Eingangsgleichspannung 22 in die Ausgangsgleichspannung 30 umzuformen.
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Die Ladevorrichtung 10, insbesondere der Gleichspannungswandler 28, ist in einem in 2 gezeigten ersten Betriebszustand betreibbar, welcher beispielsweise mit dem Motorbetrieb der elektrischen Maschine 16 zusammenfällt beziehungsweise zur Realisierung des Motorbetriebs vorgesehen ist. In dem ersten Betriebszustand wird in dem Energiespeicher 12 gespeicherte elektrische Energie über die Ladevorrichtung 10, insbesondere über den Gleichspannungswandler 28, zur elektrischen Maschine 16 geführt, welche mit dieser elektrischen Energie versorgt wird. Dabei zeigen 2 und 3 eine zweite Ausführungsform der Ladevorrichtung 10.
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Außerdem ist die Ladevorrichtung 10, insbesondere der Gleichspannungswandler 28, in einem in 3 gezeigten zweiten Betriebszustand betreibbar. Der zweite Betriebszustand ist zum Laden beziehungsweise Aufladen des Energiespeichers 12 vorgesehen, da in dem zweiten Betriebszustand die von der Stromquelle bereitgestellte elektrische Energie über die Ladevorrichtung 10, insbesondere über den Gleichspannungswandler 28, dem Energiespeicher 12 zugeführt und in diesem gespeichert wird. Der zweite Betriebszustand wird auch als Ladebetrieb bezeichnet. Eine Funktion der Steuereinheit 34 kann ein Umschalten zwischen den beiden Betriebszuständen sein.
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Um den elektrischen Energiespeicher 12 des Fahrzeugs besonders effizient beziehungsweise vorteilhaft zu laden, ist eine besonders große Induktivität des Gleichspannungswandlers 28 vorteilhaft. Daher ist es besonders vorteilhaft zum Laden des elektrischen Energiespeichers 12 die Spulen 36 elektrisch in Reihe zu schalten, wobei die Spulen 36 die Induktivität des Gleichspannungswandlers 28 bilden. Durch das in Reihe schalten addieren sich jeweilige einzelne Induktivitäten der jeweiligen Spulen 36 zu einer Gesamtinduktivität. Dadurch kann ein Einbau einer weiteren Induktivität in den Gleichspannungswandler 28 entfallen, was Kosten und Gewicht spart. Durch ein Einsparen des Gewichts kommt es während einer Betriebsdauer des Fahrzeugs zu einer weiteren Kosteneinsparung, da durch das geringere Gewicht weniger Energie beim Fahren des Fahrzeugs verbraucht wird. Außerdem können die Teileanzahl und somit die Kosten, das Gewicht und der Bauraumbedarf gering gehalten werden, da die Spulen 36 sowohl für die elektrische Maschine 16 zum Antreiben des Fahrzeugs als auch für die Ladevorrichtung 10, insbesondere für den Gleichspannungswandler 28, zum Laden des Energiespeichers 12 genutzt werden
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Aus 2 ist erkennbar, dass der Gleichspannungswandler 28 die Spulen 36 der Wicklung 38 sowie einen Wechselrichter 40 umfasst, welcher im ersten Betriebszustand die vom Energiespeicher 12 bereitgestellte Energie in einen Wechselstrom umformt beziehungsweise umrichtet, um damit die elektrische Maschine 16 mit Energie beziehungsweise mit dem Wechselstrom zu versorgen. Ferner weist der Gleichspannungswandler 28 den Eingang 26 für die Eingangsgleichspannung 22 auf. Über den Ausgang 32 des Gleichspannungswandlers 28 kann der Energiespeicher 12 mit dem Ladestrom versorgt werden. Ein Glättungskondensator 42 ist optional und kann den Ladestrom glätten. Außerdem ist ein Maseanschluss 44 vorgesehen.
