DE102017212840A1

DE102017212840A1 - Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens einer B6-Brücke

Info

Publication number: DE102017212840A1
Application number: DE102017212840.2A
Authority: DE
Inventors: Taleb Janbein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2019-01-31

Abstract

Inverter-Lader-Schaltungstopologie (100, 200, 500, 600) mit mindestens zwei parallel geschalteten B6-Brücken (120,140, 160), an welche die sechs Phasen mindestens einer elektrischen Maschine (EM_Y) anschliessbar sind. Jeweils drei Phasen (PH_X) der mindestens einen elektrischen Maschine (EM_Y) sind sternförmig verschaltet. Weiter werden zwei Ladeanschlüsse LA_1, LA_2 bereitgestellt, an die eine Ladeenergiequelle anschliessbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens einer B6-Brücke und ein Verfahren zum Betrieb einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie. Ferner betrifft die Erfindung ein Inverterladessystem, einen elektrischen Antriebsstrang mit einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie sowie ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
Stand der Technik
Vollständig oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge, wie zum Beispiel Hybrid- und Elektrofahrzeuge, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Gleichzeitig steigt auch der Wunsch nach höheren Reichweiten und Leistungen der elektrisch angetriebenen Fahrzeuge. In diesem Zusammenhang gewinnt auch die Ladetechnik für Elektrofahrzeuge zunehmend an Bedeutung. Typischerweise werden in heutigen Elektrofahrzeugen konduktive Ladekonzepte eingesetzt, die autarke und räumlich von der Antriebselektronik getrennte Einheiten darstellen. Darüber hinaus sind auch bereits kontaktlose, in der Regel induktive, Ladekonzepte bekannt. Diese Ladekonzepte werden typischerweise ebenfalls als Stand-Alone-Systeme realisiert.
Aufgrund wachsender Batteriekapazitäten und dem Streben nach immer kürzeren Ladezeiten ist es wünschenswert, dass die übertragene Energiemenge pro Zeiteinheit im Ladebetrieb sich der im Fahrbetrieb entnommenen Energiemenge aus der Traktionsbatterie annähert, oder diese sogar übersteigt. Dabei müssen die bei dem Ladevorgang beteiligten Bauteile für entsprechend große Ströme ausgelegt werden. Das Aufladen der elektrischen Energiespeicher in einem Elektrofahrzeug erfolgt dabei in der Regel mittels der durch ein Wechselspannungsnetz bereitgestellten elektrischen Energie.
Aus der WO 2016 / 050392 A1 ist eine kostengünstige und effiziente Ladeschaltung für einen elektrischen Energiespeicher zum Aufladen bekannt, wobei für das Aufladen und Entladen des elektrischen Energiespeichers werden gemeinsame Bauteile eingesetzt. Auf diese Weise wird eine flexible Schaltungsanordnung mit einer geringen Anzahl von Bauelementen ermöglicht.
Weiter besteht Bedarf für effiziente Ladeschaltungen für elektrische Systeme zur Speisung von Verbrauchern, beispielsweise elektrische Maschinen, welche drei oder mehr als drei elektrische Phasen aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Im Folgenden wird eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens einer B6-Brücke beschrieben, mit der es möglich ist, einerseits eine Batterie zu laden und andererseits mindestens eine elektrische Maschine zu betreiben. Insbesondere kann in einem Rückspeisemodus Energie aus der Batterie zurück in eine Ladeenergiequelle zurückgespeist werden oder eine andere Batterie geladen werden. Die hierzu anzuschließende mindestens eine elektrische Maschine ist entweder als eine mindestens dreiphasige Maschine mit mindestens einem sternförmig verschalteten System ausgeführt oder als eine sechsphasige Maschine ausgeführt mit jeweils mindestens zwei dreiphasigen sternförmig verschalteten Systemen oder als mindestens zwei dreiphasige sternförmig verschaltete Maschinen ausgeführt. Die mindestens zwei dreiphasigen Maschinen können beispielsweise in separaten Gehäusen oder in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann folglich an Stelle einer sechsphasigen Maschine beispielsweise eine neunphasige elektrische Maschine mit drei Sternpunkten eingesetzt werden, wobei dann eine entsprechend angepasste Inverter-Lader-Schaltungstopologie zu verwenden ist. Die neunphasige elektrische Maschine kann wiederum durch drei dreiphasige Maschinen, die in einem gemeinsamen oder separaten Gehäusen angeordnet sein können, ersetzt werden.
Es wird eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens einer ersten B6-Brücke bereitgestellt. Eine B6-Brücke umfasst mindestens drei parallelgeschaltete Halbbrücken. Eine Halbbrücke umfasst eine Reihenschaltung zweier Schaltelemente. Die Reihenschaltung der zwei Schaltelemente ist zwischen einen ersten Potentialanschluss und einen zweiten Potentialanschluss geschaltet. Weiter umfasst die Halbbrücke einen Mittenanschluss zwischen den zwei Schaltelementen zum Anschluss einer Phase einer elektrischen Maschine. Jeweils drei Phasen der mindestens einen elektrischen Maschine sind sternförmig verschaltet. Mindestens eine der drei Phasen umfasst zwischen dem Mittenanschluss und einer Phase der elektrischen Maschine einen ersten Ladeanschluss. Der erste und der zweite Potentialanschluss sind zum Anschluss der Batteriepole einer Batterie eingerichtet. Und der erste Ladeanschluss ist zum Anschluss eines ersten Anschlusspotentials einer Ladeenergiequelle eingerichtet.
Somit wird eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens einer ersten B6-Brücken bereitgestellt. Insbesondere umfasst die Inverter-Lader-Schaltungstopologie mindestens den ersten Ladeanschluss. Der mindestens erste Ladeanschluss bildet mindestens einen Anschlusspunkt für die anschließbare Ladeenergiequelle aus und stellt über die anschließbare elektrische Maschine die elektrische Verbindung über die B6-Brücke zu der anzuschließenden Batterie her. Für den Betrieb von dreiphasigen elektrischen Maschinen ist der Einsatz einer B6-Brücke zum Bestromen der drei Phasen der elektrischen Maschine bekannt. Hierzu umfasst eine B6-Brücke mindestens drei parallelgeschaltete Halbbrücken. Diese Halbbrücken umfassen je eine Reihenschaltung zweier Schaltelemente. Jede Reihenschaltung der zwei Schaltelemente ist einerseits mit einem ersten Potentialanschluss und andererseits mit einem zweiten Potentialanschluss elektrisch verbunden. Die Reihenschaltungen sind somit parallel geschaltet. Jede Halbbrücke umfasst einen Mittenanschluss zwischen den zwei Schaltelementen der Reihenschaltung zum Anschluss einer Phase einer elektrischen Maschine. Es ergeben sich somit mindestens drei Mittenanschlüsse zum Anschluss je einer Phase mindestens einer anzuschließenden elektrischen Maschine. Je nach Schalterstellung der zwei Schaltelemente kann somit der Mittenanschluss wahlweise mit dem ersten Potentialanschluss oder mit dem zweiten Potentialanschluss verbunden werden. So kann ein Stromfluss durch eine an den Mittenanschluss angeschlossene Phase einer elektrischen Maschine ermöglicht werden.
