DE102017222554A1

DE102017222554A1 - Verfahren zur Übertragung von elektrischer Leistung von einer Ladebuchse an einen elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeugbordnetzes, Verwenden einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs und Fahrzeugbordnetz

Info

Publication number: DE102017222554A1
Application number: DE102017222554.8A
Authority: DE
Inventors: Franz Pfeilschifter
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2019-06-13

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Übertragung von elektrischer Leistung von einer Ladebuchse (LB) an einen elektrischen Energiespeicher (ES) eines Fahrzeugbordnetzes beschrieben. Die Leistung wird über einen Inverter (I) und eine daran angeschlossene elektrische Maschine (EM) übertragen. Der Inverter wird zusammen mit einer Induktivität (I) der elektrischen Maschine (EM) bei der Übertragung der Leistung als Gleichspannungswandler betrieben. Gemäß einem vorgegebenen Wandlermodus wird die Übertragungsrichtung der Leistung durch den Inverter (I) und durch die elektrische Maschine (EM) mittels einer Umschaltvorrichtung (UV1, 2) gewählt wird. Die Umschaltvorrichtung verbindet die elektrische Maschine (EM) und den Inverter (I) einerseits mit dem Energiespeicher (ES) und der Ladebuchse (LB) andererseits.

Description

Fahrzeuge, die einen elektrischen Antrieb aufweisen, umfassen einen Energiespeicher in Form einer Batterie, um den elektrischen Antrieb zu speisen. Ferner ist bekannt, dass derartige Fahrzeuge eine Ladebuchse aufweisen, um von außen Energie an die Batterie zu übertragen d. h. die Batterie zu laden.
Momentan bestehen mehrere Ladestandards, die auch mehrere unterschiedliche Spannungen seitens der Ladestation vorsehen, und es bestehen unterschiedliche Ansätze bei der Ausgestaltung der fahrzeugseitigen Batterien, insbesondere hinsichtlich der Nennspannung der Batterien.
Es besteht daher die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich die fahrzeugseitigen Batterien bzw. Energiespeicher auf möglichst vielseitige Weise von außen laden lassen, wobei dies vorzugsweise nicht zu hohen Kosten führen sollte.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren, die Verwendung und das Fahrzeugbordnetz nach den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit der Beschreibung und den Figuren sowie den abhängigen Ansprüchen.
Es wird vorgeschlagen, den Inverter der elektrischen Maschine, die ohnehin zum Antreiben, d.h. zur Traktion auch zur Rekuperation im Fahrzeug vorliegt, zum Laden in umschaltbarer Weise in einen Boost-Modus oder in einem Buck-Modus (oder auch in einem weiteren Modus) zu betreiben, so dass die elektrische Maschine und der Inverter zusammen auch beim Laden (oder auch beim Rückspeisen) verwendet werden können. Der Inverter und die elektrische Maschine können dadurch als Gleichsspannungswandler in unterschiedlichen Modi betrieben werden. Dadurch können beim Laden oder Rückspeisen unterschiedliche Spannungen zwischen dem Energiespeicher und der Ladestation vorliegen. Bereits in dem Fahrzeug vorliegende Komponenten (nämlich die elektrische Maschine und der Inverter und insbesondere die Steuerung des Inverters) nehmen die Anpassung der Spannung vor.
Ferner kann (als weiterer Modus) ein Direkt-Lademodus vorgesehen sein, bei dem die Ladestation direkt mit dem Energiespeicher verbunden wird, etwa wenn die Batteriespannung ein Niveau erreicht, bei dem eine direkte Verbindung mit der Ladestation möglich ist, ohne den Energiespeicher zu überlasten (etwa wenn die Spannungsniveaus des Energiespeichers und der Ladestation nahe beieinanderliegen). Da ferner ohnehin Trennschalter im Fahrzeug vorgesehen werden müssen, etwa um die Ladestation vom Fahrzeug abzutrennen oder um Energiespeicher abzutrennen, kann dieser mindestens eine Trennschalter auch verwendet werden, um die Umschaltung zu realisieren. Mit anderen Worten werden (mindestens) zwei unterschiedliche Wandlermodi vorgesehen, gemäß denen der Inverter mit der elektrischen Maschine betrieben wird. Die unterschiedlichen Wandlermodi werden mit einer Umschaltvorrichtung gewählt, die die Anschlussrichtung von elektrischer Maschine und daran angeschlossener Inverter bezogen auf die Ladebuchse und den Energiespeicher definiert. Die Umschaltvorrichtung ist derart zwischen elektrischer Maschine und Inverter einerseits und Ladebuchse sowie Energiespeicher andererseits angeschlossen, dass deren Anschlussrichtung (bezogen auf die Ladebuchse und den Energiespeicher) umkehrbar ist. Durch diese Umkehrung kann vom Boost-Modus in den Buck-Modus und umgekehrt geschaltet werden.
Im Traktionsmodus oder Rekuperationsmodus dient der Inverter dazu, ein elektrisches Feld in der elektrischen Maschine zu erzeugen oder das elektrische Feld der elektrischen Maschine in Strom umzuwandeln (Traktion oder Rekuperation). In einem Wandlermodus wird der Inverter gemäß einer Schalteinrichtung eines Gleichspannungswandlers betrieben. Die Induktivität der elektrischen Maschine, d. h. mindestens eine Wicklung der elektrischen Maschine, dient hierbei als induktiver Energiespeicher, so dass zusammen mit der Schaltvorrichtung ein Gleichspannungswandler realisiert wird. Ein derartiger Gleichspannungswandler, der auch als DC/DC-Wandler bezeichnet wird, wandelt eine erste Gleichspannung in eine zweite (andere) Gleichspannung. Befindet sich, ausgehend vom Eingang des Wandlers, die Induktivität vor der Schaltvorrichtung, ergibt sich ein Boost-Wandler, d. h. ein Aufwärtswandler. Befindet sich die Schaltvorrichtung, ausgehend von dem Eingang des Wandlers, vor der Induktivität, ergibt sich ein Buck-Wandler. Ein Boost-Wandler, der auch als Aufwärtswandler bezeichnet wird, erzeugt aus einer Eingangsspannung (ersten Spannung) eine höhere Ausgangsspannung (zweite Spannung) . Ein Buck-Wandler erzeugt aus einer ersten Spannung eine zweite, geringere Spannung. Die Induktivität einer Wicklung der elektrischen Maschine, mehrerer Wicklungen der elektrischen Maschine oder aller Wicklungen der elektrischen Maschine dient als Speicherdrossel. Als Schalter wird mindestens ein Schaltelement des Inverters verwendet um so zusammen mit dieser Induktivität, die als Speicherdrossel dient, den Gleichspannungswandler zu realisieren. Mittels dieser Vorgehensweise lässt sich ein Abwärtswandler, ein Aufwärtswandler, ein Inverswandler oder ein Synchronwandler (oder auch weitere Wandlerarten) realisieren.