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Die elektrische Maschine 16 wird beispielsweise mittels eines Drehstroms betrieben. Da der Energiespeicher 12, welcher insbesondere als Batterie ausgebildet ist, eine Gleichspannung bereitstellt, muss zum Betreiben der elektrischen Maschine 16 als Elektromotor die Gleichspannung mittels des Wechselrichters 40, welcher beispielsweise als Pulswechselrichter und dabei beispielsweise als Brücke ausgebildet ist, zu einer Wechselspannung umgerichtet beziehungsweise umgeformt werden. Ein Umrichten in die Wechselspannung kann mittels Schaltelementen 46 des Wechselrichters 40 geschehen. Dazu werden die Schaltelemente 46 beispielsweise von der Steuereinheit 34 geschaltet. Der Wechselrichter 40 arbeitet somit in dem ersten Betriebszustand als Wechselrichter. In dem ersten Betriebszustand und somit in dem Motorbetrieb sind die Spulen 36 der elektrischen Maschine 16 parallel geschaltet. Dabei weist die Spulen 36 aufweisende Wicklung 38 einen Sternpunkt 52 auf, welcher hinter den Spulen 36 liegt, wenn diese von dem Energiespeicher 12 mit Strom beziehungsweise Energie versorgt werden. Die Steuereinheit 34 ist dazu ausgelegt, die Spulen 36, insbesondere im Motorbetrieb beziehungsweise im ersten Betriebszustand, so zu schalten dass die Spulen 36 in einer Sternschaltung und/oder einer Dreieckschaltung verschaltet sind, um die elektrische Maschine 16 mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher 12 zu versorgen.
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Die Steuereinheit 34 kann eine Steuerung beziehungsweise Schaltung beziehungsweise ein Verschalten der Spulen 36 sowie der Schaltelemente 46 übernehmen. Darüber hinaus kann die Ladevorrichtung 10 eine Verschalteinheit 48 aufweisen, welche das Verschalten der Spulen 36 und/oder der Schaltelemente 46 übernimmt, wobei die Verschalteinheit 48 von der Steuereinheit 34 steuerbar beziehungsweise ansteuerbar ist.
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Mittels der Steuereinheit 34 und/oder der Verschalteinheit 48 kann der zweite Betriebszustand, der Ladebetrieb, welcher in 3 dargestellt ist, realisiert werden. Zur Realisierung des zweiten Betriebszustands schaltet die Steuereinheit 34 beziehungsweise die Verschalteinheit 48 die Spulen 36 der Wicklung 38 der elektrischen Maschine 16 in Reihe, um eine möglichst große Gesamtinduktivität zu erhalten, welche sich aus den einzelnen Induktivitäten der einzelnen Spulen 36 zusammensetzt. Ferner fungiert der Wechselrichter 40 nicht mehr als Wechselrichter, sondern wird von der Steuereinheit 34 so geschaltet, dass er den Ladestrom auf den elektrischen Energiespeicher 12 leitet, ohne diesen beispielsweise umzurichten. Der Wechselrichter 40 und die elektrische Maschine 16 beziehungsweise deren Spulen 36 bilden jeweilige Komponenten des Gleichspannungswandlers 28, der nun im Ladebetrieb arbeitet beziehungsweise betreibbar ist. Dabei wandelt der Gleichspannungswandler 28 nun die an seinem Eingang 26 anliegende Eingangsgleichspannung 22 in die Ausgangsgleichspannung 30 um, welche an seinem Ausgang 32 abgreifbar ist.
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Die Eingangsgleichspannung 22 wird dabei von einer nicht zum Fahrzeug gehörenden Stromquelle beziehungsweise Stromnetz bereitgestellt. Je nach Art der Stromquelle kann ein Gleichrichter wie beispielsweise der in 1 gezeigte Gleichrichter 14 verwendet werden, um die Eingangsgleichspannung 22, beispielsweise aus einer Spannung der Stromquelle, zu erzeugen. Der Gleichrichter kann Teil der Ladevorrichtung 10 des Fahrzeugs sein oder Teil beispielsweise der Ladesäule einer Stromtankstelle, wobei die Steuereinheit 34 so ausgebildet sein kann, dass sie den Gleichrichter in beiden Fällen steuert beziehungsweise ansteuert.