Jeweils drei Phasen der mindestens einen anzuschließenden elektrischen Maschine sind sternförmig verschaltet. Mindestens an einer der drei Phasen ist zwischen dem Mittenanschluss und einer Phase der elektrischen Maschine ein erster Ladeanschluss vorgesehen.. Dieser erste Ladeanschluss ist derart ausgestaltet und/ oder aus der elektrischen Maschine oder dem Inverter-Lader herausgeführt, dass eine Kontaktierung oder elektrische Verbindung mit einem Anschlusspotential einer Ladeenergiequelle ermöglicht wird. Der erste und der zweite Potentialanschluss sind zum Anschluss der Batteriepole einer Batterie eingerichtet. Und der mindestens erste Ladeanschluss ist zum Anschluss einer Ladeenergiequelle eingerichtet. Sowohl der mindestens erste Ladeanschluss als auch die Potentialanschlüsse sind insbesondere derart ausgestaltet, beispielsweise innerhalb oder außerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine oder des Inverter-Laders oder eines gemeinsamen Gehäuses, sodass eine elektrische Verbindung zur Ladeenergiequelle oder Batterie mittels bekannter Stecker oder anderer Verbindungsmittel möglich ist. Vorteilhaft wird eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens einer B6-Brücke bereitgestellt, die den Anschluss einer Batterie und den Anschluss und Betrieb mindestens einer elektrischen Maschine mit mindestens einer dreiphasigen Wicklung ermöglicht und den Anschluss einer Ladeenergiequelle und das Laden mittels der Ladeenergiequelle ermöglicht. Vorteilhaft wird eine besonders einfache, robuste Topologie bereitgestellt, die ein Laden der Batterie mit wenig zusätzlichen beziehungsweise modifizierten Teilen und entsprechend wenig zusätzlich benötigtem Bauraum ermöglicht.
Insbesondere ist wenigstens ein Schaltelement z. B. ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated-Gate Bipolar-Transistor (IGBT)) oder ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOS-FET)). IGBTs sowie auch MOSFETs sind Leistungselektronikbauteile, die auch hohe Ströme von mehreren Ampere zuverlässig schalten können.
Insbesondere ist die elektrische Maschine ein elektrischer Traktionsmotor. Elektrische Traktionsmotoren werden als Antriebsaggregate in Fahrzeugen eingesetzt. Es kann auch eine Kombination aus Traktionsmotoren und anderen elektrischen Maschinen wie Generatoren, Lichtmaschinen, Anlassern und der gleichen zum Einsatz kommen.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der der erste Ladeanschluss ein erstes Ladeschaltelement. Das erste Ladeschaltelement verbindet elektrisch in einem ersten Schaltzustand den Mittenanschluss mit der Phase der elektrischen Maschine und trennt das erste Anschlusspotentials der Ladeenergiequelle von der Inverter-Lader-Schaltungstopologie. In einem zweiten Schaltzustand verbindet das erste Ladeschaltelement das erste Anschlusspotentials der Ladeenergiequelle mit der Phase der elektrischen Maschine elektrisch und trennt den Mittenanschluss von der Phase der elektrischen Maschine.
Der erste Ladeanschluss umfasst ein erstes Ladeschaltelement. Das Ladeschaltelement umfasst einen Schalter mit zwei Schaltzuständen, beispielsweise ein Relais. In einem ersten Schaltzustand wird der Mittenanschluss der Halbbrücke mit einer Phase der elektrischen Maschine elektrische verbunden und eine an den Ladeanschluss angeschlossene Ladeenergiequelle von der Halbbrücke und der Phase der elektrischen Maschine getrennt. Ein Stromfluss aus der B6-Brücke oder der elektrischen Maschine zu oder von der Ladeenergiequelle ist nicht möglich. In einem zweiten Schaltzustand wird das erste Anschlusspotentials der Ladeenergiequelle mit der Phase der elektrischen Maschine elektrisch verbunden und die Verbindung zwischen dem Mittenanschluss und der Phase der elektrischen Maschine wird aufgetrennt. Somit wird ein Stromfluss aus der Ladeenergiequelle durch die drei Phasen der elektrischen Maschine ermöglicht. Vorteilhaft wird eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens einer B6-Brücke bereitgestellt, die den Anschluss einer Batterie und den Anschluss und Betrieb mindestens einer elektrischen Maschine mit mindestens einer dreiphasigen Wicklung ermöglicht und den Anschluss einer Ladeenergiequelle und das Laden mittels der Ladeenergiequelle ermöglicht.
In einer anderen Ausgestaltung ist der der ersten B6-Brücke eine zweite B6-Brücke parallelgeschaltet. Die zweite B6-Brücke umfasst mindestens drei parallelgeschaltete Halbbrücken. Eine Halbbrücke umfasst eine Reihenschaltung zweier Schaltelemente. Die Reihenschaltung der zwei Schaltelemente ist zwischen den ersten Potentialanschluss und den zweiten Potentialanschluss geschaltet. Die Halbbrücke umfasst einen Mittenanschluss zwischen den zwei Schaltelementen zum Anschluss einer Phase einer elektrischen Maschine. Die drei Phasen der mindestens einen elektrischen Maschine sind sternförmig verschaltet.
Es wird eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie bereitgestellt, die zwei parallel geschaltete B6-Brücken umfasst. Der Schaltungsaufbau der zweiten B6 Brücke entspricht dem der ersten B6-Brücke. Die drei Mittenanschlüsse der drei Halbbrücken sind ebenfalls zum Anschluss eines sternförmig verschalteten dreiphasigen Systems einer elektrischen Maschine ausgestaltet. Vorteilhaft wird eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens zwei parallel geschalteten B6-Brücken bereitgestellt, die den Anschluss einer Batterie und den Anschluss und Betrieb mindestens einer elektrischen Maschine mit zwei dreiphasigen Wicklungen oder mindestens zweier dreiphasiger elektrischen Maschinen ermöglicht und den Anschluss einer Ladeenergiequelle und das Laden mittels der Ladeenergiequelle ermöglicht. Vorteilhaft wird eine besonders einfache, robuste Topologie bereitgestellt, die ein Laden der Batterie mit wenig zusätzlichen beziehungsweise modifizierten Teilen und entsprechend wenig zusätzlich benötigtem Bauraum ermöglicht.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Potentialanschluss zum Anschluss eines zweiten Anschlusspotentials der Ladeenergiequelle eingerichtet.
Der zweite Potentialanschluss der mindestens einen B6-Brücke ist zum Anschluss eines zweiten Anschlusspotentials der anzuschließenden Ladeenergiequelle eingerichtet. Der zweite Potentialanschluss bildet mindestens einen zweiten Anschlusspunkt für die anschließbare Ladeenergiequelle aus und stellt über die anschließbare elektrische Maschine die elektrische Verbindung über die B6-Brücke zu der anzuschließenden Batterie her. Dieser zweite Potentialanschluss ist derart ausgestaltet und/ oder aus der elektrischen Maschine oder dem Inverter-Lader herausgeführt, dass eine Kontaktierung oder elektrische Verbindung mit einem Anschlusspotential einer Ladeenergiequelle ermöglicht wird. Der zweite Ladeanschluss ist insbesondere derart ausgestaltet, beispielsweise innerhalb oder außerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine oder des Inverter-Laders oder eines gemeinsamen Gehäuses, sodass eine elektrische Verbindung zur Ladeenergiequelle mittels bekannter Stecker oder anderer Verbindungsmittel möglich ist. Vorteilhaft wird eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens einer B6-Brücke bereitgestellt, die den Anschluss einer Batterie und den Anschluss und Betrieb mindestens einer elektrischen Maschine mit mindestens einer dreiphasigen Wicklung ermöglicht und den Anschluss einer Ladeenergiequelle und das Laden mittels der Ladeenergiequelle ermöglicht. Vorteilhaft wird eine besonders einfache, robuste Topologie bereitgestellt, die ein Laden der Batterie mit wenig zusätzlichen beziehungsweise modifizierten Teilen und entsprechend wenig zusätzlich benötigtem Bauraum ermöglicht.