Um die Anpassung unterschiedlicher Spannungen zu ermöglichen, und um diese Anpassung auch an veränderliche Gegebenheiten anzupassen, ist die Wandlerart (Abwärtswandler, Aufwärtswandler, Inverswandler, Synchronwandler usw.) einstellbar. Die Einstellung wird vorgenommen, in dem insbesondere die Reihenfolge von elektrischer Maschine und Inverter bezogen auf die Leistungsschlussrichtung zwischen Ladebuchse und Energiespeicher umgekehrt werden kann. In einem ersten Betriebsmodus ist somit die Ladebuchse mit dem Inverter verbunden, während die elektrische Maschine mit Energiespeicher verbunden ist. In einem zweiten Betriebsmodus ist der Inverter mit dem Energiespeicher verbunden, während die elektrische Maschine mit der Ladebuchse verbunden ist. Die Reihenfolge von elektrischer Maschine und Inverter zwischen Ladebuchse und Energiespeicher wird somit zum Einstellen des Betriebsmodus umgekehrt. Hierzu wird insbesondere eine Umschaltvorrichtung verwendet.
Es wird somit ein Verfahren zur Übertragung von elektrischer Leistung ausgehend von einer Ladebuchse an einen elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeugbordnetzes (allgemein: zwischen einer von außen zugreifbaren konduktiven oder auch induktiven Schnittstelle und dem Energiespeicher) vorgeschlagen. Das Verfahren kann auch zur Übertragung von elektrischer Leistung ausgehend von dem Energiespeicher zur Ladebuchse verwendet werden, wobei der letztgenannte Fall als Rückspeisung bezeichnet wird. Die Leistung wird über einen Inverter und eine daran angeschlossene elektrische Maschine übertragen. Der Inverter und die elektrische Maschine sind somit in Serie zwischen Ladebuchse und Energiespeicher geschaltet. Die Reihenfolge von Inverter und elektrischer Maschine (als Reihenschaltung zwischen Ladebuchse und Energiespeicher) sind hierbei umkehrbar. Der Inverter wird zusammen mit einer Induktivität der elektrischen Maschine bei der Übertragung der Leistung als Gleichspannungswandler betrieben. Die Induktivität der elektrischen Maschine wird gebildet von einer, mehreren oder allen Wicklungen der elektrischen Maschine, insbesondere von mindestens einer der Statorwicklungen der elektrischen Maschine. Die elektrische Leistung wird insbesondere als Gleichspannung (getaktete Gleichspannung) bzw. als Gleichstrom (getaktet) übertragen.
Gemäß einem vorgegebenen Wandlermodus wird die Übertragungsrichtung der Leistung durch den Inverter und durch die elektrische Maschine mittels einer Umschaltvorrichtung gewählt. Hierbei ist die Übertragungsrichtung von der Ladebuchse zum Energiespeicher vorgegeben (definiert durch einen Lademodus oder einen Rückspeisemodus), während die Übertragungsrichtung der Leistung durch den Inverter und die elektrische Maschine bezogen auf die Übertragungsrichtung zwischen Ladebuchse und Energiespeicher umgekehrt werden kann. Die Übertragungsrichtung der Leistung durch den Inverter und durch die elektrische Maschine wird mittels einer Umschaltvorrichtung gewählt. Die Übertragungsrichtung der Leistung durch den Inverter und durch die elektrische Maschine kann durch diese Wahl (insbesondere bezogen auf die Übertragungsrichtung der Leistung zwischen Ladebuchse und Energiespeicher) umgekehrt werden. Die Umschaltvorrichtung verbindet die elektrische Maschine und den Inverter mit dem Energiespeicher und der Ladebuchse. Der Energiespeicher, die elektrische Maschine, der Inverter und die Ladebuchse sind somit in Reihe geschaltet. Die Reihenfolge von elektrischer Maschine und Inverter sind umkehrbar, insbesondere mittels der Umschaltvorrichtung. Ein erster Teil der Umschaltvorrichtung verbindet die elektrische Maschine und den Inverter auswählbar mit der Ladebuchse. Ein zweiter Teil der Umschaltvorrichtung verbindet die elektrische Maschine und den Inverter auswählbar mit dem Energiespeicher.
Der erste Teil der Umschaltvorrichtung ist ein Umschalter, während der zweite Teil der Umschaltvorrichtung ebenfalls ein Umschalter ist. Die zwei Umschalter sind zu beiden Seiten der Serienschaltung, die sich aus elektrischer Maschine und Gegenseite ergibt, angeschlossen. Die Umschalter bzw. Teile der Umschaltvorrichtung verbinden die Serienschaltung, die sich aus elektrischer Maschine und Inverter ergibt, mit der Ladebuchse einerseits und dem Energiespeicher andererseits. Die Umschaltvorrichtung umfasst mindestens einen Schalter, der auch zum Abtrennen der Ladebuchse oder des Energiespeichers verwendet wird. Dadurch ergibt sich eine doppelte Funktion für diesen Schalter, da dieser Teil des Umschalters bzw. der Umschaltvorrichtung ist und zum anderen als Trennschalter arbeitet.
Trennschalter werden insbesondere bei Auftreten eines Fehlers oder beim Deaktivieren des Fahrzeugbordnetzes geöffnet und etwa im Rekuperationsmodus, Traktionsmodus, Lademodus oder Rückspeisemodus geschlossen. Die Umschalter der Umschaltvorrichtung werden insbesondere von zwei einzelnen Schaltelementen gebildet. Die Umschalter (bzw. die Umschaltvorrichtung) können bei Auftreten eines Fehlers oder beim Deaktivieren des Fahrzeugbordnetzes geöffnet sein, d.h. einen Neutralzustand einnehmen, beim diese keine Verbindung darstellen (sondern den Energiespeicher oder die Ladebuchse abtrennen). Trennschalter werden insbesondere verwendet, um die Umschalter bzw. die Umschaltvorrichtung zu realisieren.
In einen Boostmodus, der einen der mindestens zwei Wandlermodi darstellt, wird die Leistung von der Ladebuchse an den Inverter und von dem Inverter über die elektrische Maschine an den Energiespeicher übertragen. In einem Buckmodus, der als ein zweiter der zwei oder mehr Wandlermodi vorgesehen ist, wird die Leistung von der Ladebuchse an die elektrische Maschine und von der elektrischen Maschine über den Inverter an den Energiespeicher übertragen. Im Boost-Modus verbindet somit die Umschaltvorrichtung die Ladebuchse direkt mit dem Inverter (und die elektrische Maschine direkt mit dem Energiespeicher). Im Buck-Modus verbindet die Umschaltvorrichtung die Ladebuchse direkt mit der elektrischen Maschine (und den Inverter mit dem Energiespeicher). Der Boost-Modus kann auch als Aufwärtswandlermodus bezeichnet werden. Der Boost-Modus sieht vor, dass die elektrische Maschine und der Inverter als Aufwärtswandler arbeiten. Der Buck-Modus kann auch als Abwärtswandlermodus bezeichnet werden. Der Buck-Modus sieht vor, dass der Inverter und die elektrische Maschine als Abwärtswandler betrieben werden. Anstatt oder in Kombination mit den genannten Modi kann auch ein Synchronwandlermodus oder ein Inverswandlermodus vorgesehen sein, indem die elektrische Maschine und der Inverter als Synchronwandler oder als Inverswandler betrieben werden.
Durch die Einstellbarkeit der Modi und somit der Funktion des Spannungswandlers können Spannungslagen auf einfache Weise angepasst werden, wobei die zur Wandlung erforderlichen Elemente von Komponenten des Antriebsstrangs vorgesehen werden, nämlich von dem Inverter, der auch der Traktionsinverter sein kann, und der elektrischen Maschine, die auch den elektrischen Antrieb des Fahrzeugs darstellen kann.
Bei einer Spannung an der Ladebuchse, die nicht größer als die Spannung an dem Energiespeicher ist, das heißt bei einer Spannung an der Ladebuchse, die nicht ausreichend hoch ist, um den Energiespeicher zu laden, wird der Inverter zusammen mit der elektrischen Maschine als Boost-Wandler betrieben. Hierbei wird die Leistung von der Ladebuchse an den Inverter und von dem Inverter über die elektrische Maschine an einen Energiespeicher übertragen.
