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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers.
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Stand der Technik
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Ganz oder teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge umfassen einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktionsbatterie, welcher elektrische Energie zum Antrieb des Fahrzeugs bereitstellt. Diese Traktionsbatterie kann von einer externen Energiequelle aufgeladen werden. Die Spannung dieser Traktionsbatterie kann hierbei mehrere 100 Volt betragen. Aus Sicherheitsgründen ist es daher wünschenswert, dass während des Aufladens der Traktionsbatterie eine galvanische Trennung zwischen der Traktionsbatterie und einer externen Energiequelle besteht.
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Die Druckschrift
DE 10 2012 203 612 A1 offenbart ein Batterieladegerät mit einem Spannungswandler. Das Batterieladegerät umfasst einen zweisträngigen Gleichspannungswandler, wobei jeder Strang einen Transformator umfasst, um eine galvanische Trennung zwischen Primärseite und Sekundärseite des jeweiligen Transformators zu ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Eine Vorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers, mit einer elektrischen Maschine, einer ersten Stromrichterschaltung und einer zweiten Stromrichterschaltung. Die elektrische Maschine umfasst eine erste Gruppe von Phasenwicklungen und eine zweite Gruppe von Phasenwicklungen. Die erste Stromrichterschaltung ist an einem ersten Anschluss mit der ersten Gruppe von Phasenwicklungen der elektrischen Maschine elektrisch gekoppelt. Die erste Stromrichterschaltung ist ferner dazu ausgelegt, an einen zweiten Anschluss mit einer elektrischen Spannungsquelle gekoppelt zu werden. Die zweite Stromrichterschaltung ist an einem ersten Anschluss mit der zweiten Gruppe von Phasenwicklungen der elektrischen Maschine elektrisch gekoppelt. Die zweite Stromrichterschaltung ist ferner dazu ausgelegt, an einem zweiten Anschluss mit einem elektrischen Energiespeicher elektrisch gekoppelt zu werden. Weiterhin ist die erste Stromrichterschaltung dazu ausgelegt, eine von der elektrischen Spannungsquelle bereitgestellte elektrische Spannung in eine Wechselspannung zu konvertieren und an der ersten Gruppe von Phasenwicklungen der elektrischen Maschine bereitzustellen. Die zweite Stromrichterschaltung ist weiterhin dazu ausgelegt, eine in der zweiten Gruppe von Phasenwicklungen der elektrischen Maschine induzierte elektrische Spannung gleichzurichten und die gleichgerichtete elektrische Spannung an dem elektrischen Energiespeicher bereitzustellen.
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Weiterhin ist vorgesehen:
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Ein Verfahren zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers in einem elektrischen Antriebssystem. Das elektrische Antriebssystem umfasst hierbei eine elektrische Maschine mit einer ersten Gruppe von Phasenwicklungen und einer zweiten Gruppe von Phasenwicklungen. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Bereitstellen einer elektrischen Wechselspannung an der ersten Gruppe von Phasenwicklungen der elektrischen Maschine. Weiterhin umfasst das Verfahren die Schritte des Gleichrichtens einer elektrischen Spannung, die in der zweiten Gruppe von Phasenwicklungen der elektrischen Maschine induziert worden ist und des Bereitstellens der gleichgerichteten elektrischen Spannung an dem elektrischen Energiespeicher.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für ein sicheres Aufladen eines elektrischen Energiespeichers, wie beispielsweise der Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, eine galvanische Trennung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und einer Spannungsquelle wünschenswert ist. Für eine solche galvanische Trennung müssen bei konventionellen Lösungen zusätzliche Bauelemente, wie beispielsweise Transformatoren eingesetzt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine effiziente, platzsparende und kostengünstige Lösung für eine galvanisch trennende elektrische Energieübertragung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers bereitzustellen. Dabei ist es eine Idee der vorliegenden Erfindung, die elektrischen Windungen in den Phasensträngen einer elektrischen Maschine für eine induktive Energieübertragung zu nutzen.
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Durch die Verwendung der Phasenwicklungen einer elektrischen Maschine ist es somit möglich, eine galvanische Trennung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und einer externen Spannungsquelle bereitzustellen, ohne dass hierzu zusätzliche Bauelemente, wie beispielsweise Transformatoren oder ähnliches, erforderlich wären. Durch den Verzicht auf diese weiteren Bauelemente können daher die Kosten gesenkt werden. Ferner sinken durch den Wegfall von zusätzlichen Bauelementen auch der Platzbedarf und das Gewicht des Gesamtsystems.