In einer anderen Ausgestaltung ist der Sternpunkt der an die zweite B6-Brücke anschließbaren elektrischen Maschine als ein Sternpunktanschluss ausgebildet zum Anschluss eines zweiten Anschlusspotentials der Ladeenergiequelle.
Die zweite B6-Brücke ist zum Anschluss einer elektrischen Maschine, deren Phasen sternförmig verschaltet sind. Der sich dabei ausbildende Sternpunkt ist als ein Sternpunktanschluss ausgebildet zum Anschluss eines zweiten Anschlusspotentials der Ladeenergiequelle eingerichtet. Der Sternpunktanschluss bildet mindestens einen zweiten Anschlusspunkt für die anschließbare Ladeenergiequelle aus und stellt über die anschließbare elektrische Maschine die elektrische Verbindung über die B6-Brücke zu der anzuschließenden Batterie her. Dieser Sternpunktanschluss ist derart ausgestaltet und/ oder aus der elektrischen Maschine oder dem Inverter-Lader herausgeführt, dass eine Kontaktierung oder elektrische Verbindung mit einem Anschlusspotential einer Ladeenergiequelle ermöglicht wird. Der zweite Ladeanschluss ist insbesondere derart ausgestaltet, beispielsweise innerhalb oder außerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine oder des Inverter-Laders oder eines gemeinsamen Gehäuses, sodass eine elektrische Verbindung zur Ladeenergiequelle mittels bekannter Stecker oder anderer Verbindungsmittel möglich ist. Vorteilhaft wird eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens einer B6-Brücke bereitgestellt, die den Anschluss einer Batterie und den Anschluss und Betrieb mindestens einer elektrischen Maschine mit mindestens einer dreiphasigen Wicklung ermöglicht und den Anschluss einer Ladeenergiequelle und das Laden mittels der Ladeenergiequelle ermöglicht. Vorteilhaft wird eine besonders einfache, robuste Topologie bereitgestellt, die ein Laden der Batterie mit wenig zusätzlichen beziehungsweise modifizierten Teilen und entsprechend wenig zusätzlich benötigtem Bauraum ermöglicht.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens an einer der drei Phasen der zweiten B6-Brücke zwischen dem Mittenanschluss und einer Phase der elektrischen Maschine ein zweites Ladeschaltelement angeordnet, wobei das zweite Ladeschaltelement in einem ersten Schaltzustand den Mittenanschluss mit der Phase der elektrischen Maschine elektrisch verbindet und das zweite Anschlusspotential der Ladeenergiequelle von der Inverter-Lader-Schaltungstopologie trennt und in einem zweiten Schaltzustand das zweite Anschlusspotential der Ladeenergiequelle mit der Phase der elektrischen Maschine elektrisch verbindet und den Mittenanschluss von der Phase der elektrischen Maschine elektrisch trennt.
Mindestens an einer der drei Phasen der zweiten B6-Brücke ist zwischen dem Mittenanschluss und einer Phase der elektrischen Maschine ein zweites Ladeschaltelement angeordnet. Das Ladeschaltelement umfasst einen Schalter mit zwei Schaltzuständen, beispielsweise ein Relais. In einem ersten Schaltzustand wird der Mittenanschluss der Halbbrücke mit einer Phase der elektrischen Maschine elektrisch verbunden und eine angeschlossene Ladeenergiequelle von der Halbbrücke und der Phase der elektrischen Maschine getrennt. Ein Stromfluss aus der B6-Brücke oder der elektrischen Maschine zu oder von der Ladeenergiequelle ist nicht möglich. In einem zweiten Schaltzustand wird das erste Anschlusspotentials der Ladeenergiequelle mit der Phase der elektrischen Maschine elektrisch verbunden und die Verbindung zwischen dem Mittenanschluss und der Phase der elektrischen Maschine wird aufgetrennt. Somit wird ein Stromfluss aus der Ladeenergiequelle durch die drei Phasen der elektrischen Maschine ermöglicht. Vorteilhaft wird eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens zwei B6-Brücken bereitgestellt, die den Anschluss einer Batterie und den Anschluss und Betrieb mindestens einer elektrischen Maschine mit mindestens einer dreiphasigen Wicklung ermöglicht und den Anschluss einer Ladeenergiequelle und das Laden mittels der Ladeenergiequelle ermöglicht.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Inverter-Lader-Schaltungstopologie zum Anschluss einer zweiphasigen Ladeenergiequelle eingerichtet.
Die Inverter-Lader-Schaltungstopologie ist bevorzugt zum Anschluss einer zweiphasigen Ladeenergiequelle eingerichtet. Bei einer, insbesondere anzuschließenden, zweiphasigen Ladeenergiequelle ist ein direkter Anschluss je einer Phase der Ladeenergiequelle an den mindestens ersten und zweiten Ladeanschluss, Sternpunktanschluss oder zweiten Potentialanschluss möglich. Aufgrund der sich im Strompfad zwischen Ladeenergiequelle und Batterie befindlichen Induktivitäten oder Wicklungen der elektrischen Maschine besteht die Möglichkeit mittels angepasstem Taktverhältnis der Betätigung der Schaltelemente der Halbbrücken die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie hochzusetzen. Vorteilhaft wird eine Topologie für einen einfachen Betrieb der Inverter-Lader-Schaltungstopologie bereitgestellt, wobei ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie ermöglicht wird.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Inverter-Lader-Schaltungstopologie zum Anschluss einer Gleichstrom-Ladeenergiequelle eingerichtet.
Die Inverter-Lader-Schaltungstopologie ist bevorzugt zum Anschluss einer Gleichstrom-Ladeenergiequelle eingerichtet. Bei einer, insbesondere anzuschließenden, Gleichstrom-Ladeenergiequelle ist ein direkter Anschluss je einer Phase der Ladeenergiequelle an den mindestens ersten und zweiten Ladeanschluss, Sternpunktanschluss oder zweiten Potentialanschluss möglich. So ist ein direkter Anschluss je einer Phase der Ladeenergiequelle an den mindestens ersten und zweiten Ladeanschluss, Sternpunktanschluss oder zweiten Potentialanschluss möglich. Aufgrund der sich im Strompfad zwischen Ladeenergiequelle und Batterie befindlichen Induktivitäten oder Wicklungen der elektrischen Maschine besteht die Möglichkeit mittels angepasstem Taktverhältnis der Betätigung der Schaltelemente der Halbbrücken die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie hochzusetzen. Vorteilhaft wird eine Topologie für einen einfachen Betrieb der Inverter-Lader-Schaltungstopologie bereitgestellt, wobei ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie ermöglicht wird.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen die anzuschließende Ladeenergiequelle und den ersten und den zweiten Ladeanschluss, Sternpunktanschluss oder zweiten Potentialanschluss ein Tiefsetzsteller geschaltet.