Bei einer Spannung an dem Energiespeicher, die nicht größer als die Spannung an der Ladebuchse ist, das heißt bei einer Spannung an der Ladebuchse, die zu hoch ist, um diese zum Laden des Energiespeichers zu verwenden, wird zum Betreiben des Inverters zusammen mit der elektrischen Maschine als Buck-Wandler die Leistung von der Ladebuchse an die elektrische Maschine und von der elektrischen Maschine über den Inverter an den Energiespeicher übertragen.
Es ist ersichtlich, dass bei unterschiedlichen Modi unterschiedliche Komponenten der Antriebsvorrichtung (umfassend die elektrische Maschine und die Inverter) mit der Ladebuchse verbunden sind. Dies gilt auch für die Verbindung dieser Komponenten mit dem Energiespeicher. Die erwähnten Modi sehen vor, dass die Ladebuchse wechselweise mit Inverter oder der elektrischen Maschine verbunden ist, abhängig vom Betriebsmodus .
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Ladebuchse direkt mit dem Energiespeicher verbunden ist, etwa wenn die Spannung an der Ladebuchse nicht wesentlich (d.h. nicht mehr als eine vorgegebene Marge, bei der kein Stromfluss zu erwarten ist, der eine Grenze überschreitet) von der Spannung der Batterie abweicht und so eine direkte Verbindung zwischen Ladebuchse und Energiespeicher nicht zu einer Überlastung des Energiespeichers (oder der Ladestation) führt. In einem derartigen Direktlademodus, der als einer der Wandlermodi betrachtet wird, wird die Leistung von der Ladebuchse unter Umgehung der elektrischen Maschine und des Inverters an den Energiespeicher übertragen. Hierbei kann die Umschaltvorrichtung (oder ein Schalter, der nicht zu einem Umschalter bzw. zur Umschaltvorrichtung gehört) die direkte Verbindung zwischen Ladebuchse und Energiespeicher vorsehen. Im Direktlademodus ist der Inverter deaktiviert, wobei dieser deaktivierte Zustand als einer der Wandlermodi betrachtet wird. Im deaktivierten Zustand sind die Schaltelemente des Inverters derart angesteuert, dass kein Strom durch diese fließt (und die Leistung von der Ladebuchse direkt an die elektrische Maschine oder umgekehrt übertragen wird). Der Direktlademodus wird auch bei der direkten Rückspeisung eingesetzt, bei dem die Leistung von dem Energiespeicher unter Umgehung der elektrischen Maschine und des Inverters an die Ladebuchse übertragen wird.
Wie erwähnt umfasst die Umschaltvorrichtung mehrere Umschalter, nämlich einen ersten und einen zweiten Umschalter, die zu beiden Seiten der Reihenschaltung umfassend die elektrische Maschine und den Inverter angeordnet sind. Die Übertragungsrichtung wird somit mittels eines ersten Umschalters und eines zweiten Umschalters gewählt. Der erste Umschalter verbindet die Ladebuchse wahlweise mit dem Inverter mit der elektrischen Maschine. Der zweite Umschalter verbindet den Energiespeicher wahlweise mit der elektrischen Maschine über den Inverter. In einem ersten Schaltzustand verbindet somit der Umschalter die Ladebuchse mit dem Inverter und in einem zweiten mit der elektrischen Maschine. In einem ersten Schaltzustand verbindet der zweite Umschalter den Energiespeicher mit der elektrischen Maschine und in einem zweiten Schaltzustand mit dem Inverter. Im Rahmen des Buck- und des Boost-Modus' ist vorgesehen, dass der erste Umschalter die Ladebuchse mit dem Inverter verbindet, während der zweite Umschalter den Energiespeicher mit der elektrischen Maschine verbindet, oder es ist vorgesehen, dass der erste Umschalter die Ladebuchse mit der elektrischen Maschine verbindet, während der zweite Umschalter den Energiespeicher mit dem Inverter verbindet. Im Rahmen des Buck- und es Boost-Moduses verbinden die beiden Umschalter den Energiespeicher und die Ladebuchse nicht gleichzeitig mit der elektrischen Maschine und auch nicht mit dem Inverter. Die beiden Umschalter arbeiten somit gegengleich, sodass sich in jedem Fall eine Reihenschaltung aus Ladebuchse, Inverter, elektrischer Maschine und Energiespeicher ergibt.
Im Rahmen des Direktlademodus' können der erste und/oder der zweite Umschalter (oder ein weiterer Schalter) angesteuert sein, um die Ladebuchse mit dem Energiespeicher unter Umgehung der elektrischen Maschine und des Inverters zu verbinden. In diesem Fall können beide Umschalter gleichzeitig mit dem Inverter oder mit der elektrischen Maschine verbunden sein. Wenn die Ladebuchse oder der Energiespeicher mit dem Inverter verbunden ist, so betrifft dies die Verbindung der Ladebuchse oder des Energiespeichers mit einer Gleichstromseite des Inverters, wobei die gegenüberliegende Wechselstromseite des Inverters mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Wenn die Ladebuchse oder der Energiespeicher mit der elektrischen Maschine verbunden ist, so betrifft dies eine Verbindung mit einem Sternpunkt der elektrischen Maschine oder einem sternpunktseitigen Ende mindestens einer Wicklung der elektrischen Maschine. Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine sind mit der Wechselstromseite des Inverters verbunden, wobei die Umschalter insbesondere nicht mit diesem Verbindungsknoten verbunden sind, sondern mit der Gleichstromseite des Inverters oder der Sternpunktseite der elektrischen Maschine (bzw. der betreffenden Statorwicklungen der elektrischen Maschine).
Ein weiterer Betriebsmodus der Umschaltvorrichtung bzw. der Umschalter ist der offene Zustand (bzw. Neutralzustand), bei dem mindestens ein Umschalter die Ladebuchse bzw. den Energiespeicher abtrennt und weder mit dem Inverter noch mit der elektrischer Maschine verbindet. Dieser Zustand wird insbesondere dann eingenommen, wenn das Fahrzeugbordnetz inaktiv ist oder wenn ein Fehler an der Ladebuchse bzw. Ladestation oder an dem Energiespeicher vorliegt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass vor dem Herstellen einer Verbindung durch die Umschalter bzw. durch die Umschaltvorrichtung ein Zwischenkreiskondensator des Inverters vorgeladen wird, beispielsweise mittels eines (weiteren) Gleichspannungswandlers oder einer anderen Strom- bzw. Spannungsquelle. Erst nach Erreichen eines Spannungsschwellenwertes wird dann eine Verbindung mittels der Umschalter bzw. mittels der Umschaltvorrichtung hergestellt, um die Leistung zu übertragen. Die Umschalter werden insbesondere gebildet von zwei Trennschaltern, die an einem Ende miteinander verbunden sind, und deren jeweiliges anderes Ende mit dem Inverter bzw. mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Sind beide Trennschalter des Umschalters offen, so ergibt sich keine Verbindung zwischen Energiespeicher und Ladebuchse andererseits und elektrischer Maschine und Inverter andererseits.
