DE102018207188A1

DE102018207188A1 - Wechselrichter, elektrischer Antriebsstrang, Fahrzeug und Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters

Info

Publication number: DE102018207188A1
Application number: DE102018207188.8A
Authority: DE
Inventors: Taleb Janbein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2019-11-14
Also published as: WO2019215128A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft einen Wechselrichter (10; 10a bis 10i) zum Wandeln elektrischer Energie einer Gleichspannungsquelle (130) in eine Wechselspannung und zum Hochsetzen einer Ladespannung einer Ladevorrichtung (140), mit: einem zweipoligen Batterieanschluss (B1, B2) zum Anschließen der Gleichspannungsquelle (130); einem n-phasigen Wechselspannungsanschluss (U1, U2, U3) zum Anschließen einer n-phasigen elektrischen Maschine (120) und zum Versorgen der elektrischen Maschine (120) mit der Wechselspannung, wobei n>1; und einem ersten Ladeanschluss (L1) zum Anschließen eines ersten Ladeanschlusspols der Ladevorrichtung (140).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wechselrichter zur Wandlung elektrischer Energie einer Gleichspannungsquelle in eine Wechselspannung und zum Hochsetzen einer Ladespannung, einen elektrischen Antriebsstrang, ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang, ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters, ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
Stand der Technik
Bei den Bemühungen, umweltfreundlichere Fortbewegungsmethoden zu entwickeln, bildet Elektromobilität einen wichtigen Baustein. Um jedoch eine breite Akzeptanz von Elektrofahrzeugen zu erzielen, müssen mehrere Voraussetzungen erfüllt sein. So ist neben einer ausreichenden Reichweite des Fahrzeugs eine flächendeckende Versorgung mit Energiequellen erforderlich, um jederzeit ein Aufladen der Elektrofahrzeuge zu gewährleisten. Weiter muss die erforderliche Ladezeit geringgehalten werden, um große Verzögerungen zu vermeiden.
Beim Laden des Elektrofahrzeugs an einer Wechselspannungs- (AC-) Ladestation, etwa beim Verbinden mit dem öffentlichen Stromnetz, wird die Wechselspannung von einem fahrzeuginternen Gleichrichter in Gleichspannung (DC) gewandelt. Zunehmend verbreitet sind Schnellladestationen, welche Gleichspannung zur Verfügung stellen und sich durch eine geringere Ladezeit auszeichnen. Eine beispielhafte DC-Schnellladestation ist aus der WO 2012/038222 A3 bekannt.
Eine zentrale Energieversorgungsstation kann mit einem Wechselspannungsnetz, typischerweise einem 20-kV-Netz, verbunden sein. Die Energieversorgungsstation wandelt die Wechselspannung in Gleichspannung, welche einer oder mehreren Ladestationen bereitgestellt wird. Die Ladestationen umfassen typischerweise jeweils DC-DC-Wandler, welche die Gleichspannung wandeln und die gewandelte Gleichspannung über Kabelverbindungen den Elektrofahrzeugen zum Aufladen der Batterien bereitstellen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft einen Wechselrichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen elektrischen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10, ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11, ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 und ein maschinenlesbares Speichermedium mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft Erfindung demnach einen Wechselrichter zur Wandlung elektrischer Energie einer Gleichspannungsquelle in eine Wechselspannung und zum Hochsetzen einer Ladespannung einer Ladevorrichtung. Der Wechselrichter umfasst einen zweipoligen Batterieanschluss zum Anschluss der Gleichspannungsquelle und einen n-phasigen Wechselspannungsanschluss zum Anschluss einer n-phasigen elektrischen Maschine und zum Versorgen der elektrischen Maschine mit der Wechselspannung, mit n>1. Weiter weist der Wechselrichter einen ersten Ladeanschluss zum Anschluss eines ersten Ladeanschlusspols der Ladevorrichtung auf.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach einen elektrischen Antriebsstrang mit einer n-phasigen elektrischen Maschine, wobei n>1, mit einer Batterie zum Bereitstellen elektrischer Energie und mit einem Wechselrichter zum Hochsetzen einer Ladespannung einer Ladevorrichtung und zum Wandeln der elektrischen Energie der Batterie in eine Wechselspannung. Der Wechselrichter weist einen n-phasigen Wechselspannungsanschluss auf, welcher mit der elektrischen Maschine verbunden ist und zum Versorgen der elektrischen Maschine mit der Wechselspannung dient. Der Antriebsstrang umfasst weiter einen Gleichspannung-Ladestecker zum Anschließen eines ersten Ladeanschlusspols der Ladevorrichtung, und eine Ladeverbindung, welche den Gleichspannung-Ladestecker über einen Ladeschütz mit der elektrischen Maschine und/oder der Batterie und/oder dem Wechselrichter verbindet.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsstrang.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Wechselrichters. Die Leistungsschalter des Wechselrichters werden derart getaktet, dass elektrische Energie einer Gleichspannungsquelle in eine Wechselspannung zur Versorgung einer angeschlossenen elektrischen Maschine gewandelt wird, insbesondere bei geöffnetem ersten, zweiten, dritten, vierten und/oder fünften Ladeschütz. Weiter wird der Leistungsschalter des Wechselrichters zum Hochsetzen einer Ladespannung einer an den Ladeanschluss angeschlossenen Ladevorrichtung getaktet, insbesondere bei geschlossenem ersten und/oder zweiten und/oder dritten und/oder vierten und/oder fünften Ladeschütz.