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Da für das erfindungsgemäße Aufladen eines elektrischen Energiespeichers mit einer galvanischen Entkopplung keine zusätzlichen Bauelemente benötigt werden, sinkt somit auch der Entwicklungsaufwand. Ferner wird durch die Reduktion der erforderlichen Bauteile auch die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems gesteigert, da insgesamt weniger Bauelemente während des Betriebs kaputt gehen können.
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Als elektrische Maschine können insbesondere elektrische Maschinen eingesetzt werden, welche mindestens zwei Gruppen von Phasenwicklungen aufweisen. Die einzelnen Gruppen sind dabei nicht elektrisch miteinander verbunden. Insbesondere können die einzelnen Phasenwicklungen jeder Gruppe untereinander in Dreiecks- oder Sternkonfiguration miteinander verschaltet sein. Beispielsweise kann bei einer Sternschaltung jede Gruppe der Phasenwicklungen einen separaten Sternpunkt aufweisen. Beispielsweise kann eine solche elektrische Maschine insgesamt sechs Phasenwicklungen oder auch Phasenstränge aufweisen, wobei jeweils drei Phasenwicklungen eine Gruppe bilden, die als Stern oder Dreieck miteinander verschaltet sind. Bei einer solchen elektrischen Maschine kann es sich beispielsweise um eine Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine handeln.
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Jede Gruppe der Phasenwicklungen kann von einer separaten Stromrichterschaltung angesteuert werden. Während des normalen operationellen Motorbetriebs oder auch Generatorbetriebs der elektrischen Maschine kann dabei jede Stromrichterschaltung mit einer separaten Energiequelle gekoppelt sein. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Stromrichterschaltungen von einer gemeinsamen Energiequelle gespeist werden.
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In einer Ausführungsform umfasst die erste Gruppe von Phasenwicklungen der elektrischen Maschine einen ersten Sternpunkt. Die zweite Gruppe von Phasenwicklungen der elektrischen Maschine kann einen separaten, zweiten Sternpunkt umfassen. Entsprechend sind die Phasenwicklungen der jeweiligen Gruppe in Sternkonfiguration miteinander verschaltet. Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, dass eine der beiden Gruppen oder beide Gruppen in Dreieckskonfiguration miteinander verschaltet sind. Für eine galvanische Trennung während des Aufladens des elektrischen Energiespeichers ist es jedoch von Bedeutung, dass die einzelnen Gruppen von Phasenwicklungen nicht elektrisch miteinander verbunden sind.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Stromrichterschaltung dazu ausgelegt, die elektrische Wechselspannung zwischen dem ersten Sternpunkt und jeweils einem weiteren Phasenanschluss mindestens einer Phasenwicklung der ersten Gruppe von Phasenwicklungen der elektrischen Maschine bereitzustellen. Beispielsweise kann eine einphasige elektrische Wechselspannung zwischen dem ersten Sternpunkt und einem oder allen weiteren Phasenanschlüssen der Phasenwicklungen der ersten Gruppe von Phasenwicklungen bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann es sich bei der durch die erste Stromrichterschaltung bereitgestellten Wechselspannung auch um eine mehrphasige elektrische Wechselspannung handeln. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Phasen der bereitgestellten Wechselspannung dabei der Anzahl von Phasenwicklungen in der ersten Gruppe. Auf diese Weise kann jeweils eine Phase der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung an einer entsprechenden Phasenwicklung der elektrischen Maschine bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Stromrichterschaltung dazu ausgelegt, die elektrische Wechselspannung zwischen den Phasenanschlüssen der ersten Gruppe von Phasenwicklungen der elektrischen Maschine bereitzustellen. Insbesondere kann jeweils zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss jeder Phasenwicklung der ersten Gruppe von Phasenwicklungen eine elektrische Wechselspannung bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei der bereitgestellten elektrischen Wechselspannung um eine mehrphasige elektrische Wechselspannung, insbesondere um eine dreiphasige elektrische Wechselspannung handeln. Die mehrphasige elektrische Wechselspannung kann dabei zwischen den einzelnen Anschlüssen der Phasenwicklungen der ersten Gruppe von Phasenwicklungen bereitgestellt werden. Hierbei können die einzelnen Gruppen von Phasenwicklungen sowohl als Sternkonfiguration als auch als Dreieckskonfiguration verschaltet sein