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Der elektrische Energiespeicher 12 ist elektrisch mit dem Ausgang 32 des Gleichspannungswandlers verbunden und bezieht über diesen den Ladestrom. Aufgrund der Gesamtinduktivität der in Reihe geschalteten Spulen 36 ist ein besonders vorteilhafter Betrieb des Gleichspannungswandlers 28 möglich. Der Betrieb des Gleichspannungswandlers 28 wird durch die Verwendung des Wechselrichters 40, welcher mittels der Steuereinheit 34 den Stromfluss auf den Energiespeicher 12 steuert, besonders effizient. Durch die Verwendung des Wechselrichters 40, welcher eine ohnehin für den Motorbetrieb vorgesehene Komponente des Fahrzeugs ist, als Komponente des Gleichspannungswandlers 28 kann ein zusätzliches Bauteil, welches die Funktion des Wechselrichters 40 im Ladebetrieb übernehmen müsste, entfallen. Somit kann dieses Bauteil eingespart werden, wodurch auch Kosten und Gewicht eingespart werden.
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Insgesamt kommt sowohl dem Wechselrichter 40 als auch den Spulen 36 eine Doppelfunktion zu. In dem ersten Betriebszustand fungiert der Wechselrichter 40 als Wechselrichter, um die von dem Energiespeicher 12 bereitgestellte Gleichspannung in Wechselspannung für die elektrische Maschine 16 zu wandeln beziehungsweise umzuformen. Ferner fungieren die Spulen 36 in dem ersten Betriebszustand beziehungsweise in dem Motorbetrieb als Spulen der elektrischen Maschine 16, um diese zu betreiben. In dem zweiten Betriebszustand, das heißt in dem Ladebetrieb, bilden die Spulen 36 und der Wechselrichter 40 den Gleichspannungswandler 28 zum Wandeln der Eingangsgleichspannung 22 in die Ausgangsgleichspannung 30. Dabei sind die Spulen 36 in Reihe geschaltet, um eine besonders vorteilhafte Induktivität des Gleichspannungswandlers 28 zu realisieren. Dadurch kann die Verwendung einer zusätzlichen, nur für den Gleichspannungswandler 28 vorgesehenen Induktivität vermieden werden.
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4 zeigt einen schematischen Schaltplan einer Simulationsberechnung zur Bestimmung von Drehmomenten der elektrischen Maschine 16. Die elektrische Maschine 16 kann, insbesondere im Motorbetrieb, beispielsweise mittelbar wenigstens ein Rad des Fahrzeugs antreiben. Im Ladebetrieb wird die elektrische Maschine 16 beziehungsweise ein Teil der elektrischen Maschine 16, insbesondere ihre Spulen 36, als Komponente des Gleichspannungswandlers 28 der Ladevorrichtung 10 eingesetzt. Dadurch wird an der Wicklung 38, welche aus den Spulen 36 gebildet ist, eine Spannung, insbesondere eine Gleichspannung, angelegt. Durch das Anlegen der Spannung kann ein Drehmoment in der elektrischen Maschine erzeugt werden. Mittels der Simulationsberechnung wurde geprüft, ob das Drehmoment im Ladebetrieb so klein ist, dass die elektrische Maschine 16 keinen Schaden nimmt und/oder beispielsweise das wenigstens eine Rad des Fahrzeugs so wenig angetrieben wird, dass sich das Fahrzeug nicht bewegen kann.
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In einer ersten Simulation wurde an einer Spannungsquelle 50 der Schaltung, welche der Schaltplan der 4 zeigt, eine Gleichspannung von 100 V angelegt. Dabei stellte sich ein Drehmoment in Höhe von 0,5 Nm ein, welches in der elektrischen Maschine 16 wirkt. Dieses Drehmoment ist vernachlässigbar, da dies nicht zum Vortrieb des Fahrzeugs ausreichend ist.
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In einer zweiten Simulation wurde an der Spannungsquelle 50 eine Wechselspannung mit einem Scheitelwert von 48 V angelegt. Die elektrischen Maschine 16 konnte in der Simulation einen Strom von 75 A ziehen, dabei stellte sich ein Drehmoment in Höhe von 0,2 Nm ein. Die Ergebnisse der beiden Simulationen zeigen, dass eine Verschaltung der Spulen 36 der elektrischen Maschine 16 in Reihe als Komponente des Gleichspannungswandlers 28 für den Ladenbetreib keine Gefahr für das Fahrzeug oder dessen Umwelt bedeutet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015208747 A1 [0002]
- DE 3204901 A1 [0004]
- JP 2012191813 [0005]