Im Direktlademodus können beide Trennschalter geschlossen sein oder es können die Trennschalter geschlossen sein, die an dem Inverter angeschlossen sind (oder die an der elektrischen Maschine angeschlossen sind) . Wie erwähnt sind die Trennschalter (bzw. die Umschalter, zu denen die Trennschalter gehören können) vorzugsweise offen, wenn ein Fehlerfall auftritt oder wenn das Fahrzeugbordnetz inaktiv ist. Ferner kann der Umschalter, der mit der Ladebuchse verbunden ist, offen sein, wenn an der Ladebuchse kein Stecker angesteckt ist bzw. sich keine Energiequelle an der Ladebuchse befindet.
Der Einfachheit halber wird hier von der Ladebuchse gesprochen, die jedoch allgemein zu verstehen ist als eine Schnittstelle zum externen Laden oder Rückspeisen, die konduktiv sein kann (in Form einer Steckverbindung), oder die induktiv sein kann (in Form einer Sekundärspule einer induktiven Ladevorrichtung).
Der Inverter kann eine BnC-Brücke sein, wobei n für die doppelte Anzahl der Phasen steht. Der Inverter kann eine B6C-Brücke sein. Der Inverter kann somit eine mehrphasige Vollbrückenschaltung sein, die jedoch auch als H-Brückenschaltung (mehrphasig) ausgestaltet sein kann. Die H-Brückenschaltung umfasst pro Phase zwei Vollbrücken, deren Verknüpfungspunkte mit einer Drossel (oder einer von der Wicklung der elektrischen Maschine vorgesehenen Induktivität) verbunden ist.
Die hier beschriebene Vorgehensweise bezieht sich hier insbesondere auf das Laden mittels Gleichstrom oder auf die Rückspeisung mittels Gleichstrom wobei ggf. auch Wechselstrom im Rahmen der Leistungsübertragung übertragen werden kann.
Die Ladebuchse bietet wie erwähnt eine Schnittstelle nach außen, d. h. ist von außerhalb des Fahrzeugs, in dem sich das Fahrzeugbordnetz befindet, zugreifbar. Die Ladebuchse kann insbesondere ausgestaltet sein, in einer Außenhaut eines Fahrzeugs angeordnet zu werden. Wie erwähnt kann die Ladebuchse allgemein als Schnittstelle verstanden werden, die jedoch auch induktiv sein kann, beispielsweise in Form einer Sekundärspule zur induktiven Übertragung. Die dargestellte Ladebuchse LB ist eine Gleichspannungsladebuchse und ist insbesondere gemäß einem Ladestandard ausgebildet. Weitere Ausführungsformen sehen vor, dass die Ladebuchse ein- oder mehrphasig ausgestaltet ist und eine Wechselstrombuchse ist. Der Begriff „Ladebuchse“ steht somit vereinfachend für eine rückspeise- und/oder ladefähige Schnittstelle zur Übertragung von Leistung von außen in ein Fahrzeugbordnetz (oder umgekehrt), wobei die Übertragung konduktiv oder induktiv sein kann.
Der Energiespeicher ist insbesondere ein Akkumulator auf Lithiumbasis, kann jedoch auch als Kondensatorbank ausgestaltet sein. Der Energiespeicher ist vorzugsweise ein Hochvolt-Akkumulator, insbesondere ein Traktionsakkumulator. Der Energiespeicher kann beispielsweise eine Nennspannung von mehr als 360 Volt, beispielsweise 380 oder 400 Volt aufweisen, oder kann eine Nennspannung von mehr als 700 oder 750 Volt aufweisen, beispielsweise eine Nennspannung von 780 oder 800 Volt (oder mehr).
Es kann eine Vorlade-Schaltung vorgesehen sein, um einen Zwischenkreiskondensator in dem Inverter vorzuladen. Darüber hinaus können weitere Fahrzeugbordnetzzweige vorgesehen sein, die eine andere Nennspannung aufweisen, und die über einen weiteren Gleichspannungswandler mit dem dargestellten Fahrzeugbordnetz verbunden sind.
Die elektrische Maschine, beispielhaft als EM dargestellt, kann ein Asynchron- oder ein Synchronmotor sein, insbesondere ein fremderregter oder selbsterregter Synchronmotor oder Reluktanzmotor, oder kann als permanenterregte Maschine ausgestaltet sein.
Ferner wird ein Verfahren zum Verwenden einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs und eines an die elektrische Maschine angeschlossenen Inverters zur Übertragung von elektrischer Leistung zwischen einer Ladebuchse und einem elektrischen Energiespeicher beschrieben. In einem Boost-Modus wird die elektrische Maschine und der Inverter in einer ersten Übertragungsrichtung verwendet, während in einem Buck-Modus die elektrische Maschine und der Inverter in einer zweiten Übertragungsrichtung verwendet werden, die der ersten Übertragungsrichtung entgegengesetzt ist. Die erste und die zweite Übertragungsrichtung beziehen sich auf die Übertragung von Leistung über die elektrische Maschine und den Inverter. Eine Übertragungsrichtung, die von der Ladebuchse zum Energiespeicher oder umgekehrt führt, ist vorgegeben durch den Anwendungsfall, d. h. entweder durch den Lademodus oder den Rückspeisemodus, wobei die erste Übertragungsrichtung oder die zweite Übertragungsrichtung dieser Richtung entsprechen kann, während die zweite Übertragungsrichtung bzw. die erste Übertragungsrichtung entgegengesetzt zu dieser Übertragungsrichtung zwischen Ladebuchse und Energiespeicher ist. Die erste und die zweite Übertragungsrichtung beziehen sich auf die Übertragungsrichtung von Leistung durch die Komponenten zwischen Ladebuchse und Energiespeicher (ausschließlich dieser Komponente). Es sei auf die 1 zur näheren Erläuterung der Übertragungsrichtungen verwiesen.
Ferner wird ein Fahrzeugbordnetz mit einer Ladebuchse und einem Energiespeicher beschrieben, die über einen Inverter und eine elektrische Maschine verbunden sind. Eine Umschaltvorrichtung verbindet den Energiespeicher und die Ladebuchse mit den dazwischenliegenden Komponenten Inverter und elektrischer Maschine. Ein erster Umschalter, d. h. ein erster Teil der Umschaltvorrichtung, verbindet die Ladebuchse steuerbar mit der elektrischen Maschine oder dem Inverter. Ein zweiter Umschalter verbindet den Energiespeicher steuerbar mit dem Inverter oder mit der elektrischen Maschine. Die beiden Umschalter sind vorzugsweise wechselweise mit Inverter und elektrischer Maschine verbunden, wobei dies den Boost- und Buck-Modus betrifft. Im Direktlademodus können die Umschalter beide mit dem Energiespeicher oder beide mit dem Inverter verbunden sein oder mit beiden Komponenten jeweils verbunden sein. In einem Trennmodus, etwa im Fehlerfall, oder wenn das Fahrzeugbordnetz im inaktiven Zustand ist, stellen die Umschalter keine Verbindung zu dem Inverter bzw. zur elektrischen Maschine her. Wenn die Ladebuchse nicht belegt ist, dann ist der Umschalter zwischen der Ladebuchse einerseits und der elektrischen Maschine und dem Inverter andererseits vorzugsweise offen (um die Ladebuchse abzutrennen) .
Die Umschalter sind derart mit Ladebuchse, Energiespeicher, Inverter und elektrischer Maschine verbunden, dass diese Verbindungszustände möglich sind, insbesondere die Verbindungszustände des Boost-Modus und des Buck-Modus. Es kann eine Steuerung vorgesehen sein, die eingerichtet ist, zumindest die Umschalter (ggf. auch weitere Schalter und/oder den Inverter) entsprechend anzusteuern.