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei der durch die erste Stromrichterschaltung bereitgestellten Wechselspannung um eine einphasige elektrische Wechselspannung. Die einphasige elektrische Wechselspannung kann dabei parallel an allen Phasenwicklungen der ersten Gruppe von Phasenwicklungen bereitgestellt werden. Alternativ ist es auch möglich, dass eine einphasige elektrische Wechselspannung nur an einer Phasenwicklung der ersten Gruppe von Phasenwicklungen bereitgestellt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Wechselrichter. Der Wechselrichter kann dazu ausgelegt sein, eine von der elektrischen Spannungsquelle bereitgestellte elektrische Spannung, insbesondere eine bereitgestellte elektrische Gleichspannung, in eine elektrische Wechselspannung zu konvertieren. Diese Wechselspannung kann an dem zweiten Anschluss der ersten Stromrichterschaltung bereitgestellt werden. Durch das Generieren der Wechselspannung für die elektrische Energieübertragung zwischen der ersten Gruppe von Phasenwicklungen und der zweiten Gruppe von Phasenwicklungen durch einen externen Wechselrichter, sind durch die erste Stromrichterschaltung selbst während der Energieübertragung keine weiteren Schaltvorgänge erforderlich. Die Frequenz der Wechselspannung kann im Bereich der Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz liegen. Insbesondere sind aber auch Wechselspannungen mit deutlich höheren Frequenzen im Bereich von 100 oder mehreren hundert Hz, oder ggf. im Bereich von kHz möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Trennschalter. Der Trennschalter kann zwischen dem zweiten Anschluss der ersten Stromrichterschaltung und dem zweiten Anschluss der zweiten Stromrichterschaltung angeordnet sein. Der Trennschalter kann insbesondere dazu ausgelegt sein, eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss der ersten Stromrichterschaltung und dem zweiten Anschluss der zweiten Stromrichterschaltung zu trennen. Die Trennung zwischen den beiden zweiten Anschlüssen der ersten und zweiten Stromrichterschaltung kann insbesondere dann erfolgen, wenn der elektrische Energiespeicher von einer externen Spannungsquelle aufgeladen werden soll. Durch das Auftreten der elektrischen Verbindung mittels des Trennschalters sind somit die beiden Stromrichterschaltungen galvanisch voneinander getrennt, so dass eine galvanisch getrennte Energieübertragung mittels induktiver Kopplung zwischen den beiden Gruppen von Phasenwicklungen erfolgen kann.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Aufladen des elektrischen Energiespeichers bei Stillstand der elektrischen Maschine. Insbesondere erfolgt die induktive Energieübertragung zwischen den beiden Gruppen von Phasenwicklungen dabei derart, dass kein Drehmoment in der elektrischen Maschine eingestellt wird. Gegebenenfalls kann der Rotor der elektrischen Maschine dabei vor Beginn der Energieübertragung in eine geeignete Stellung gebracht werden. Der Rotor kann dabei gegebenenfalls so weit gedreht werden, dass eine möglichst effiziente Energieübertragung zwischen den beiden Gruppen von Phasenwicklungen erfolgen kann.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer Vorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform;
- 2: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer Vorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 3: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer Vorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 4: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer Vorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers gemäß noch einer weiteren Ausführungsform;
- 5: eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds in einem Wechselrichter zum Bereitstellen einer elektrischen Wechselspannung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers; und
- 6: ein Flussdiagramm, wie es einem Verfahren zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung 1 zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers 30. Die Vorrichtung umfasst eine elektrische Maschine 10 sowie eine erste Stromrichterschaltung 21 und eine zweite Stromrichterschaltung 22. Die erste Stromrichterschaltung 21 und die zweite Stromrichterschaltung 22 können hierbei auch als ein gemeinsamer Stromrichter ausgeführt sein. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass die erste Stromrichterschaltung 21 und die zweite Stromrichterschaltung 22 räumlich getrennt voneinander angeordnet sind. Während des motorischen oder generatorischen Betriebs der elektrischen Maschine 10 können die erste Stromrichterschaltung 21 und die zweite Stromrichterschaltung 22 beispielsweise von einem gemeinsamen elektrischen Energiespeicher 30 gespeist werden. Hierzu kann zwischen der ersten Stromrichterschaltung 21 und der zweiten Stromrichterschaltung 22 ein Trennschalter 50 vorgesehen sein, der eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Stromrichterschaltung 21 und der zweiten Stromrichterschaltung 22 während des motorischen oder generatorischen Betriebs der elektrischen Maschine 10 bereitstellt. Alternativ ist es auch möglich, dass die erste Stromrichterschaltung 21 und die zweite Stromrichterschaltung 22 von zwei separaten elektrischen Energiespeichern oder gegebenenfalls auch anderen elektrischen Energiequellen gespeist werden.