Gemäß einem fünften Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, welches dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen.
Gemäß einem sechsten Aspekt betrifft die Erfindung schließlich ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Kosten zum Bereitstellen einer Ladeinfrastruktur weiter zu reduzieren, da der im Fahrzeug verbaute Wechselrichter selbst die benötigte DC-DC-Funktionalität bereitstellen kann. Das Fahrzeug kann dadurch mit Ladevorrichtungen aller Art verbunden werden, also mit externen stationären oder auch mobilen Ladern und/oder Gleichspannungsquellen (wie z.B. Batterie, PV-Anlage, Brennstoffzelle, Netzteil wie ein PFC), welche Gleichspannung bereitstellen, wobei diese Lader keine zusätzliche Leistungselektronik aufweisen müssen. Neben einen Anschluss an eine mobile oder stationäre Ladesäule kann das Fahrzeug auch direkt über ein Gleichspannungsnetz geladen werden. Darüber hinaus kann das Fahrzeug durch inverses Betreiben des Ladevorgangs selbst dazu eingesetzt werden, die Batterien anderer Fahrzeuge zu laden und/oder das Netz zu unterstützen. Dadurch wird die Anzahl von Energiequellen, welche zum Laden des Fahrzeugs verwendbar sind, erhöht, was eine verbesserte Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen nach sich ziehen kann.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Wechselrichter und die elektrische Maschine bereits für hohe Leistungen ausgelegt sind, sodass eine hohe Flexibilität der Ladeleistung erzielt werden kann. Neben einem normalen Lademodus kann zusätzlich ein Schnelllademodus möglich sein. So können lange Ladezeiten, etwa im Vergleich zum Laden am einphasigen Haushaltsnetz, vermieden werden.
Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist hierbei die Mehrfachbenutzung der Bauteile des Elektrofahrzeugs. So wird der Wechselrichter einerseits beim Betrieb des Elektrofahrzeugs zur Wandlung von elektrischen Energie einer Gleichspannungsquelle bzw. Batterie in eine Wechselspannung eingesetzt, um die elektrische Maschine zu versorgen. Andererseits kann der Wechselrichter im Lademodus zum Hochsetzen einer Ladespannung einer mit dem Ladeanschluss verbundenen Ladevorrichtung eingesetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Wechselrichter genau einen Ladeanschluss auf. Dadurch können die Kosten reduziert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Ladeanschluss mit einer Phase des n-phasigen Wechselspannungsanschlusses verbunden. Der Ladeanschluss kann mit einer beliebigen Phase verbunden werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Wechselrichter einen ersten Ladeschütz auf, wobei der erste Ladeschütz zwischen den ersten Ladeanschluss und eine Phase des n-phasigen Wechselspannungsanschlusses geschaltet ist. Durch die Integration des Ladeschützes in den Wechselrichter können ein Kabel und ein Stecker eingespart werden gegenüber dem Fall eines externen Ladeschützes. Je nach Topologie kann gegenüber einem externen Ladeschütz auch ein längeres Kabel eingespart werden, da die Verbindung zwischen Wechselrichter und elektrischer Maschine typischerweise kürzer ist als die Verbindung zwischen elektrischer Maschine und Batterie.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Wechselrichter einen zweiten Ladeanschluss zum Anschluss eines zweiten Ladeanschlusspols auf, sowie einen zweiten Ladeschütz. Der zweite Ladeschütz ist zwischen den zweiten Ladeanschluss und eine Phase des n-phasigen Wechselspannungsanschlusses geschaltet, bevorzugt mit derjenigen, welche mit dem ersten Ladeschütz verbunden ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Wechselrichters ist der erste Ladeanschluss mit einem Sternpunktanschluss zum Anschluss eines Sternpunkts der anschließbaren n-phasigen elektrischen Maschine verbunden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Wechselrichter einen ersten Ladeschütz auf, wobei der erste Ladeschütz zwischen den ersten Ladeanschluss und den Sternpunktanschluss zum Anschluss eines Sternpunkts der anschließbaren n-phasigen elektrischen Maschine geschaltet ist. Durch Integration des Ladeschützes in den Wechselrichter ist der Aufbau des Wechselrichters kompakter.