Zwischen die, insbesondere anzuschließende, Ladeenergiequelle und den ersten und den zweiten Ladeanschluss, Sternpunktanschluss oder zweiten Potentialanschluss ist bevorzugt ein Tiefsetzsteller geschaltet. Ein Tiefsetzsteller besteht aus einem ansteuerbaren Schaltelement, welches einerseits an den ersten Ladeanschluss, Sternpunktanschluss oder zweiten Potentialanschluss angeschlossen ist und andererseits als Anschlusskontakt zum Anschluss eines ersten Anschlusses der Ladeenergiequelle eingerichtet ist. Weiter umfasst der Tiefsetzsteller eine Diode, welche einerseits mit dem ersten Ladeanschluss, Sternpunktanschluss oder zweiten Potentialanschluss und andererseits mit dem zweiten Ladeanschluss, Sternpunktanschluss oder zweiten Potentialanschluss verbunden ist. Die anzuschließende Ladeenergiequelle wird einerseits über den Anschlusskontakt mit dem ansteuerbaren Schaltelement und andererseits über den zweiten Ladeanschluss, Sternpunktanschluss oder zweiten Potentialanschluss mit der Inverter-Lader-Schaltungstopologie verbunden. Die Diode ist derart ausgerichtet, dass die Diode bei geschlossenem ansteuerbaren Schaltelement den Strom vom dem ersten zum zweiten Anschluss der Ladeenergiequelle sperrt. Durch Ansteuern des ansteuerbaren Schaltelementes mit angepasstem Taktverhältnis wird die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie tiefgesetzt. Vorteilhaft wird eine ergänzende Topologie für einen einfachen Betrieb der Inverter-Lader-Schaltungstopologie bereitgestellt, wobei ein Tiefsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie ermöglicht wird.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Inverter-Lader-Schaltungstopologie zum Anschluss einer dreiphasigen Ladeenergiequelle eingerichtet.
Bei der Verwendung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit drei parallel geschalteten B6-Brücken wird neben dem ersten und dem zweiten Ladeanschluss, Sternpunktanschluss oder zweiten Potentialanschluss ein dritter Ladeanschluss oder Sternpunktanschluss ausgebildet. Die, insbesondere anzuschließende, Ladeenergiequelle ist bevorzugt dreiphasig. So ist ein direkter Anschluss je einer Phase der Ladeenergiequelle an den mindestens ersten und zweiten und dritten Ladeanschluss, Sternpunktanschluss oder zweiten Potentialanschluss möglich. Aufgrund der sich im Strompfad zwischen Ladeenergiequelle und Batterie befindlichen Induktivitäten oder Wicklungen der elektrischen Maschine besteht die Möglichkeit mittels angepasstem Taktverhältnis der Betätigung der Schaltelemente der Halbbrücken die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie hochzusetzen. Vorteilhaft wird eine Möglichkeit für einen einfachen Betrieb der Inverter-Lader-Schaltungstopologie bereitgestellt, wobei ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie ermöglicht wird.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Inverter-Lader-Schaltungstopologie zum Anschluss einer Wechselstrom-Ladeenergiequelle eingerichtet.
Die Inverter-Lader-Schaltungstopologie ist bevorzugt zum Anschluss einer Wechselstrom-Ladeenergiequelle eingerichtet. Bei einer, insbesondere anzuschließenden, Wechselstrom-Ladeenergiequelle ist ein direkter Anschluss je einer Phase der Ladeenergiequelle an den mindestens ersten und zweiten Ladeanschluss, Sternpunktanschluss oder zweiten Potentialanschluss, beziehungsweise dritten Ladeanschluss oder Sternpunktanschluss möglich. Aufgrund der sich im Strompfad zwischen Ladeenergiequelle und Batterie befindlichen Induktivitäten oder Wicklungen der elektrischen Maschine besteht die Möglichkeit mittels angepasstem Taktverhältnis der Betätigung der Schaltelemente der Halbbrücken die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie hochzusetzen. Vorteilhaft wird eine Möglichkeit für einen einfachen Betrieb der Inverter-Lader-Schaltungstopologie bereitgestellt, wobei ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie ermöglicht wird.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen die anzuschließende Ladeenergiequelle und die Ladeanschlüsse, Sternpunktanschlüsse oder den zweiten Potentialanschluss ein gepulster Gleichrichter geschaltet.
Zwischen die, insbesondere anzuschließende, Ladeenergiequelle und den ersten und den zweiten Ladeanschluss, Sternpunktanschluss oder zweiten Potentialanschluss ist bevorzugt ein zwei- oder dreiphasiger gepulster Gleichrichter geschaltet, je nachdem ob eine zweiphasige oder dreiphasige Wechselstrom-Ladeenergiequelle angeschlossen wird. Ein gepulster Gleichrichter besteht je Phase der anzuschließenden Ladeenergiequelle aus einer Reihenschaltung einer ersten Diode, eines ersten Schaltelementes, einem Mittenabgriff zum Anschluss einer Phase der Ladeenergiequelle, einer zweiten Diode und eines zweiten Schaltelementes. Die Reihenschaltungen und eine weitere Diode werden parallel geschaltet. Die Diode und die parallel geschalteten Reihenschaltungen sind einerseits mit dem ersten und andererseits mit dem zweiten Ladeanschluss, Sternpunktanschluss oder zweiten Potentialanschluss verbunden. Die Dioden sind alle derart ausgerichtet, dass sie, auch bei geschlossenen Schaltelementen des gepulsten Gleichrichters, einen Strom von dem ersten Ladeanschluss oder Sternpunktanschluss zum zweiten Ladeanschluss, Sternpunktanschluss oder zweiten Potentialanschluss sperren. Bei angeschlossener Ladeenergiequelle wird durch Ansteuern der Schaltelemente des gepulsten Gleichrichters mit angepasstem Taktverhältnis die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie tiefgesetzt. Vorteilhaft wird eine ergänzende Topologie für einen einfachen Betrieb der Inverter-Lader-Schaltungstopologie bereitgestellt, wobei ein Tiefsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie ermöglicht wird.
Ferner betrifft die Erfindung ein Inverterladesystem mit einer wie bisher beschriebenen Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit einer angeschlossenen Batterie und/ oder einer Ladeenergiequelle.
Es wird ein Inverterladesystem bereitgestellt, welches eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit einer angeschlossenen Batterie und/ oder einer Ladeenergiequelle umfasst. Vorteilhaft wird ein System bereitgestellt, welches das Laden einer Batterie und das Betreiben einer anzuschließenden elektrischen Maschine ermöglicht.
Ferner betrifft die Erfindung einen elektrischen Antriebsstrang mit einer wie bisher beschriebenen Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens einer angeschlossenen elektrischen Maschine, einer angeschlossenen Batterie und/ oder einer Ladeenergiequelle.
Es wird ein elektrischer Antriebsstrang bereitgestellt, welcher eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens einer angeschlossenen elektrischen Maschine, einer angeschlossenen Batterie und/ oder einer Ladeenergiequelle umfasst. Vorteilhaft wird ein elektrischer Antriebsstrang System bereitgestellt, welcher das Laden einer Batterie und das Betreiben einer elektrischen Maschine ermöglicht.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten: Ansteuern der Schaltelemente der Halbbrücken für den Betrieb einer angeschlossenen Maschine; Ansteuern der Schaltelemente der Halbbrücken für das Laden einer angeschlossenen Batterie. Bei der Ansteuerung der Schaltelemente der Halbbrücken für das Laden der angeschlossenen Batterie wird die Spannung der Ladeenergiequelle in Abhängigkeit der für das Laden der Batterie benötigten Spannung hochgesetzt.