Der erste Umschalter kann ein Potential der Ladebuchse mit dem Inverter oder der elektrischen Maschine verbinden. Der zweite Umschalter kann ein Potential des Energiespeichers mit der elektrischen Maschine oder dem Inverter verbinden. Die beiden genannten Potentiale weisen die gleiche Polarität auf.
Das Fahrzeugbordnetz kann wie erwähnt eine Steuerung aufweisen, die ansteuernd mit den Umschaltern verbunden ist. Die Steuerung ist eingerichtet, die Umschalter in einem Wandlermodus in entgegengesetzter Weise anzusteuern. Hierdurch bedeutet „in entgegengesetzter Weise“, dass, wenn ein Umschalter mit der elektrischen Maschine verbunden ist, der andere Umschalter mit dem Inverter verbunden ist, und umgekehrt. In entgegengesetzter Weise bedeutet auch, dass, bezogen auf den Boost- und Buck-Modus, ein Umschalter nie sowohl mit dem Inverter als auch mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Dies bezieht sich wie erwähnt auf den Buck- und Boost-Modus, d. h. auf Modi, bei denen die Reihenfolge von elektrischer Maschine und Inverter (bezogen auf Ladebuchse und Energiespeicher) umgekehrt wird. In einem Trennzustand sieht mindestens einer der Umschalter keine Verbindung zu Inverter und elektrischer Maschine vor, während in einem Direktverbindungsmodus die Umschalter mit der gleichen Komponente der Reihenschaltung umfassend elektrische Maschine und Inverter verbunden sein können (oder ein weiterer Schalter die direkte Verbindung herstellt).
Die Steuerung kann vorgesehen sein, neben dem Buck- und Boost-Modus, d. h. in einem Modus, bei dem die Umschalter in entgegengesetzter Weise angesteuert werden, auch einen Direktverbindungsmodus vorzusehen, bei dem die Umschalter in gleicher Weise angesteuert werden. „In gleicher Weise“ bedeutet hierbei, dass beide Umschalter mit dem Inverter oder beide Umschalter mit der elektrischen Maschine verbunden sind (oder beides). In dem Direktverbindungsmodus wird der Inverter deaktiviert. Die Steuerung ist also eingerichtet, in Direktverbindungsmodus den Inverter vorzugsweise zu deaktivieren, insbesondere in dem Sinne, dass die Schaltelemente des Inverters derart angesteuert sind, dass kein Stromfluss durch den Inverter möglich ist.
Das Fahrzeugbordnetz kann somit wie erwähnt eine Steuerung aufweisen, die mit den Umschaltern oder dem Inverter ansteuernd verbunden ist (entweder direkt oder indirekt) . Die Steuerung ist eingerichtet, in einem Boost-Modus die Ladebuchse über den ersten Umschalter mit der elektrischen Maschine zu verbinden, den Energiespeicher über den zweiten Umschalter mit dem Inverter zu verbinden und den Inverter und die elektrische Maschine durch Ansteuerung des Inverters als Boost-Gleichspannungswandler zu betreiben. Die Steuerung ist ferner eingerichtet in einem Buck-Modus die Ladebuchse über den ersten Umschalter mit dem Inverter zu verbinden, den Energiespeicher über den zweiten Umschalter mit der elektrischen Maschine zu verbinden, und den Inverter sowie die elektrische Maschine durch Ansteuerung des Inverters als Buck-Gleichspannungswandler zu betreiben.
Die erwähnte Steuerung kann insbesondere in direkter oder in indirekter Weise ansteuernd mit dem Umschaltern verbunden sein, wobei eine weitere Invertersteuerung vorgesehen sein kann, die von der vorangehend genannten Steuerung angesteuert wird, und welche den Inverter ansteuert (insbesondere durch Abgabe von PWM-Schaltsignalen). In diesem Fall ist die Steuerung indirekt über die Invertersteuerung mit dem Inverter verbunden.
Die Steuerung und die Invertersteuerung können jedoch als eine einheitliche Steuerung ausgebildet sein, so dass diese einheitliche Steuerung sowohl direkt ansteuert mit den Umschaltern verbunden ist als auch ansteuernd in direkter Weise mit dem Inverter verbunden ist.
Zudem kann eine Umschalter-Steuerung vorgesehen sein, die von einer übergeordneten Steuerung angesteuert wird, wobei die Umschalter-Steuerung mit den Umschaltern ansteuernd verbunden ist. In diesem Fall wird von der übergeordneten Steuerung ein Modus-Schaltbefehl abgegeben, der von der Umschalter-Steuerung umgesetzt wird, um die einzelnen Schalter des Umschalters anzusteuern. Die hier allgemein erwähnte Steuerung kann somit ein- oder mehrteilig ausgebildet sein, insbesondere hierarchisch gegliedert.
Die Steuerung ist vorzugsweise eingerichtet, die Spannung an der Ladebuchse mit der Spannung an dem Energiespeicher zu vergleichen. Hierzu kann die Ladebuchse Potentialeingänge aufweisen, sowie einen Vergleicher, um die entsprechenden Potentiale zu vergleichen. Anstatt eines Vergleichers (in Analogtechnik) können auch ein Prozessor und ein darauf laufendes Programm vorgesehen sein, die zusammen die Funktion des Vergleichers realisieren. Die Eingänge sind mit der Ladebuchse als auch mit dem Energiespeicher verbunden, um die dort anliegende Spannung bzw. ein dort vorgesehenes Potential zu erfassen.
Die Steuerung ist ferner eingerichtet, den Boost-Modus einzustellen, wenn die Spannung an dem Energiespeicher größer ist als an der Ladebuchse. Insbesondere ist die Steuerung eingerichtet, den Boost-Modus einzustellen, wenn die Spannung an der Ladebuchse nicht ausreichend ist, um den Energiespeicher zu laden, so dass die Spannung an der Ladebuchse hochgesetzt werden muss. Die Steuerung ist ferner eingerichtet den Buck-Modus einzustellen, wenn die Spannung an der Ladebuchse größer ist als die Spannung an dem Energiespeicher. Die Steuerung ist somit eingerichtet, den Buck-Modus einzustellen, wenn die Spannung an der Ladebuchse nicht zu hoch ist, um den Energiespeicher (ohne dessen Überlastung) zu laden, so dass eine Abwärtswandlung der Spannung an der Ladebuchse erforderlich ist. Bei einer Rückspeisung vom Energiespeicher gilt dies in invertierter Weise. Zudem kann die Steuerung eingerichtet sein, durch Einstellen des Schaltzustands der Umschalter diese direkt (und nicht über den Inverter oder die elektrische Maschine) miteinander zu verbinden. Alternativ kann die Steuerung mit einem Schalter verbunden sein, der diese Verbindung gesteuert herstellt. Auf diese Weise kann die Spannung der Ladebuchse direkt an dem Energiespeicher geführt werden. Die Steuerung ist eingerichtet, abhängig vom Vergleich der Spannungen zu ermitteln, ob die Spannung einer Ladebuchse weniger als eine vorbestimmte Differenz von der Spannung an dem Energiespeicher abweicht, so dass eine direkte Ladung ohne Überlastung des Energiespeichers möglich ist. Wird dies festgestellt (insbesondere von der Steuerung), dann werden die Umschalter direkt miteinander verbunden, d. h. beide mit der elektrischen Maschine und/oder mit dem Inverter verbunden. Wie erwähnt kann die direkte Verbindung zwischen Ladebuchse und Energiespeicher von einem Schalter vorgesehen werden, der von der Steuerung angesteuert wird und der nicht Teil der Umschalter ist. Der direkt verbindende Schaltzustand wird eingestellt, wenn die Spannung an der Ladebuchse nicht mehr als eine vorbestimmte Marge, d. h. Differenz von der Spannung an dem Energiespeicher abweicht (und somit nicht die Gefahr der Überlastung des Energiespeichers besteht).