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Wechselrichter einen zweiten Ladeanschluss zum Anschluss eines zweiten Ladeanschlusspols auf. Der Wechselrichter umfasst weiter einen dritten Ladeschütz und einen vierten Ladeschütz. Der dritte Ladeschütz ist zwischen den ersten Ladeanschluss und einen ersten Batterieanschlusspol geschaltet. Der vierte Ladeschütz ist zwischen den zweiten Ladeanschluss und einen zweiten Batterieanschlusspol geschaltet. Dieser Aufbau zeichnet sich durch eine bessere symmetrische Belastung des Wechselrichters und der elektrischen Maschine auf, was zu einer geringeren Alterung der Bauteile führt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Antriebsstranges ist der Wechselrichter einer der in den Ausführungsformen beschriebenen, erfindungsgemäßen Wechselrichter,
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Leistungsschalter des Wechselrichters zum Tiefsetzen einer Batteriespannung der Gleichspannungsquelle getaktet werden, um eine an den Ladeanschluss angeschlossene externe Batterie zu laden. Dadurch kann die Batterie des Fahrzeugs als Gleichspannungsquelle dienen, etwa um die Batterien eines weiteren Fahrzeugs aufzuladen. Insbesondere können Batterien von Fahrzeugen mit mehr Ladungskapazität oder einem höheren Ladezustand die Batterien von weiteren, mit ihnen gemeinsam unterwegs seienden Fahrzeugen laden, so dass eine geringere Abhängigkeit von externen Ladequellen besteht.
Figurenliste
Es zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstrangs mit einem Wechselrichter gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstrangs mit einem Wechselrichter gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstrangs mit einem Wechselrichter gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstrangs mit einem Wechselrichter gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
6 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstrangs mit einem Wechselrichter gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
7 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstrangs mit einem Wechselrichter gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
8 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstrangs mit einem Wechselrichter gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung;
9 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstrangs mit einem Wechselrichter gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung;
10 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstrangs mit einem Wechselrichter gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung;
11 eine schematische Darstellung einer ersten alternativen Verschaltung des Wechselrichters gemäß einer Variation der neunten Ausführungsform der Erfindung;
12 eine schematische Darstellung einer zweiten alternativen Verschaltung des Wechselrichters gemäß einer Variation der neunten Ausführungsform der Erfindung;
13 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstrangs mit einem Wechselrichter gemäß einer zehnten Ausführungsform der Erfindung; und
14 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Betrieb eines Wechselrichters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Fahrzeugs 210. Das Fahrzeug umfasst einen elektrischen Antriebsstrang 110, welcher das Fahrzeug 210 antreibt. Der elektrische Antriebstrang 110 umfasst eine elektrische Maschine 120 und eine Batterie 130, welche durch einen Wechselrichter 10 miteinander gekoppelt sind. Die Batterie 130 speichert elektrische Energie und stellt diese in Form von Gleichspannung bereit, welche von dem Wechselrichter in Wechselspannung gewandelt wird. Mittels der Wechselspannung wird die elektrische Maschine 120 betrieben, welche das Fahrzeug 210 antreibt.
Der Wechselrichter 10 ist dazu ausgebildet, zusätzlich zur oben beschriebenen Wandlung der von der Batterie 130 bereitgestellten elektrischen Energie in Wechselspannung, eine Ladespannung hochzusetzen, um die Batterie 130 aufzuladen. Der Wechselrichter 10 umfasst hierzu einen Ladeanschluss L, über welchen der Wechselrichter 10 mit einer Ladevorrichtung 140 verbunden werden kann, welcher die Ladespannung bereitstellt. Der Wechselrichter 10 kann auch mehrere Ladeanschlüsse L, insbesondere zwei Ladeanschlüsse aufweisen.
In den 2 bis 10 und 13 sind verschiedene Ausführungsformen des Antriebsstrangs 110 abgebildet, welche im Folgenden detaillierter beschrieben werden.