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Parallel zu dem elektrischen Energiespeicher 30 kann ein Zwischenkreiskondensator 31 angeordnet sein.
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Die elektrische Maschine 10 ist als elektrische Maschine 10 mit mehreren Phasenwicklungen/Phasensträngen 11 bis 16 ausgebildet. Insbesondere kann die elektrische Maschine beispielsweise eine erste Gruppe von Phasenwicklungen 11 bis 13 umfassen, die elektrisch mit der ersten Stromrichterschaltung 21 gekoppelt sind. Analog kann eine zweite Gruppe von Phasenwicklungen 14 bis 16 der elektrischen Maschine 10 elektrisch mit der zweiten Stromrichterschaltung 22 gekoppelt sein. In der hier dargestellten Ausführungsform ist die erste Gruppe von Phasenwicklungen 11 bis 13 und die zweite Gruppe von Phasenwicklungen 14 bis 16 jeweils als Sternschaltung mit einem separaten Sternpunkt SP1, SP2 ausgeführt. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass die erste Gruppe von Phasenwicklungen 11 bis 13 und/oder die zweite Gruppe von Phasenwicklungen 14 bis 16 als Dreiecksschaltung ausgeführt ist. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel mit jeweils drei Phasenwicklungen/Phasensträngen 11-13, 14-16 für jede Gruppe, das heißt einer elektrischen Maschine mit sechs Phasenwicklungen/Phasensträngen, von denen jeweils drei Phasenwicklungen/Phasenstränge eine Gruppe bilden, dient dabei lediglich dem besseren Verständnis. Darüber hinaus sind grundsätzlich auch Gruppen mit einer von drei verschiedenen Anzahlen von Phasenwicklungen möglich. Auch ist es grundsätzlich möglich, dass die elektrische Maschine 10 mehr als zwei Gruppen von Phasenwicklungen aufweist.
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Die erste Stromrichterschaltung 21 umfasst beispielsweise für jede Phasenwicklung 11 bis 13 eine Halbbrücke mit jeweils zwei Schaltelementen M1 bis M6. Die Halbbrücken können dabei insbesondere an einem ersten Knotenpunkt, beispielsweise einem positiven Eingangsanschluss sowie einem zweiten Knotenpunkt, beispielsweise einem negativen Eingangsanschluss elektrisch miteinander verbunden sein.
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Analog kann auch die zweite Stromrichterschaltung 22 für jede Phasenwicklung 14 bis 16 der zweiten Gruppe von Phasenwicklungen 14 bis 16 eine Halbbrücke mit jeweils zwei Schaltelementen M7 bis M12 aufweisen. Bei den Schaltelementen M1 bis M12 der ersten und zweiten Stromrichterschaltung 21, 22 kann es sich beispielsweise um Halbleiterschaltelemente, insbesondere um bipolare Transistoren mit einem isolierten Gateanschluss (IGBT) oder MOSFET handeln.
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Zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 30 ist die erste Stromrichterschaltung 21 von der zweiten Stromrichterschaltung 22 elektrisch getrennt. Sofern zwischen der ersten Stromrichterschaltung 21 und der zweiten Stromrichterschaltung 22 ein Trennschalter 50 vorgesehen ist, so ist dieser Trennschalter 50 während des Aufladens geöffnet.