Es wird ein Verfahren bereitgestellt für den Betrieb einer wie bisher beschriebenen Inverter-Lader-Schaltungstopologie. Dabei werden die Schaltelemente derart angesteuert, dass eine elektrische Energie einer angeschlossenen Batterie für den Betrieb der elektrischen Maschine zu der elektrischen Maschine transportiert wird. Weiter werden die Schaltelemente derart angesteuert, dass eine elektrische Energie einer Ladeenergiequelle zu der Batterie transportiert wird. Dabei werden die Schaltelemente so angesteuert, dass die Spannung der Ladeenergiequelle in Abhängigkeit der für das Laden der Batterie benötigten Spannung hochgesetzt wird. Insbesondere wird die Spannung der Ladeenergiequelle in Abhängigkeit der für das Laden der Batterie benötigten Spannung tiefgesetzt falls entsprechende Topologien vorhanden sind, die ein Tiefsetzen ermöglichen, beispielsweise ein Tiefsetzsteller oder ein gepulster Gleichrichter. Insbesondere werden bei der Ansteuerung der Schaltelemente der Halbbrücken für das Laden der angeschlossenen Batterie in Abhängigkeit der für das Laden der Batterie benötigten elektrischen Energie die Phasenlage der Ladeströme berücksichtigt und mittels gezielter Beeinflussung der Ansteuerung die Rückwirkungen in Richtung der Ladeenergiequelle minimiert. Insbesondere ein Netzfilter oder entsprechende PFC-Einrichtungen zur Power Factor Correction werden folglich nicht benötigt. Vorteilhaft wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie bereitgestellt.
Insbesondere zum Laden der Batterie mittels einer Ladeenergiequelle, können die Low-Side-Schalter, also die Schaltelemente SL_X, in einem Aussetzmodus (interleave mode) oder einem Gleichschaltmodus (simultane mode) betrieben werden. Nachfolgend wird das Schalten der Low-Side-Schalter der ersten B6-Brücke erläutert, die mit dem ersten Anschluss der Ladeenergiequelle verbunden ist, wobei nachfolgend angenommen ist, dass an dem ersten Anschluss der Ladeenergiequelle eine positive Spannung anliegt. Im Falle einer Wechselstromquelle muss die Schaltung der Low-Side-Schalter beim Wechsel des Vorzeichens der anliegenden Spannung dementsprechend wie zuvor bei der jeweils anderen B6-Brücke erfolgen. Im Aussetzmodus (interleave mode) ist zu einer Zeit immer nur ein Low-Side-Schalter geschlossen, sie werden zeitlich nacheinander in den geschlossenen Zustand versetzt. So wird jeder Schalter mit einem Drittel der Schaltfrequenz und entsprechend mit einem maximalen Drittel Tastverhältnis (duty cycle) angesteuert. Im Gleichschaltmodus werden alle drei Low-Side-Schalter, die mit dem ersten Anschluss der Ladeenergiequelle verbunden sind, gleichzeitig geschlossen und gleichzeitig geöffnet. Somit fließt ein Strom in der technischen Stromrichtung über alle High-Side-Schalter, also die Schaltelemente SH_X, welche mit dem ersten Anschluss der Ladeenergiequelle verbunden sind, immer dann, wenn die Low-Side-Schalter geschlossen sind. Im Gleichschaltmodus wird die Batterie daher mit einem gepulsten Ladestrom über die High-Side-Schalter aufgeladen, wobei die Stromstärke zwischen Null Ampere und einem Maximalwert springt. Die Spannung der Batterie steigt dabei nicht gleichmäßig, sondern nur bei jedem Strompuls an. Im Aussetzmodus wird die Batterie mit einem gleichmäßigeren Ladestrom über die High-Side-Schalter aufgeladen, wobei die Stromstärke unter bestimmten Bedingungen nicht auf Null Ampere abfällt. Die Spannung der Batterie steigt dabei gleichmäßiger an.
Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das eingerichtet ist, das beschriebene Verfahren auszuführen.
Ferner betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.
Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Inverter-Lader-Schaltungstopologie entsprechend auf das Verfahren bzw. das Inverterladesystem oder den Antriebsstrang und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind. Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit zwei parallel geschalteten B6-Brücken
2 eine alternative schematische Darstellung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit zwei parallel geschalteten B6 Brücken
3 eine alternative schematische Darstellung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit zwei parallel geschalteten B6 Brücken
4 eine schematische Darstellung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit drei parallel geschalteten B6-Brücken
5 eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Ladeenergiequelle
6 eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Gleichstrom-Ladeenergiequelle,
7 eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Gleichstrom-Ladeenergiequelle mit einem an die Inverter-Lader-Schaltungstopologie angeschlossenen Tiefsetzsteller,
8 eine schematische Darstellung einer anschließbaren dreiphasigen Ladeenergiequelle
9 eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Wechselstrom-Ladeenergiequelle,
10 eine schematische Darstellung einer anschließbaren dreiphasigen Gleichstrom-Ladeenergiequelle mit einem an die Inverter-Lader-Schaltungstopologie angeschlossenen gepulsten Gleichrichter
11 eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Gleichstrom-Ladeenergiequelle mit einem an die Inverter-Lader-Schaltungstopologie angeschlossenen gepulsten Gleichrichter
12 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie

Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie 100 mit zwei parallel geschalteten B6-Brücken 120, 140. Jede der B6-Brücken 120, 140 umfasst jeweils mindestens drei parallelgeschaltete Halbbrücken H_1..H_3 bzw. H_4..H_6. Jede Halbbrücke H_1..H_6 besteht aus einer Reihenschalung zweier Schaltelemente SH_1..SH_6 und SL_1..SL_6, wobei zwischen den Schaltelementen jeweils ein Mittenanschluss MA_1..MA_6 angeordnet ist. Die Schaltelemente SH_X ermöglichen im geschlossenen Zustand eine elektrische Verbindung eines Mittenanschlusses MA_X mit einem ersten Potentialanschluss POA1 und die Schaltelemente SL_X ermöglichen im geschlossenen Zustand eine elektrische Verbindung eines Mittenanschlusses MA_X mit einem zweiten Potentialanschluss POA2. Der erste und zweite Potentialanschluss POA1 und POA2 sind derart ausgestaltet, dass eine Batterie 150 daran angeschlossen werden kann. Parallel kann zu der Batterie ein Zwischenkreiskondensator 170 vorgesehen sein, der beim elektrisch belasteten Betrieb der Schaltelemente entstehende Spannungs- und Stromrippel dämpft. Die drei Mittenanschlüsse MA_1..MA_3 beziehungsweise MA_4..MA_6 sind derart ausgestaltet, dass jeweils drei Phasen PH_1..PH_3, PH_4..PH_6 der mindestens einen elektrischen Maschine EM_1, EM_2 daran angeschlossen werden können. Die Wicklungen IN_1..IN_3, IN_4..IN_6 der mindestens einen elektrischen Maschine EM_1, EM_2 sind sternförmig verschaltet. Mindestens an einer der drei Phasen PH_X ist zwischen dem Mittenanschluss MA_X und einer Phase PH_X der elektrischen Maschine EM_Y ein Ladeanschluss LA_X vorgesehen. Die resultierenden Ladeanschlüsse LA_1 und LA_2 sind derart ausgestaltet, dass eine Ladeenergiequelle daran angeschlossen werden kann. Mittels der Inverter-Lader-Schaltungstopologie 100 ist bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X sowohl ein Betrieb einer angeschlossenen elektrischen Maschine EM_1, EM_2 als auch ein Laden der angeschlossenen Batterie 150 aus einer angeschlossenen Ladeenergiequelle möglich. Auch ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle ist aufgrund der sich im Strompfad zwischen der Ladeenergiequelle und der Batterie 150 befindlichen Induktivitäten IN_X bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X möglich.