In 2 ist ein Antriebsstrang 110a gemäß einer ersten Ausführungsform illustriert. Der erste Antriebsstrang 110a umfasst eine Batterie bzw. Gleichspannungsquelle 130, deren erster Pol über eine Vorrichtung 160 zum Trennen der Batterie 130 (battery disconnect unit, BDU) mit einem ersten Batterieanschluss B1 eines Wechselrichters 10a verbunden ist. Die Vorrichtung 160 zum Trennen der Batterie 130 umfasst einen sechsten Ladeschütz LS12 und, parallelgeschaltet, einen Vorladeschütz LS13 und einen mit dem Vorladeschütz LS13 in Reihe geschalteten Vorladewiderstand R. Ein zweiter Pol der Batterie 130 ist über einen siebten Ladeschütz LS14 mit einem zweiten Batterieanschluss B2 des Wechselrichters 10a verbunden. Zwischen dem sechsten Ladeschütz LS12 und dem ersten Batterieanschluss B1 ist eine elektrische Verbindung angeschlossen, welche über einen dritten Ladeschütz LS3 mit einem ersten Pol eines Gleichspannung-Ladesteckers 150 verbunden ist. Zwischen dem siebten Ladeschütz LS14 und dem zweiten Batterieanschluss B2 ist eine weitere elektrische Verbindung angeschlossen, welche über einen vierten Ladeschütz LS4 mit einem zweiten Pol des Gleichspannung-Ladesteckers 150 verbunden ist.
Der Wechselrichter 10a weist einen Zwischenkreiskondensator C1 und sechs Halbbrücken mit parallel geschalteten Transistoren T1 bis T6 und Dioden D1 bis D6 auf, welche vorzugweise als Halbleiterelemente ausgebildet sind. Durch geeignetes Ansteuern der Leistungsschalter beziehungsweise Transistoren T1 bis T6 des Wechselrichters 10a wird die Gleichspannung der Batterie 130 in Wechselspannung transformiert, welcher über einen 3-phasigen Wechselspannungsanschluss U1 bis U3 einer 3-phasigen elektrischen Maschine 120 bereitgestellt wird.
Zwischen dem dritten Ladeschütz LS3 und dem ersten Pol des Gleichspannung-Ladesteckers 150 ist eine weitere elektrische Verbindung eingebracht, welche über einen ersten Ladeschütz LS1 mit einem Ladeanschluss L1 des Wechselrichters 10a verbunden ist. Der erste Ladeanschluss L1 ist mit einer der Phasen U3 des n-phasigen Wechselspannungsanschlusses U1 bis U3 verbunden. Die gewählte Phase U1 bis U3 kann hierbei im Wesentlichen frei gewählt werden.
Im Fahrmodus wird die elektrische Maschine 120 betrieben, wobei der Wechselrichter 10a die Gleichspannung in Wechselspannung transformiert. Hierbei sind der dritte Ladeschütz LS3, der vierte Ladeschütz LS4 und der erste Ladeschütz LS1 geöffnet.
Im Lademodus ist eine Ladevorrichtung 140, das heißt eine externe Spannungsquelle, etwa eine Schnellladestation, ein Gleichspannungsnetz oder ein anderes erfindungsgemäßes Fahrzeug, an den Gleichspannung-Ladestecker 150 angeschlossen. Der vierte Ladeschütz LS4 ist geschlossen. Falls der erste Ladeschütz LS1 geöffnet und der dritte Ladeschütz LS3 geschlossen ist, wird die Batterie 130 mittels herkömmlichem DC-Laden aufgeladen. Die Transistoren T1 bis T6 sind dauerhaft ausgeschaltet. Hierbei wird der Ladestrom von der externen Ladevorrichtung 140 selbst geregelt bzw. die Spannung wird am Anschluss eingestellt.
Weiter kann jedoch auch der erste Ladeschütz LS1 geschlossen und der dritte Ladeschütz LS3 geöffnet sein. Der Ladeanschluss L1 dient dann zur Verbindung mit einem Ladeanschlusspol der Ladevorrichtung 140. In diesem Fall wird die Batterie 130 über den Wechselrichter 10a aufgeladen. In einem ersten Modus können hierbei alle Transistoren T1 bis T6 dauerhaft ausgeschaltet sein, wobei ein Dauerstromverlauf über die Diode D5 erfolgt. Dies entspricht wiederum dem herkömmlichen DC-Laden. In einem zweiten Modus wird durch entsprechendes Takten der Leistungsschalter des Wechselrichters 10a die an dem Gleichspannung-Ladestecker 150 bereitgestellte Gleichspannung, auch als Ladespannung gezeichnet, hochtransformiert und die Batterie 130 dadurch geladen. Der Wechselrichter 10a wird somit zum Hochsetzen der Ladespannung eingesetzt. Die bereitgestellte Ladespannung bzw. Quellspannung ist somit stets kleiner als die Batteriespannung der Batterie 130. Hierzu werden der zweite Transistor T2 und der vierte Transistor T4 zwecks Einstellung der Spannung entsprechend gesteuert bzw. getaktet. Der Stromverlauf wird über die Dioden D1 bzw. D3 kommutiert, wenn die Transistoren T2 bzw. T4 ausgeschaltet werden. Der fünfte und sechste Transistor T5, T6 sind dauerhaft ausgeschaltet. Im zweiten Modus können die zu taktenden Schalter entweder simultan, d. h. gleichzeitig, oder im Interleave-Modus, d. h. versetzt, getaktet werden.