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Zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 30 wird von einer Spannungsquelle 40 elektrische Energie in die erste Stromrichterschaltung 21 eingespeist. Die erste Stromrichterschaltung 21 beaufschlagt daraufhin mindestens eine Phasenwicklung 11 bis 13 der ersten Gruppe von Phasenwicklungen 11 bis 13 mit einer elektrischen Spannung. Hierauf stellt sich in der entsprechenden Phasenwicklung 11 bis 13 ein elektrischer Strom ein. Ein sich daraufhin ausbildendes magnetisches Feld induziert in den Phasenwicklungen 14 bis 16 der zweiten Gruppe von Phasenwicklungen 14 bis 16 eine elektrische Spannung. Diese induzierte elektrische Spannung wird von der zweiten Stromrichterschaltung 22 gleichgerichtet, gegebensfall kann der Strom geregelt werden und anschließend wir die entsprechende elektrische Energie in die Batterie 30 eingespeist.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform wird von einer einphasigen Wechselspannungsquelle 40 elektrische Energie in die erste Stromrichterschaltung 21 eingespeist. In diesem Fall ist ein Anschluss der Spannungsquelle 40 mit einem Knotenpunkt zwischen einem oberen und einem unteren Schaltelement einer Halbbrücke verbunden, und der andere Anschluss der Wechselspannungsquelle ist mit einem weiteren Knotenpunkt einer anderen Halbbrücke verbunden. Auf diese Weise werden mindestens zwei Phasenwicklungen 11, 13 der ersten Gruppe von Phasenwicklungen 11 bis 13 mit einer Spannung beaufschlagt, falls alle Schaltelemente M1 bis M6 der ersten Stromrichterschaltung 21 geöffnet sind. Gegebenenfalls können zwei obere Schaltelemente M1, M3 oder M3 und M5 oder zwei untere Schaltelemente M2 und M4 oder M4 und M6 geschlossen werden, so dass auch die weitere Phasenwicklung 12 mit einer Spannung beaufschlagt wird.
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Bei der von der Spannungsquelle 40 eingespeisten Wechselspannung kann es sich um eine Wechselspannung mit Netzfrequenz, beispielsweise 50 oder 60 Hz handeln. Darüber hinaus sind jedoch auch Wechselspannungen mit einer deutlich höheren Frequenz von 100 oder mehreren hundert Hertz oder gegebenenfalls auch Frequenzen im Bereich von einem oder mehreren Kilohertz möglich.
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Durch die durch die Phasenwicklungen 11 bis 13 der ersten Gruppe von Phasenwicklungen 11 bis 13 fließenden elektrischen Ströme wird ein magnetisches Wechselfeld hervorgerufen, welches in den Phasenwicklungen 14 bis 16 der zweiten Gruppe von Phasenwicklungen eine elektrische Spannung induziert. Diese elektrischen Spannungen werden von der zweiten Stromrichterschaltung 22 gleichgerichtet, gegebensfall kann der Strom geregelt werden und die gleichgerichtete Spannung wird an dem elektrischen Energiespeicher 30 eingespeist. Auf diese Weise kann der elektrische Energiespeicher 30 aufgeladen werden.
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Gegebenenfalls kann die Rotorposition der elektrischen Maschine 10 zu Beginn des Ladevorgangs angepasst werden. Während des Ladevorgangs, das heißt während der Übertragung der elektrischen Energie von der ersten Gruppe von Phasenwicklungen 11 bis 13 zu der zweiten Gruppe von Phasenwicklungen 14 bis 16 befindet sich die elektrische Maschine 10 jedoch im Stillstand.
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Neben der hier dargestellten Ausführungsform mit einer einphasigen Wechselspannungsquelle 40 ist darüber hinaus auch das Einspeisen von elektrischer Energie von einer mehrphasigen Wechselspannungsquelle möglich. Beispielsweise kann jeder Knotenpunkt zwischen einem oberen und einem unteren Schaltelement S1 bis S6 mit einer Phase einer mehrphasigen Wechselspannungsquelle verbunden werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer Vorrichtung 1 zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers 30 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Hierbei gelten grundsätzlich, soweit anwendbar, sämtliche Ausführungen, wie sie im Zusammenhang mit 1 beschrieben worden sind. Die Ausführungsform in 2 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform in 1 darin, dass die Spannungsquelle 40 hier zwischen einem oberen Knotenpunkt, an dem die oberen Schaltelemente M1, M3 und M5 der ersten Stromrichterschaltung 21 miteinander verbunden sind, und eine unteren Knotenpunkt, an dem die unteren Schaltelemente M2, M4 und M6 miteinander verbunden sind, eine elektrische Spannung bereitstellt. Bei dem oberen Knotenpunkt kann es sich beispielsweise um den Anschluss der positiven Eingangsspannung für die erste Stromrichterschaltung 21 handeln, und analog kann es sich bei dem unteren Knotenpunkt um den korrespondierenden Anschluss der negativen Eingangsspannung für die erste Stromrichterschaltung 21 handeln.