2 zeigt eine alternative Inverter-Lader-Schaltungstopologie 100 mit zwei parallel geschalteten B6-Brücken 120, 140, deren Aufbau dem aus 1 weitgehend entspricht. Eine der drei Phasen PH_X der ersten B6-Brücke 120 umfasst zwischen dem Mittenanschluss MA_X und einer Phase PH_X der elektrischen Maschine EM_Y ein Ladeschaltelement RL_X oder Relais. Das Ladeschaltelement RL_X verbindet elektrisch in einem ersten Schaltzustand den Mittenanschluss MA_X mit der Phase PH_X der elektrischen Maschine EM_Y und in einem zweiten Schaltzustand einen Ladeanschluss LA_X mit der Phase PH_X der elektrischen Maschine. Der resultierende Ladeanschluss LA_1 ist derart ausgestaltet, dass ein erstes Anschlusspotential LEAP_1 der anzuschließenden Ladeenergiequelle daran angeschlossen werden kann. Die Wicklungen IN_1..IN_3, IN_4..IN_6 der elektrischen Maschinen EM_1, EM_2 sind sternförmig verschaltet Der Sternpunkt SPA_2 der zweiten B6-Brücke ist derart ausgestaltet, dass ein zweites Anschlusspotential LEAP_2 der anzuschließenden Ladeenergiequelle daran angeschlossen werden kann. Mittels der Inverter-Lader-Schaltungstopologie 100 ist bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X sowohl ein Betrieb einer angeschlossenen elektrischen Maschine EM_1, EM_2 als auch ein Laden der angeschlossenen Batterie 150 aus einer angeschlossenen Ladeenergiequelle möglich. Auch ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle ist aufgrund der sich im Strompfad zwischen der Ladeenergiequelle und der Batterie 150 befindlichen Induktivitäten IN_X bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X möglich.
3 zeigt eine alternative Inverter-Lader-Schaltungstopologie 100 mit zwei parallel geschalteten B6-Brücken 120, 140, deren Aufbau dem aus 2 weitgehend entspricht. Der zweite Potentialanschluss POA2 der mindestens einen B6-Brücke ist als Ladepotentialanschluss LPOA2 derart ausgestaltet, dass ein zweites Anschlusspotential LEAP_2 der anzuschließenden Ladeenergiequelle daran angeschlossen werden kann. Mittels der Inverter-Lader-Schaltungstopologie 100 ist bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X sowohl ein Betrieb einer angeschlossenen elektrischen Maschine EM_1, EM_2 als auch ein Laden der angeschlossenen Batterie 150 aus einer angeschlossenen Ladeenergiequelle möglich. Auch ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle ist aufgrund der sich im Strompfad zwischen der Ladeenergiequelle und der Batterie 150 befindlichen Induktivitäten IN_X bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X möglich.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie 200 mit drei parallel geschalteten B6-Brücken 120, 140, 160. Zusätzlich zu den bereits in 1 enthaltenen zwei B6-Brücken 120, 140 umfasst die dritte B6-Brücke 160 mindestens drei parallelgeschaltete Halbbrücken H_7..H_9. Jede Halbbrücke H_7..H_9 besteht aus einer Reihenschalung zweier Schaltelemente SH_7..SH_9 und SL_7..SL_9, wobei zwischen den Schaltelementen jeweils ein Mittenanschluss MA_7..MA_7 angeordnet ist. Die Schaltelemente SH_X ermöglichen im geschlossenen Zustand eine elektrische Verbindung eines Mittenanschlusses MA_X mit einem ersten Potentialanschluss POA1 und die Schaltelemente SL_X ermöglichen im geschlossenen Zustand eine elektrische Verbindung eines Mittenanschlusses MA_X mit einem zweiten Potentialanschluss POA2. Der erste und zweite Potentialanschluss POA1 und POA2 sind derart ausgestaltet, dass eine Batterie 150 daran angeschlossen werden kann. Parallel kann zu der Batterie ein Zwischenkreiskondensator 170 vorgesehen sein, der beim elektrisch belasteten Betrieb der Schaltelemente entstehende Spannungs- und Stromrippel dämpft. Zusätzlich zu den bereits in 1 enthaltenen Mittenanschlüsse MA_1..MA_6 sind die Mittenanschlüsse MA_7..MA_9 derart ausgestaltet, dass drei Phasen PH_7..PH_9 der mindestens einen elektrischen Maschine EM_1, EM_2, EM_3 daran angeschlossen werden können. Die Wicklungen IN_1..IN_3, IN_4..IN_6, IN_7..IN_9 der mindestens einen elektrischen Maschine EM_1, EM_2, M_3 sind sternförmig verschaltet. Mindestens an einer der drei Phasen PH_X ist zwischen dem Mittenanschluss MA_X und einer Phase PH_X der elektrischen Maschine EM_Y ein Ladeanschluss LA_X vorgesehen. Die resultierenden Ladeanschlüsse LA_1, LA_2 und LA_3 sind derart ausgestaltet, dass eine zwei- oder dreiphasige Ladeenergiequelle daran angeschlossen werden kann. Mittels der Inverter-Lader-Schaltungstopologie 200 ist bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X sowohl ein Betrieb einer angeschlossenen elektrischen Maschine EM_1, EM_2, EM_3 als auch ein Laden der angeschlossenen Batterie 150 aus einer angeschlossenen Ladeenergiequelle möglich. Auch ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle ist aufgrund der sich im Strompfad zwischen der Ladeenergiequelle und der Batterie 150 befindlichen Induktivitäten IN_X bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X möglich.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Ladeenergiequelle LE_2Z, deren Phasen jeweils an einem der Ladeanschlüsse LA_1 und LA_2, Sternpunktanschlüsse SPA_1, SPA_2 und/ oder an den Ladepotentialanschluss LPOA2 angeschlossen werden können. Bei entsprechendem Anschluss ist mittels einer darauf angepassten Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X ein Laden der angeschlossenen Batterie 150 möglich.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Gleichstrom-Ladeenergiequelle LE_2D, deren positive Phase an dem ersten Ladeanschluss LA_1 oder den ersten Sternpunktanschluss SPA_1 und deren negative Phase an dem zweiten Ladeanschluss LA_2, den zweiten Sternpunktanschluss SPA_2, oder den Ladepotentialanschluss LPOA2 angeschlossen werden können. Bei entsprechendem Anschluss ist mittels einer darauf angepassten Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X ein Laden der angeschlossenen Batterie 150 möglich.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Gleichstrom-Ladeenergiequelle LE_2D mit einem an die Inverter-Lader-Schaltungstopologie 100, 200, 500, 600 angeschlossenen Tiefsetzsteller 300. Der Tiefsetzsteller 300 besteht aus einem ansteuerbaren Schaltelement TS, welches einerseits an den ersten Ladeanschluss LA_1 oder den ersten Sternpunktanschluss SPA_1 angeschlossen ist und andererseits als Anschlusskontakt zum Anschluss eines ersten Anschlusses der Ladeenergiequelle LE_2D eingerichtet ist. Weiter umfasst der Tiefsetzsteller 300 eine Diode TD, welche einerseits mit dem ersten Ladeanschluss LA_1 oder den ersten Sternpunktanschluss SPA_1 und andererseits mit dem zweiten Ladeanschluss LA_2, den zweiten Sternpunktanschluss SPA_2, oder den Ladepotentialanschluss LPOA2 verbunden ist. Die anzuschließende Ladeenergiequelle, beispielsweise die Ladeenergiequelle LE_2D, wird einerseits über den Anschlusskontakt mit dem ansteuerbaren Schaltelement TS und andererseits über den zweiten Ladeanschluss LA_2, den zweiten Sternpunktanschluss SPA_2, oder den Ladepotentialanschluss LPOA2 mit der Inverter-Lader-Schaltungstopologie 100, 200, 500, 600 verbunden. Die Diode TD ist derart ausgerichtet, dass die Diode TD den Strom vom dem ersten zum zweiten Ladeanschluss oder bei angeschlossener Ladeenergiequelle bei geschlossenem ansteuerbaren Schaltelement TS den Strom vom dem ersten Anschluss zum zweiten Anschluss der Ladeenergiequelle sperrt. Durch Ansteuern des ansteuerbaren Schaltelementes TS mit angepasstem Taktverhältnis wird die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie 150 tiefgesetzt.