Zusätzlich kann der Wechselrichter in einem inversen Lademodus betrieben werden, wobei die Batteriespannung der Batterie 130 dazu verwendet wird, eine an den Gleichspannung-Ladestecker 150 angeschlossene externe Batterie zu laden.
Die elektrische Verbindung umfassend den dritten Ladeschütz LS3 ist optional. Fehlt diese, wird die Batterie 130 stets über den Wechselrichter 10a gemäß einem der beiden Modi aufgeladen.
Schließlich ist auch der erste Ladeschütz LS1 optional.
In 3 ist ein Antriebsstrang 110b gemäß einer zweiten Ausführungsform illustriert. Im Unterschied zur in 1 illustrierten Ausführungsform ist die an den Ladeanschluss L1 des Wechselrichters 10a angeschlossenen elektrische Verbindung zwischen dem vierten Ladeschütz LS4 und dem ersten Pol des Gleichspannung-Ladesteckers 150 geschaltet.
Beim Laden ist der dritte Ladeschütz LS3 geschlossen. Bei geschlossenem vierten Ladeschütz LS4 und geöffnetem ersten Ladeschütz LS1 erfolgt wiederum herkömmliches DC-Laden.
Bei geschlossenem ersten Ladeschütz LS1 und geöffnetem oder fehlendem vierten Ladeschütz LS4 sind wiederum ein erster und ein zweiter Modus möglich.
Im ersten Modus sind alle Transistoren T1 bis T6 dauerhaft ausgeschaltet. Im zweiten Modus werden der erste Transistor T1 und der dritte Transistor T3 zwecks Einstellung der Spannung entsprechend gesteuert bzw. getaktet. Der fünfte und sechste Transistor T5, T6 sind dauerhaft ausgeschaltet. Im zweiten Modus können die zu taktenden Schalter entweder simultan, d. h. gleichzeitig, oder im Interleave-Modus, d. h. versetzt, getaktet werden.
4 zeigt einen Antriebsstrang 110c gemäß einer dritten Ausführungsform, welcher im Wesentlichen dem Antriebsstrang 110a gemäß der ersten Ausführungsform entspricht. Der Wechselrichter 10c des Antriebsstrangs 110c unterscheidet sich jedoch dadurch, dass der Ladeanschluss L1 mit einem Sternpunktanschluss S1 verbunden ist, welcher wiederum mit einem Sternpunkt 121 der elektrischen Maschine 120 verbunden ist.
Beim Laden ist der vierte Ladeschütz LS4 geschlossen. Bei geschlossenem dritten Ladeschütz LS3 und geöffnetem ersten Ladeschütz LS1 erfolgt wiederum herkömmliches DC-Laden.
Bei geschlossenem ersten Ladeschütz LS1 und geöffnetem oder fehlendem dritten Ladeschütz LS3 erfolgt das Laden über den Wechselrichter 10c. Der zweite Transistor T2, der vierte Transistor T4 und der sechste Transistor T6 werden zwecks Einstellung der Spannung entsprechend gesteuert bzw. getaktet. Im zweiten Modus können die zu taktenden Schalter entweder simultan, d. h. gleichzeitig, oder im Interleave-Modus, d. h. versetzt, getaktet werden.
In 5 ist ein Antriebsstrang 110d gemäß einer vierten Ausführungsform illustriert, welcher im Wesentlichen dem Antriebsstrang 110b gemäß der zweiten Ausführungsform entspricht, der Wechselrichter 10c jedoch dem Wechselrichter 10c der dritten Ausführungsform entspricht. Beim Laden ist der dritte Ladeschütz LS3 geschlossen. Bei geschlossenem vierten Ladeschütz LS4 und geöffnetem ersten Ladeschütz LS1 erfolgt wiederum herkömmliches DC-Laden.
Bei geschlossenem ersten Ladeschütz LS1 und geöffnetem oder fehlendem vierten Ladeschütz LS4 erfolgt das Laden über den Wechselrichter 10c. Der erste Transistor T1, der dritte Transistor T3 und der fünfte Transistor T5 werden zwecks Einstellung der Spannung entsprechend gesteuert bzw. getaktet. Im zweiten Modus können die zu taktenden Schalter entweder simultan, d. h. gleichzeitig, oder im Interleave-Modus, d. h. versetzt, getaktet werden.