Ferner kann die Steuerung eingerichtet sein, in einem Fahrmodus den zweiten Umschalter derart anzusteuern, dass dieser den Energiespeicher mit dem Inverter verbindet, und kann eingerichtet sein, in diesem Modus den Inverter zur Erzeugung eines Drehfelds in der elektrischen Maschine anzusteuern. Ferner kann die Steuerung eingerichtet sein, in einem Rekuperationsmodus den zweiten Umschalter derart anzusteuern, dass dieser den Energiespeicher mit dem Inverter verbindet, und kann eingerichtet sein, den Inverter zur Abgabe einer Rekuperationsleistung an den Energiespeicher anzusteuern. Der zweite Umschalter ist hierbei derjenige, welcher den Energiespeicher wahlweise mit der elektrischen Maschine und/oder dem Inverter verbindet.
Die 1 und 2 zeigen Schaltbilder zur näheren Erläuterung der hier beschriebenen Vorgehensweise anhand von Beispielen.
In der 1 ist ein Fahrzeugbordnetz dargestellt mit einer Ladebuchse LB und einem Energiespeicher ES, die über eine Umschaltvorrichtung umfassend die Umschalter UV1, UV2 mit einer elektrischen Maschine EM und einem Inverter I verbunden sind. Das hier beispielhaft herangezogene positive Potential + wird nicht direkt zwischen Ladebuchse und Energiespeicher übertragen, sondern über die Umschalter UV1, UV2 sowie über die elektrische Maschine EM und den Inverter I (dies bezieht sich insbesondere auf die dargestellte Schalterstellung).
Das andere Versorgungspotential, hier - (bzw. Masse), sieht eine direkte Verbindung vor, so dass das negative Potential der Ladebuchse direkt mit dem negativen Potential des Energiespeichers verbunden ist. Der dargestellte Fall betrifft das Laden, d. h. die Übertragung von Leistung entlang des Ladepfads Ü der von der Ladebuchse LB ausgeht und zum Energiespeicher ES führt. Bezogen auf die elektrische Maschine ME und den Inverter I (bzw. deren Reihenschaltung) bestehen durch die Umschalter UV1 und UV2 zwei Übertragungsrichtungen Ü1, Ü2, die zueinander entgegengesetzt sind. Bei der Übertragungsrichtung Ü1 ist die elektrische Maschine EM mit der Ladebuchse LB verbunden und der Inverter I ist mit dem Energiespeicher ES verbunden. Bei der Übertragungsrichtung Ü2 ist dies umgekehrt. Die Übertragungsrichtung Ü1, Ü2 beziehen sich somit (nur) auf die elektrische Maschine EM und den Inverter I während die Übertragungsrichtung Ü zwischen Ladebuchse und Energiespeicher gleich bleibt, da sie durch die Anwendung (hier: Laden) definiert ist.
Der Umschalter UV1 verbindet das positive Potential + der Ladebuchse LB auswählbar mit der elektrischen Maschine EM, entsprechend der Schalterstellung a, oder mit dem Inverter I, entsprechend der Schalterstellung b. Dies bezieht sich insbesondere auf den Sternpunkt der elektrischen Maschine EM und auf die Gleichstromseite des Inverters I. Ausgehend von dem positiven Potential + der Ladebuchse LB fließt somit der Strom (bzw. die Leistung) über den Umschalter UV1 über die Schalterstellung a zum Sternpunkt der elektrischen Maschine EM und über den Inverter I sowie, darauffolgend, über den zweiten Umschalter UV2 (in Schalterstellung b) zum Energiespeicher ES. Im dargestellten Schaltzustand wird somit Leistung von der Ladebuchse zum Energiespeicher im Boost-Modus betrieben.
Zur Ansteuerung des Inverters I ist eine Steuerung C vorgesehen, wobei diese ansteuernd, vgl. gestrichelter Pfeil, mit dem Inverter verbunden ist. Weiterhin steuert die Steuerung C die Umschalter UV1 und UV2 an, wie es mit den durchgezogenen Pfeilen dargestellt ist.
Es ist vorgesehen, dass die Umschalter UV1 und UV2 umgeschaltet werden können, etwa in einen Buck-Modus, wobei dann die Ladebuchse LB über den Umschalter UV1 in der Schalterstellung b mit dem Inverter I verbunden ist und der Energiespeicher ES über den zweiten Umschalter UV2 in Schalterstellung c mit der elektrischen Maschine EM verbunden ist. Dies bezieht sich wie erwähnt auf den Sternpunkt der elektrischen Maschine EM und die Gleichspannungsseite des Inverters I. In diesem Fall fließt der Strom ausgehend von der Ladebuchse LB zuerst über den Inverter I und dann über die elektrische Maschine EM, entsprechend der Übertragungsrichtung Ü2. Es ist sofort ersichtlich, dass die Übertragungsrichtung Ü1, Ü2, welche sich auf Inverter I und elektrische Maschine EM (bzw. deren Reihenfolge) beziehen, zueinander entgegengesetzt sind. Dies stellt dar, dass im Buck- und im Boost-Modus die elektrische Maschine EM und der Inverter I in umgekehrter Reihenfolge bei der Übertragung der Leistung (vgl. Übertragungsrichtung Ü) verwendet werden. Während die Übertragungsrichtung Ü1, welche sich auf die elektrische Maschine EM und den Inverter I bezieht, und die Übertragungsrichtung Ü2 (welche sich auf EM und I bezieht) zueinander entgegengesetzt sind, weisen beide Übertragungsrichtungen Ü1, Ü2 (welche sich auf die Reihenfolge von elektrischer Maschine EM und Inverter I beziehen) in die gleiche Richtung wie die Übertragungsrichtung Ü, wobei hierbei der Leistungsfluss zwischen Ladebuchse LB und Energiespeicher ES betrachtet wird.
Es sind Modi denkbar, etwa wenn UV1 in Schalterstellung b ist und UV2 in Schalterstellung d (oder die Schalterstellungen a und c eingenommen sind), wobei in diesem Schaltzustand bzw. Betriebsmodus die Ladebuchse LB direkt mit dem Energiespeicher ES verbunden ist (entsprechend dem Direktlademodus). Die Steuerung C ist eingerichtet, in diesem Modus den Inverter I zu deaktivieren.
Weiterhin kann eine Trennung (d.h. ein Trenn- oder Neutralmodus) vorgesehen sein, etwa eine Abtrennung des Energiespeichers ES, wobei der Umschalter UV2 in einer Neutralstellung ist, d. h. weder mit c noch mit d verbunden ist. In gleicher Weise kann die Ladebuchse LB abgetrennt sein, wobei der erste Umschalter UV1 in Neutralstellung ist und somit weder die Schalterstellung a noch b aufweist.
In der 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Umschalter im näheren Detail dargestellt sind. Auch hier umfasst das dargestellte Fahrzeugbordnetz eine Ladebuchse LB und einen Energiespeicher ES sowie einen Inverter I, der mit einer elektrischen Maschine EM verbunden ist. Über den Umschalter UV1 ist die Ladebuchse LB mit der elektrischen Maschine und dem Inverter (auswählbar) verbunden, während der Energiespeicher ES über den Umschalter UV2 mit dem Inverter I und der elektrischen Maschine EM auswählbar verbunden ist. Der Umschalter UV1 umfasst einen ersten Schalter S1 und einen zweiten Schalter S2, die ein miteinander verbundenes Ende aufweisen, welches mit dem Pluspol + der Ladebuchse LB (allgemein: mit der Ladebuchse) verbunden ist. Die entgegengesetzten Enden der Schalter S1 und S2 sind mit der elektrischen Maschine EM bzw. dem Inverter I verbunden. Der Schalter S2 führt hierbei zur elektrischen Maschine EM und der Schalter S1 zum Inverter I. Es ist ersichtlich, dass wie in der 1 durch die Schalterstellung der Schalter S1 und S2 die Ladebuchse ausgewählt mit dem Inverter und/oder mit der elektrischen Maschine EM verbunden werden kann (oder von dieser abgekoppelt werden kann).