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer anschließbaren dreiphasigen Ladeenergiequelle LE_3A, deren Phasen jeweils an einem der Ladeanschlüsse LA_1, LA_2, LA_3, SPA_1, SPA_2, SPA_3, LPOA2 angeschlossen werden können. Bei entsprechendem Anschluss ist mittels einer darauf angepassten Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X ein Laden der angeschlossenen Batterie 150 möglich.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Wechselstrom-Ladeenergiequelle LE_2A, deren erste Phase an dem Ladeanschluss LA_1 oder den ersten Sternpunktanschluss SPA_1 und deren zweite Phase an dem zweiten Ladeanschluss LA_2, dem zweiten Sternpunktanschluss SPA_2 oder dem Ladepotentialanschluss LPOA2 angeschlossen werden können. Bei entsprechendem Anschluss ist mittels einer darauf angepassten Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X ein Laden der angeschlossenen Batterie 150 möglich.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer anschließbaren dreiphasigen Wechselstrom-Ladeenergiequelle mit einem an die Inverter-Lader-Schaltungstopologie 100, 200, 500, 600 angeschlossenen gepulsten Gleichrichter 400. Zwischen die, insbesondere anzuschließende, Ladeenergiequelle LE_3A und den ersten und den zweiten Ladeanschluss ist ein dreiphasiger gepulster Gleichrichter 400 geschaltet. Der gepulste Gleichrichter 400 besteht je Phase der anzuschließenden Ladeenergiequelle aus einer Reihenschaltung einer ersten Diode GD1, GD3, GD5, eines ersten SchaltelementesGS1, GS3, GS5, einem Mittenabgriff MG1, MG2, MG3 zum Anschluss je einer Phase der Ladeenergiequelle, einer zweiten Diode GD2, GD4, GD6 und eines zweiten Schaltelementes GS2, GS4, GS6. Die Reihenschaltungen und eine weitere Diode GDD sind parallel geschaltet. Die Diode GDD und die parallel geschalteten Reihenschaltungen sind einerseits mit dem ersten und andererseits mit dem zweiten Ladeanschluss verbunden. Die Dioden GDX, GDD sind alle derart ausgerichtet, dass sie, auch bei geschlossenen Schaltelementen GSX des gepulsten Gleichrichters, einen Strom von dem ersten zum zweiten Ladeanschluss sperren. Bei angeschlossener Ladeenergiequelle wird durch Ansteuern der Schaltelemente des gepulsten Gleichrichters GSX mit angepasstem Taktverhältnis die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie tiefgesetzt.
11 zeigt eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Gleichstrom-Ladeenergiequelle LE_2A mit einem an die Inverter-Lader-Schaltungstopologie angeschlossenen gepulsten Gleichrichter 420. Die Darstellung und Funktionsweise der ergänzenden Topologie entspricht der der 8, wobei eine Reihenschaltung für den Anschluss einer dritten Phase der Ladeenergiequelle entfällt.
Die 12 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren (700) zum Betrieb einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie (100, 200, 250). Mit Schritt 705 beginnt das Verfahren. In Schritt 710 werden die Schaltelemente SH_X, SL_X der Halbbrücken H_X für den Betrieb einer angeschlossenen elektrischen Maschine EM_1, EM_2 angesteuert. Dabei werden die Schaltelemente SH_X, SL_X derart angesteuert, dass eine elektrische Energie einer angeschlossenen Batterie 150 für den Betrieb der elektrischen Maschine zu der elektrischen Maschine transportiert wird. In Schritt 720 werden die Schaltelemente SH_X, SL_X der Halbbrücken H_X für das Laden einer angeschlossenen Batterie 150 angesteuert. Dabei werden die Schaltelemente SH_X, SL_X derart angesteuert, dass eine elektrische Energie einer Ladeenergiequelle LE_XZ zu der Batterie 150 transportiert wird. Mit Schritt 725 endet das Verfahren. Bei der Ansteuerung 720 der Schaltelemente SH_X, SL_X der Halbbrücken H_X für das Laden der angeschlossenen Batterie 150 wird die Spannung der Ladeenergiequelle LE_XZ in Abhängigkeit der für das Laden der Batterie 150 benötigten Spannung hochgesetzt. Insbesondere wird die Spannung der Ladeenergiequelle LE_XZ in Abhängigkeit der für das Laden der Batterie 150 benötigten Spannung tiefgesetzt falls entsprechende Schaltungstopologien angeschlossen sind, die ein Tiefsetzen ermöglichen, beispielsweise ein Tiefsetzsteller 300 oder ein gepulster Gleichrichter 400. Insbesondere werden bei der Ansteuerung der Schaltelemente SH_X, SL_X der Halbbrücken H_X für das Laden der angeschlossenen Batterie 150 in Abhängigkeit der für das Laden der Batterie 150 benötigten elektrischen Energie die Phasenlage der Ladeströme berücksichtigt und mittels gezielter Beeinflussung der Ansteuerung die Rückwirkungen in Richtung der Ladeenergiequelle minimiert. Insbesondere ein Netzfilter oder entsprechende PFC-Einrichtungen zur Power Factor Correction werden folglich nicht benötigt.. Insbesondere erfolgt die Ansteuerung derart, dass die Inverter-Lader-Schaltungstopologie (100, 200, 250) der Ladeenergiequelle nahezu keine Blindleistung entnimmt, das bedeutet, dass an den Anschlüssen der Ladeenergiequellen zwischen Strom und Spannung eine möglichst kleine, im Idealfall gar keine, Phasenverschiebung Φ auftritt, also Φ≈0 und damit cos(Φ)≈1 ist. Jedenfalls soll gelten: cos(Φ)≈1, jedenfalls cos(Φ)≥0,98. Insbesondere werden die Schaltelemente idealerweise so geschaltet, dass möglichst wenige, im Idealfall keine, Oberwellen der Frequenz der Wechselstromquelle in die versorgende Ladeenergiequelle bzw. in ein versorgendes Netz eingespeist werden. Um dies zu erreichen werden insbesondere die Low-Side Schalter, die Schaltelemente SL_X, in geeigneter Weise angesteuert, sodass der über die Anschlüsse der Ladeenergiequelle entnommene Strom (im Wesentlichen oder exakt) in Phase mit der Spannung der Ladeenergiequelle und damit die entnommene Blindleistung im Idealfall null ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2016050392 A1 [0004]

Claims

Inverter-Lader-Schaltungstopologie (100, 200) mit mindestens einer ersten B6-Brücke (120, 140, 160), wobei die erste B6-Brücke (120, 140, 160) mindestens drei parallelgeschaltete Halbbrücken (H_X) umfasst, wobei eine Halbbrücke eine Reihenschaltung zweier Schaltelemente (SH_X, SL_X) umfasst und die Reihenschaltung der zwei Schaltelemente (SH_X, SL_X) zwischen einen ersten Potentialanschluss (POA1) und einen zweiten Potentialanschluss (POA2) geschaltet ist und die Halbbrücke einen Mittenanschluss (MA_X) zwischen den zwei Schaltelementen (SH_X, SL_X) umfasst zum Anschluss einer Phase (PH_X) einer elektrischen Maschine (EM_Y), wobei drei Phasen (PH_X) der mindestens einen elektrischen Maschine (EM_Y) sternförmig verschaltet sind und mindestens eine der drei Phasen (PH_X) zwischen dem Mittenanschluss (MA_X) und einer Phase (PH_X) der elektrischen Maschine (EM_Y) einen ersten Ladeanschluss (LA_1) umfasst wobei der erste und der zweite Potentialanschluss (POA1, POA2) zum Anschluss der Batteriepole einer Batterie (150) eingerichtet ist und der erste Ladeanschluss (LA_1) zum Anschluss eines ersten Anschlusspotentials (LEAP_1) einer Ladeenergiequelle (LE_NZ) eingerichtet ist.