Die Ladeschütze, welche zwischen dem Gleichspannung-Ladestecker 150 und den Schaltelementen des Wechselrichters 10a bzw. 10c eingebracht sind, können auch direkt in den Wechselrichter 10a bzw. 10c integriert werden. Die in den 6 bis 9 illustrierten Antriebsstränge 110e bis 110h entsprechen den entsprechend modifizierten Antriebssträngen 110a bis 110d gemäß den ersten vier Ausführungsformen.
In 6 ist demnach ein Antriebsstrang 110e gemäß einer fünften Ausführungsform illustriert. Der Wechselrichter 10e weist zusätzlich zum ersten Ladeanschluss L1 einen zweiten Ladeanschluss L2 auf. Der erste Ladeanschluss L1 ist direkt mit einem ersten Pol des Gleichspannung-Ladesteckers 150 verbunden und der zweite Ladeanschluss L2 ist direkt mit dem zweiten Pol des Gleichspannung-Ladesteckers 150 verbunden.
Ein erster Ladeschütz LS1 ist zwischen den ersten Ladeanschluss L1 und eine Phase U3 des 3-phasigen Wechselspannungsanschlusses U1 bis U3 geschaltet. Ein dritter Ladeschütz LS3 ist zwischen den ersten Ladeanschluss L1 und den ersten Batterieanschlusspol B1 geschaltet. Weiter ist ein vierter Ladeschütz LS4 zwischen den zweiten Ladeanschluss L2 und den zweiten Batterieanschlusspol B2 geschaltet.
Bei dem in 7 illustrierten Antriebsstrang 110f gemäß einer sechsten Ausführungsform ist im Unterschied zur fünften Ausführungsform der zweite Ladeanschluss L2 mit dem ersten Pol des Gleichspannung-Ladesteckers 150 verbunden, und der erste Ladeanschluss L1 ist mit dem zweiten Pol des Gleichspannung-Ladesteckers 150 verbunden.
8 zeigt einen Antriebsstrang 110g gemäß einer siebten Ausführungsform, wobei sich der Wechselrichter 10g von dem Wechselrichter 10e der fünften Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass der erste Ladeanschluss L1 über den ersten Ladeschütz LS1 mit einem Sternpunktanschluss S1 zum Anschluss des Sternpunkts 121 der elektrischen Maschine 120 verbunden ist.
9 zeigt einen Antriebsstrang 110h gemäß einer achten Ausführungsform, welche im Wesentlichen dem Antriebsstrang 110f gemäß der sechsten Ausführungsform entspricht, wobei der erste Ladeanschluss L1 jedoch wiederum über den ersten Ladeschütz LS1 mit einem Sternpunktanschluss S1 zum Anschluss des Sternpunkts 121 der elektrischen Maschine 120 verbunden ist.
Die Stromverläufe sind für die fünften bis achten Ausführungsform jeweils gestrichelt eingezeichnet.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere muss es sich nicht um eine 3-phasige elektrische Maschine handeln. Allgemeiner kann eine beliebige n-phasige elektrische Maschine betrieben werden, mit n>1.
Weiter ist auch eine Kombination der Ausführungsformen möglich. So ist in 10 ein Antriebsstrang 110i gemäß einer neunten Ausführungsform illustriert, welche eine Kombination der fünften und sechsten Ausführungsform darstellt. Auch Kombinationen anderer Ausführungsformen sind möglich.
Der Wechselrichter 10i umfasst einen ersten Ladeanschluss L1 und einen zweiten Ladeanschluss L2, welche mit dem ersten Pol bzw. zweiten Pol des Gleichspannung-Ladesteckers 150 verbunden sind. Der erste Ladeanschluss L1 ist von einer ersten Kontaktseite A1 her über einen ersten Ladeschütz LS1 zu einer zweiten Kontaktseite A2 hin mit einer Phase U3 des 3-phasigen Wechselspannungsanschlusses U1 bis U3 verbunden. Der zweite Ladeanschluss L2 ist von einer dritten Kontaktseite A3 her über einen zweiten Ladeschütz LS2 zur zweiten Kontaktseite A2 hin mit derselben Phase U3 verbunden. Weiter sind ein dritter Ladeschütz LS3 und ein vierter Ladeschütz LS4 vorgesehen, welche zwischen den ersten Ladeanschluss L1 und einen ersten Batterieanschlusspol B1 bzw. zwischen den zweiten Ladeanschluss L2 und einen zweiten Batterieanschlusspol B2 geschaltet sind.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können der erste Ladeanschluss L1, der zweite Ladeanschluss L2 und die Phase U3 auf andere Weise miteinander verknüpft sein.