In vergleichbarer Weise ist der zweite Umschalter UV2 mit zwei Schaltern B1, B2 vorgesehen, die ein gemeinsames Ende haben, welches mit dem Energiespeicher ES, bzw. mit dessen Pluspol verbunden ist. Die entgegengesetzten Enden sind mit der elektrischen Maschine und dem Inverter I verbunden, wobei der Schalter B1 mit dem Inverter I verbunden ist und der Schalter B2 mit der elektrischen Maschine EM bzw. mit deren Sternpunkt. Die zur Ladebuchse LB bzw. zum Energiespeicher ES entgegengesetzten Enden der Schalter B1, B2 sind ebenso verbunden. Insbesondere sind die Enden der Schalter S1 und B1 miteinander verbunden, und es sind die Enden der Schalter S2 und B2 miteinander verbunden. Die Enden der Schalter B1 und S1 bilden einen Knotenpunkt, an den der Inverter I angeschlossen ist. Die Enden der Schalter S2 und B2 bilden einen Knotenpunkt, an den die elektrische Maschine EM angeschlossen ist.
Die Steuerung C ist zur besseren Übersicht nicht dargestellt, jedoch mit den Schaltern S1, S2, B1 und B2 ansteuernd verbunden, um im Buck- oder im Boost-Modus die Schalter B1 und B2 gegengleich anzusteuern und die Schalter S1 und S2 gegengleich anzusteuern (wechselseitig) . Insbesondere ist die Steuerung C eingerichtet, von den Schaltern, die mit dem Inverter I verbunden sind, nur einen zu schließen, wobei dies auch für die Schalter gilt, die mit der elektrischen Maschine EM verbunden sind. Es ergibt sich die vorangehend erwähnte Auswahl zwischen Buck- und Boost-Modus, der realisiert wird durch die Wahl der Reihenfolge der elektrischen Maschine EM und des Inverters I (von der Ladebuchse LB aus betrachtet oder von dem Energiespeicher ES aus betrachtet) .
Der Energiespeicher ES kann in einer Energiespeichereinheit EE vorgesehen sein. Diese kann ein eigenes Gehäuse aufweisen. Ferner können die Schalter S1, S2, insbesondere der erste Umschalter und auch weitere Umschalter S3 und S4 in einer Schalteinheit SE vorgesehen sein, die auch ein eigenes Gehäuse aufweisen kann. Die Schalter B1, B2 können in der Energiespeichereinheit EE vorgesehen sein.
Auch die elektrische Maschine EM und der Inverter I können in einer eigenen Einheit, nämlich einer Antriebseinheit AE vorgesehen sein, die ebenso über ein eigenes Gehäuse verfügen kann.
Die Energiespeichereinheit EE ist an die Schaltereinheit SE angeschlossen. Die Antriebseinheit AE ist ebenso an die Schaltereinheit SE angeschlossen. Hierbei können die Verbindungen zwischen den Einheiten über Steckverbindungen vorgesehen sein, insbesondere über Steckverbindungen, die jeweils ein Kabel umfassen, an deren zwei Enden jeweils ein Steckelement vorgesehen ist, um so die Einheiten über eine Kabelsteckverbindung miteinander zu verbinden. Dies erleichtert die Unterbringung des Fahrzeugbordnetzes in engem Bauraum und ermöglicht ferner eine Flexibilität bei der Anordnung.
Der Minuspol - der Ladebuchse LB ist mit dem Minuspol - des Energiespeichers ES verbunden. Ferner kann ein Schalter S3 vorgesehen sein, der den Minuspol - der Ladebuchse LB mit diesem Minuspol - verbindet. Der Schalter S3 kann Teil der Schaltereinheit SE sein. Durch den Schalter S3 lässt sich auch der Minuspol - der Ladebuchse LB von dem restlichen Bordnetz abtrennen. Der Pluspol der Ladebuchse LB lässt sich durch den Schalter S1 sowie den Schalter S2 von dem restlichen Bordnetz abtrennen.
Ein weiterer Schalter S4 kann der elektrischen Maschine vorgeschaltet sein, insbesondere zwischen dem Umschalter UV1 und der elektrischen Maschine EM. Mit dem Trennschalter S4 lässt sich die Antriebseinheit AE bzw. die elektrische Maschine EM von dem (restlichen) Fahrzeugbordnetz abtrennen, wobei auch die Schalter S1, B1 und B2 hierzu dienen können.
Es kann eine weitere Verbindung L zwischen der Ladebuchse LB und dem Inverter I bestehen, die insbesondere den Minuspol betrifft, d. h. das Potential, welches demjenigen Potential entgegengesetzt ist, welches den Umschaltern UV1, UV2 zugeordnet ist.
Es kann somit eine Verbindung L bestehen, die die Ladebuchse LB, insbesondere über den Schalter S3, mit dem Inverter I verbindet. Auf diese Weise erhält der Inverter I sowohl das Pluspotential über zumindest einen der Umschalter UV1, UV2 und erhält ein negatives Potential über die Leitung L.
Schließlich kann ein Filter F vorgesehen sein, der in 2 mit Punktlinien dargestellt ist. Dieser ist insbesondere ein EMV-Filter, durch den zumindest die Verbindung zwischen den Umschaltern UV1 und UV2 einerseits und der elektrischen Maschine geführt wird, wobei jedoch auch vorzugsweise die Verbindung L betreffend das andere Potential der Ladebuchse LB zum Inverter I geführt wird. Durch den Filter F werden vorzugsweise beide Potentiale geführt.
Ein Schalter B3 kann in der Energiespeichereinheit EE vorgesehen sein, und kann dem Minuspol - des Energiespeichers ES nachgeschaltet sein. Der Schalter B3, in Punktlinien schematisch dargestellt, verbindet den Energiespeicher mit der Ladebuchse LB bezogen auf ein Potential, dass sich von demjenigen Potential unterscheidet, in dem sich der Umschalter UV2 befindet.
Im Weiteren ist eine Tabelle dargestellt, in der beispielhaft die Schalterstellungen der in 2 dargestellten Schalter dargestellt sind. Die Schalterstellungen sind für unterschiedliche Betriebsmodi dargestellt.
Mit durchgezogener Linie sind Einträge umrahmt, die einen Boost-, einen Buck- und einen Direktverbindungsmodus betreffen. Eine Ausführungsform sieht vor, dass das hier beschriebene Verfahren bzw. die hier beschriebene Fahrzeugbordnetz diese Modi (auswählbar) ausführt bzw. hierfür ausgebildet ist.
Die gestrichelt umrahmten Einträge betreffen weitere Modi, die vorzugsweise optionale (weitere) Modi betreffen. In der ersten Zeile sind inhaltliche Bezüge zu den in der zweiten Zeile erwähnten Schaltern dargestellt.
Bei den Einträgen bedeutet x „geschlossener Schalter“ und o „offener Schalter“.
Der Schalter S4 ist für den Traktionsmodus (und auch für den Rekuperationsmodus) relevant. Mit Schalter S4 wird der Sternpunkt beim Traktionsmodus abgetrennt und beim Buck- oder Boost-Modus zugeschaltet. Die Schalter S1 und S2 (sowie auch die Schalter B1 und B2) sind im Buck- und Boost-Modus wechselseitig offen oder geschlossen. S2 dient zur gesteuerten Verbindung der Ladebuchse LB mit dem Sternpunkt (der EM). In der ersten Spalte sind zu einigen Betriebsmodi in Klammern Beispiele für Spannungsniveaus dargestellt.
Im Weiteren sind in zusammenfassender Form Zusammenhänge zwischen den Schaltern, die in der Tabelle angegeben sind, und den betreffenden Funktionen und Modi dargestellt.
S2 dient zu Folgendem:

Boost-Modus: Verbindung zwischen Ladebuchse zu Sternpunkt (EM)
Buck-Modus: Trennen Ladesäule von Sternpunkt (EM)

Der Schalter S1 dient zu Folgendem:

Direktlade-Modus: Verbindung zwischen Ladebuchse zu Energiespeicher
Buck-Modus: Verbindung zwischen Ladebuchse und Inverter

Der Schalter S3 dient zu Folgendem:

Als Ladebuchse-Masse-Schalter, der etwa aus Sicherheitsgründen zum Abtrennen (in der Versorgungspotentialschiene +) im Fehlerfall vorgesehen ist.

Der Schalter B3 dient zu Folgendem:

Als Akku-Masseschalter, der etwa aus Sicherheitsgründen zum Abtrennen (im Massepfad) im Fehlerfall vorgesehen ist.

Der Schalter B1 dient zu Folgendem:

Boost-Modus: Verbindung zwischen Inverter und Energiespeicher Buck-Modus: Trennen der Ladebuchse von Energiespeicher

Der Schalter B2 dient zu Folgendem:

Boost-Modus: Trennen der Ladebuche von Energiespeicher Buck-Modus: Verbindung zwischen Sternpunkt (EM) und Energiespeicher

Im Boost-Modus und im Buck-Modus schließt ein geschlossener Schalter S1 einen geschlossenen Schalter S2 aus. Im Boost-Modus und im Buck-Modus schließt ein geschlossener Schalter B1 einen geschlossenen Schalter B2 aus. Schalter S1, B1 dienen im dargestellten Beispiel als Direktverbindung beim Direktladen (nicht: S2 und B2) . Alternativ oder in Kombination hiermit können jedoch auch S2, B2 geschlossen sein, wenn der Direktlademodus vorliegt.
Die oben stehende Tabelle bezieht sich insbesondere auf die Übertragung von Gleichspannung über die Ladebuchse.

Claims

Verfahren zur Übertragung von elektrischer Leistung von einer Ladebuchse (LB) an einen elektrischen Energiespeicher (ES) eines Fahrzeugbordnetzes, wobei die Leistung über einen Inverter (I) und eine daran angeschlossene elektrische Maschine (EM) übertragen wird und der Inverter zusammen mit einer Induktivität (I) der elektrischen Maschine (EM) bei der Übertragung der Leistung als Gleichspannungswandler betrieben werden, wobei gemäß einem vorgegebenen Wandlermodus die Übertragungsrichtung der Leistung durch den Inverter (I) und durch die elektrische Maschine (EM) mittels einer Umschaltvorrichtung (UV1, 2) gewählt wird, welche die elektrische Maschine (EM) und den Inverter (I) einerseits mit dem Energiespeicher (ES) und der Ladebuchse (LB) andererseits verbindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem Boost-Modus als einer von mindestens zwei Wandlermodi die Leistung von der Ladebuchse (LB) an den Inverter (I) und von dem Inverter (I) über die elektrische Maschine (EM) an den Energiespeicher (ES) übertragen wird und in einem Buck-Modus als ein zweiter von mindestens zwei Wandlermodi die Leistung von der Ladebuchse (LB) an die elektrische Maschine (EM) und von der elektrischen Maschine (EM) über den Inverter (I) an den Energiespeicher (ES) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei einer Spannung an der Ladebuchse (LB), die nicht größer als die Spannung an dem Energiespeicher (ES) ist, zum Betreiben des Inverters zusammen mit der elektrischen Maschine (EM) als Boost-Wandler die Leistung von der Ladebuchse (LB) an den Inverter (I) und von dem Inverter (I) über die elektrische Maschine (EM) an den Energiespeicher (ES) übertragen wird, und bei einer Spannung an dem Energiespeicher (ES), die nicht größer als die Spannung an der Ladebuchse (LB) ist, zum Betreiben des Inverters zusammen mit der elektrischen Maschine (EM) als Buck-Wandler die Leistung von der Ladebuchse (LB) an die elektrische Maschine (EM) und von der elektrischen Maschine (EM) über den Inverter (I) an den Energiespeicher (ES) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei in einem Direktlademodus als ein Wandlermodus die Leistung von der Ladebuchse (LB) unter Umgehung der elektrischen Maschine (EM) und des Inverters (I) an den Energiespeicher (ES) übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Übertragungsrichtung mittels eines ersten Umschalters (UV1) und eines zweiten Umschalters (UV2) gewählt wird, wobei der erste Umschalter (UV1) die Ladebuchse (LB) wahlweise mit dem Inverter (I) oder mit der elektrischen Maschine (EM) verbindet und der zweite Umschalter (UV1) den Energiespeicher (ES) wahlweise mit der elektrischen Maschine (EM) oder dem Inverter (I) verbindet.
Verwenden einer elektrischen Maschine (ES) eines Fahrzeugs und eines an die elektrischen Maschine (ES) angeschlossenen Inverters (I) zur Übertragung von elektrischer Leistung zwischen einer Ladebuchse (LB) und einem elektrischen Energiespeicher (ES), wobei, in einem Boost-Modus, die elektrische Maschine (ES) und der Inverter (I) in einer ersten Übertragungsrichtung verwendet werden und, in einem Buck-Modus, die elektrische Maschine (ES) und der Inverter (I) in einer zweiten Übertragungsrichtung verwendet werden, die der ersten Übertragungsrichtung entgegengesetzt ist.
Fahrzeugbordnetz mit Ladebuchse (LB) und einem Energiespeicher (ES), die über einen Inverter (I) und eine elektrische Maschine (EM) verbunden sind, wobei ein erster Umschalter (UV1) die Ladebuchse (LB) steuerbar mit der elektrischen Maschine (EM) oder mit dem Inverter (I) verbindet und ein zweiter Umschalter (UV2) den Energiespeicher (LB) steuerbar mit dem Inverter oder mit der elektrischen Maschine (EM) verbindet.
Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 7, wobei der erste Umschalter (UV1) ein Potential der Ladebuchse (LB) und der zweite Umschalter (UV2) ein Potential des Energiespeichers (ES), das die gleiche Polarität wie das Potential der Ladebuchse (LB) aufweist, mit dem Inverter (I) bzw. der elektrischen Maschine (EM) verbindet.
Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 7 oder 8, das ferner eine Steuerung (C) aufweist, die ansteuernd mit den Umschaltern (UV1, 2) verbunden ist und eingerichtet ist, die Umschalter in einem Wandlermodus entgegengesetzter Weise anzusteuern.
Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 7, 8 oder 9, das ferner eine Steuerung (C) aufweist, die ansteuernd mit den Umschaltern (UV1, 2) verbunden ist und eingerichtet ist, die Umschalter in einem Direktverbindungsmodus in gleicher Weise anzusteuern.
Fahrzeugbordnetz nach einem der Ansprüche 7-10, das ferner eine Steuerung (C) aufweist, die mit den Umschaltern (UV1, 2) und dem Inverter (I) ansteuernd verbunden ist und eingerichtet ist, in einem Boost-Modus die Ladebuchse (LB) über den ersten Umschalter (UV1) mit der elektrischen Maschine (EM) zu verbinden, den Energiespeicher (ES) über den zweiten Umschalter (UV2) mit dem Inverter zu verbinden, und den Inverter (I) und die elektrische Maschine durch Ansteuerung des Inverters als Boost-Gleichspannungswandler zu betreiben, und ferner eingerichtet ist, in einem Buck-Modus die Ladebuchse (LB) über den ersten Umschalter (UV1) mit dem Inverter (I) zu verbinden, den Energiespeicher (ES) über den zweiten Umschalter (UV2) mit der elektrischen Maschine (EM) zu verbinden, und den Inverter und die elektrische Maschine durch Ansteuerung des Inverters als Buck-Gleichspannungswandler zu betreiben.
Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 11, wobei die Steuerung (C) eingerichtet ist, die Spannung an der Ladebuchse (L) mit der Spannung an dem Energiespeicher (ES) zu vergleichen, den Boost-Modus einzustellen, wenn die Spannung an dem Energiespeicher (ES) größer ist als die Spannung an der Ladebuchse (L), und den Buck-Modus einzustellen, wenn die Spannung an der Ladebuchse (ES) größer ist als die Spannung an dem Energiespeicher (ES).
Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 12, wobei die Steuerung (C) ferner eingerichtet ist, durch Einstellen des Schaltzustands der Umschalter (UV1, 2) diese direkt miteinander zu verbinden, wenn die Spannung an der Ladebuchse (ES) nicht mehr als eine vorbestimmte Marge von der Spannung an dem Energiespeicher abweicht.
Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Steuerung (C) eingerichtet ist, in einem Fahrmodus den zweiten Umschalter (UV2) derart anzusteuern, dass dieser den Energiespeicher mit dem Inverter (I) verbindet, und eingerichtet ist, den Inverter (I) zur Erzeugung eines Drehfelds in der Inverter (I) anzusteuern.