Inverter-Lader-Schaltungstopologie nach Anspruch 1, wobei der erste Ladeanschluss (LA_1) ein erstes Ladeschaltelement (RL_1) umfasst, wobei das erste Ladeschaltelement (RL_1) in einem ersten Schaltzustand den Mittenanschluss (MA_X) mit der Phase (PH_X) der elektrischen Maschine (EM_Y) elektrisch verbindet und das erste Anschlusspotentials (LEAP_1) der Ladeenergiequelle von der Inverter-Lader-Schaltungstopologie (100, 200) trennt und in einem zweiten Schaltzustand das erste Anschlusspotentials (LEAP_1) der Ladeenergiequelle mit der Phase (PH_X) der elektrischen Maschine (EM_Y) elektrisch verbindet und den Mittenanschluss (MA_X) von der Phase der elektrischen Maschine elektrisch trennt.
Inverter-Lader-Schaltungstopologie (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ersten B6-Brücke (120) eine zweite B6-Brücke (140) parallelgeschaltet ist, wobei die zweite B6-Brücke mindestens drei parallelgeschaltete Halbbrücken (H_X) umfasst, wobei eine Halbbrücke (H_X) eine Reihenschaltung zweier Schaltelemente (SH_X, SL_X) umfasst und die Reihenschaltung der zwei Schaltelemente (SH_X, SL_X) zwischen einen ersten Potentialanschluss (POA1) und einen zweiten Potentialanschluss (POA2) geschaltet ist, und die Halbbrücke einen Mittenanschluss (MA_X) zwischen den zwei Schaltelementen (SH_X, SL_X) umfasst zum Anschluss einer Phase (PH-X) einer elektrischen Maschine (EM_Y), wobei drei Phasen (PH_X) der mindestens einen elektrischen Maschine (EM_Y) sternförmig verschaltet sind.
Inverter-Lader-Schaltungstopologie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Potentialanschluss (POA2) als Ladepotentialanschluss (LPOA2) zum Anschluss eines zweiten Anschlusspotentials (LEAP_2) der Ladeenergiequelle (LE_NZ) eingerichtet ist.
Inverter-Lader-Schaltungstopologie nach Anspruch 3, wobei der Sternpunkt der an die zweite B6-Brücke (140) anschließbaren elektrischen Maschine (EM_Y) einen Sternpunktanschluss (SPA_X) ausbildet zum Anschluss eines zweiten Anschlusspotentials (LEAP_2) der Ladeenergiequelle (LE_NZ).
Inverter-Lader-Schaltungstopologie nach Anspruch 3, wobei mindestens an einer der drei Phasen (PH_X) der zweiten B6-Brücke (140) zwischen dem Mittenanschluss (MA_X) und einer Phase (PH_X) der elektrischen Maschine (EM_Y) ein zweites Ladeschaltelement (RL_2) angeordnet ist, wobei das zweite Ladeschaltelement (RL_2) in einem ersten Schaltzustand den Mittenanschluss (MA_X) mit der Phase (PH_X) der elektrischen Maschine (EM_Y) elektrisch verbindet und das zweite Anschlusspotential (LEAP_2) der Ladeenergiequelle von der Inverter-Lader-Schaltungstopologie (100, 200) trennt und in einem zweiten Schaltzustand das zweite Anschlusspotential (LEAP_2) der Ladeenergiequelle mit der Phase (PH_X) der elektrischen Maschine (EM_Y) elektrisch verbindet und den Mittenanschluss (MA_X) von der Phase (PH_X) der elektrischen Maschine (EM_Y) elektrisch trennt.
Inverter-Lader-Schaltungstopologie nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ladeenergiequelle eine zweiphasige Ladeenergiequelle (LE_2Z) umfasst.
Inverter-Lader-Schaltungstopologie nach Anspruch 7, wobei die Ladeenergiequelle eine Gleichstrom-Ladeenergiequelle (LE_2D) umfasst.
Inverter-Lader-Schaltungstopologie nach Anspruch 8, wobei zwischen die Ladeenergiequelle und den ersten und den zweiten Ladeanschluss (LA_X, MA_X, LPOA2) ein Tiefsetzsteller (300) geschaltet ist.
Inverter-Lader-Schaltungstopologie nach Anspruch 7 oder 9, wobei die Ladeenergiequelle eine Wechselstrom-Ladeenergiequelle (LE_2A, LE_3A) umfasst.
Inverter-Lader-Schaltungstopologie nach Anspruch 10, wobei zwischen die Ladeenergiequelle und die Ladeanschlüsse (LA_X, MA_X, LPOA2) ein gepulster Gleichrichter (400, 420) geschaltet ist.
Inverterladesystem (500) mit einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer angeschlossenen Batterie (150) und/ oder einer Ladeenergiequelle (LE_NZ).
Elektrischer Antriebsstrang (600) mit einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie (100, 200) nach einem der Ansprüche 1-11 mit mindestens einer angeschlossenen elektrischen Maschine (EM_Y), einer angeschlossenen Batterie 150 und/ oder einer Ladeenergiequelle (LE_NZ).
Verfahren (700) zum Betrieb einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten: Ansteuern (710) der Schaltelemente (SH_X, SL_X) der Halbbrücken (H_X) für den Betrieb einer angeschlossenen Maschine (EM_Y); Ansteuern (720) der Schaltelemente (SH_X, SL_X) der Halbbrücken (H_X) für das Laden einer angeschlossenen Batterie (150).
Computerprogramm, das eingerichtet ist, das Verfahren (700) nach Anspruch 14 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 15 gespeichert ist.