So ist in 11 eine Alternative illustriert, wobei ein Wechsler 12b und ein fünfter Ladeschütz LS5 in Reihe geschaltet sind, wobei der Wechsler 12b zwischen der ersten Kontaktseite A1 und der dritten Kontaktseite A3 wechselt.
In 12 ist eine weitere Alternative dargestellt, wobei auf den fünften Ladeschütz LS5 verzichtet wird.
13 zeigt einen Antriebsstrang 110j gemäß einer zehnten Ausführungsform der Erfindung. Diese entspricht im Wesentlichen der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform, jedoch verläuft die Verbindung zwischen Gleichspannung-Ladestecker 150 und einer Phase der elektrischen Maschine 120 außerhalb des Wechselrichters 10j. Bei dem Wechselrichter 10j kann es sich somit um einen gebräuchlichen, nicht modifizierten Wechselrichter handeln. Der erste Pol des Gleichspannung-Ladesteckers 150 ist über die Verbindung mittels des ersten Ladeschütz LS1 mit der Phase der elektrischen Maschine 120 verbunden und über den Wechselspannungsanschluss U1 bis U3 des Wechselrichters 10j mit der Batterie 130, so dass die Batterie 130 wie oben beschrieben aufgeladen werden kann.
Anstelle mit der Phase der elektrischen Maschine 120 kann der erste Pol des Gleichspannung-Ladesteckers 150 auch über die Verbindung mittels des ersten Ladeschütz LS1 mit dem Sternpunktanschluss S1 verbunden sein.
14 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens 310 zum Betrieb eines Wechselrichters 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Wechselrichter 10 kann es sich um einen Wechselrichter 10 eines Antriebsstrangs 110 eines Fahrzeugs 210 handeln, welcher insbesondere gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein kann.
In einem ersten Verfahrensschritt 311 kann der Wechselrichter 10 in einem Fahrmodus betrieben werden, wobei die Leistungsschalter des Wechselrichters derart getaktet werden, dass die bereitgestellte elektrische Energie der Batterie 130 in eine Wechselspannung umgewandelt wird, welche die elektrische Maschine 120 betreibt. Die ersten bis vierten Ladeschütze LS1 bis LS4 sind zumindest teilweise geöffnet.
In einem zweiten Verfahrensschritt 312 wird der Wechselrichter 10 in einem Lademodus betrieben, wobei die Leistungsschalter des Wechselrichters 10 derart getaktet sind, dass dieser zum Hochsetzen einer Ladespannung einer an den Ladeanschluss L angeschlossenen Ladevorrichtung 140 dient. Im Lademodus sind die ersten bis vierten Ladeschütze LS1 bis LS4 zumindest teilweise geschlossen.
In einem dritten Verfahrensschritt 313 kann der Wechselrichter 10 in einem inversen Lademodus betrieben werden. Die Leistungsschalter des Wechselrichters 10 sind derart getaktet, dass dieser zum Tiefsetzen einer Batteriespannung der Batterie 130 dient, um eine an den Gleichspannung-Ladestecker 150 angeschlossene externe Batterie zu laden.
Die Verfahrensschritte 311, 312 und 313 können abwechselnd durchgeführt werden, das heißt Fahren und Laden bzw. inverses Laden wechseln sich ab.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/038222 A3 [0003]

Claims

Wechselrichter (10; 10a bis 10i) zum Wandeln elektrischer Energie einer Gleichspannungsquelle (130) in eine Wechselspannung und zum Hochsetzen einer Ladespannung einer Ladevorrichtung (140), mit: einem zweipoligen Batterieanschluss (B1, B2) zum Anschließen der Gleichspannungsquelle (130); einem n-phasigen Wechselspannungsanschluss (U1, U2, U3) zum Anschließen einer n-phasigen elektrischen Maschine (120) und zum Versorgen der elektrischen Maschine (120) mit der Wechselspannung, wobei n>1; und einem ersten Ladeanschluss (L1) zum Anschließen eines ersten Ladeanschlusspols der Ladevorrichtung (140).
Wechselrichter (10; 10a bis 10i) nach Anspruch 1, wobei der erste Ladeanschluss (L1) mit einer Phase des n-phasigen Wechselspannungsanschlusses (U1, U2, U3) verbunden ist.
Wechselrichter (10; 10a bis 10i) nach Anspruch 2, mit einem ersten Ladeschütz (LS1), wobei der erste Ladeschütz (LS1) zwischen den ersten Ladeanschluss (L1) und eine Phase des n-phasigen Wechselspannungsanschlusses (U1, U2, U3) geschaltet ist.
Wechselrichter (10; 10a bis 10i) nach Anspruch 3, mit einem zweiten Ladeanschluss (L2) zum Anschluss eines zweiten Ladeanschlusspols der Ladevorrichtung (140) und mit einem zweiten Ladeschütz (LS2), wobei der zweite Ladeschütz (LS2) zwischen den zweiten Ladeanschluss (L2) und die Phase des n-phasigen Wechselspannungsanschlusses (U1, U2, U3) geschaltet ist, die mit dem ersten Ladeschütz (LS1) verbunden ist.
Wechselrichter (10; 10a bis 10i) nach Anspruch 1, wobei der erste Ladeanschluss (L1) mit einem Sternpunktanschluss (S1) zum Anschluss eines Sternpunkts (121) der anschließbaren n-phasigen elektrischen Maschine (120) verbunden ist.
Wechselrichter (10; 10a bis 10i) nach Anspruch 5, mit einem ersten Ladeschütz (LS1), wobei der erste Ladeschütz (LS1) zwischen den ersten Ladeanschluss (L1) und den Sternpunktpunktanschluss (S1) zum Anschluss eines Sternpunkts (121) der anschließbaren n-phasigen elektrischen Maschine (120) geschaltet ist.
Wechselrichter (10; 10a bis 10i) nach Anspruch 3, 4 oder 6, mit einem zweiten Ladeanschluss (L2) zum Anschluss eines zweiten Ladeanschlusspols und mit einem dritten Ladeschütz (LS3) und einem vierten Ladeschütz (LS4), wobei der dritte Ladeschütz (LS3) zwischen den ersten Ladeanschluss (L1) und einen ersten Batterieanschlusspol (B1) geschaltet ist und der vierte Ladeschütz (LS4) zwischen den zweiten Ladeanschluss (L2) und einen zweiten Batterieanschlusspol (B2) geschaltet ist.
Elektrischer Antriebsstrang (110; 110a bis 110j) mit einer n-phasigen elektrischen Maschine (120), wobei n>1; einer Batterie (130) zum Bereitstellen elektrischer Energie, einem Wechselrichter (10; 10a bis 10j) zum Hochsetzen einer Ladespannung einer Ladevorrichtung (140) und zum Wandeln der elektrischen Energie der Batterie (130) in eine Wechselspannung, wobei der Wechselrichter einen n-phasigen Wechselspannungsanschluss (U1, U2, U3) aufweist, welcher mit der elektrischen Maschine (120) verbunden ist und zum Versorgen der elektrischen Maschine (120) mit der Wechselspannung dient; einem Gleichspannung-Ladestecker (150) zum Anschließen eines ersten Ladeanschlusspols der Ladevorrichtung (140); und einer Ladeverbindung, welche den Gleichspannung-Ladestecker (150) über einen Ladeschütz (LS1) mit der elektrischen Maschine (120) und/oder der Batterie (130) und/oder dem Wechselrichter (10; 10a bis 10j) verbindet,
Elektrischer Antriebsstrang (110; 110a bis 110i) nach Anspruch 8, wobei der Wechselrichter (10; 10a bis 10i) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
Fahrzeug (210) mit einem elektrischen Antriebsstrang (110; 110a bis 110i) nach einem der Ansprüche 8 oder 9.
Verfahren (310) zum Betreiben eines Wechselrichters (10; 10a bis 10i) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit den Schritten: Takten (311) der Leistungsschalter des Wechselrichters (10; 10a bis 10i) zur Wandlung elektrischer Energie einer Gleichspannungsquelle (130) in eine Wechselspannung zur Versorgung einer angeschlossenen elektrischen Maschine (120), insbesondere bei geöffnetem ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Ladeschütz (LS1, LS2, LS3, LS4); und Takten (312) der Leistungsschalter des Wechselrichters (10; 10a bis 10i) zum Hochsetzen einer Ladespannung einer an den Ladeanschluss (L1, L2) angeschlossenen Ladevorrichtung (140); insbesondere bei geschlossenem ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Ladeschütz (LS1, LS2, LS3, LS4).
Verfahren (310) nach Anspruch 11, wobei die Leistungsschalter des Wechselrichters (10; 10a bis 10i) zum Tiefsetzen einer Batteriespannung der Gleichspannungsquelle (130) getaktet werden, um eine an den Ladeanschluss (L1, L2) angeschlossene externe Batterie zu laden.
Computerprogramm, das eingerichtet ist, das Verfahren (310) nach Anspruch 11 oder 12 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.