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Bei der Spannungsquelle 40 kann sich beispielsweise um eine mit der ersten Stromrichterschaltung 21 elektrisch gekoppelte Gleichspannungsquelle handeln.. Beispielsweise kann es sich bei der Spannungsquelle 40 um eine extern angeschlossene Gleichspannungsquelle, wie beispielsweise einen Anschluss an eine externe Ladestation für ein Elektrofahrzeug handeln. Ferner kann es sich bei der Spannungsquelle 40 auch um eine interne Spannungsquelle, beispielsweise um eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeug, eine Brennstoffzelle o. ä. handeln. Darüber hinaus sind selbverständlich auch beliebige andere interne oder externe Spannungsquellen möglich.
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Insbesondere ist es auch möglich, dass durch die Spannungsquelle 40 zunächst eine Wechselspannung bereitgestellt wird, welche durch eine geeignete Gleichrichterschaltung (in 2 nicht dargestellt) gleichgerichtet wird und die gleichgerichtete Spannung daraufhin an der ersten Stromrichterschaltung 21 bereitgestellt wird.
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Handelt es sich bei der Spannungsquelle 40 um eine Gleichspannungsquelle, so kann durch geeignetes Ansteuern der Schaltelemente M1 bis M6 der ersten Stromrichterschaltung 21 die bereitgestellte Gleichspannung in eine geeignete Wechselspannung mit einer vorgegebenen Frequenz und gegebenfalls einem vorgegebenen Drehmoment in der elektrischen Maschine 10 (beispielsweise während des Ladens der Batterie 30 von einer Brennstoffzelle oder einer weiteren Spannungsquelle 40, wie zum Beispiel einer Batterie - während der Fahrt) konvertiert werden. Die durch die erste Stromrichterschaltung 21 erzeugte Wechselspannung kann daraufhin an den Phasenwicklungen 11-13 der ersten Gruppe von Phasenwicklungen 11-13 bereitgestellt werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer Vorrichtung 1 zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers 30 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Auch hier gelten, soweit anwendbar, sämtliche Ausführungen, wie sie im Zusammenhang mit 1 und 2 beschrieben worden sind. Die Ausführungsform in 3 unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen 1 darin, dass die elektrische Spannungsquelle 40 die elektrische Spannung zwischen dem Sternpunkt SP1 der ersten Gruppe von Phasenwicklungen 11 bis 13 und einem Anschlusspunkt der ersten Stromrichterschaltung 21 einspeist. Insbesondere wird gemäß 3 die elektrische Spannung zwischen dem Sternpunkt SP1 der ersten Gruppe von Phasenwicklungen 11 bis 13 und einem Knotenpunkt, an dem die unteren Schaltelemente M2, M4, M6 miteinander verbunden sind, eingespeist. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass die elektrische Energie zwischen dem Sternpunkt SP1 und einem Knotenpunkt eingespeist wird, an dem die oberen Schaltelemente M1, M3, M5 miteinander verbunden sind. Ferner kann die elektrische Energie auch zwischen dem Sternpunkt SP1 und einem Knotenpunkt eingespeist werden, an dem ein oberes Schaltelement M1, M3, M5 und ein unteres Schaltelement M2, M4, M6 einer Halbbrücke miteinander verbunden sind. Durch geeignetes Ansteuern der Schaltelemente M1 bis M6 der ersten Stromrichterschaltung 21 kann daraufhin die elektrische Spannung zwischen dem Sternpunkt SP1 und einer oder mehreren Phasenwicklungen 11 bis 13 der ersten Gruppe von Phasenwicklungen 11 bis 13 bereitgestellt werden.
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Auch in diesem Fall wird in den Phasenwicklungen 14 bis 16 der zweiten Gruppe von Phasenwicklungen 14 bis 16 eine elektrische Spannung induziert, die durch die zweite Stromrichterschaltung 22 gleichgerichtet wird und daraufhin in den elektrischen Energiespeicher 30 eingespeist werden kann.
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4 zeigt ein Prinzipschaltbild einer weiteren Ausführungsform für eine Vorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers 30. Auch hier gelten, soweit anwendbar, die Ausführungen zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen. In der Ausführungsform gemäß 4 erfolgt eine mehrphasige Einspeisung von elektrischer Energie der Spannungsquelle 40 in die erste Stromrichterschaltung 21. Beispielsweise kann jede Phase der elektrischen Spannungsquelle 40 mit einem Knotenpunkt zwischen einem oberen Schaltelemente M1, M3, M5 und einem unteren Schaltelement M2, M4, M6 jeweils einer Halbbrücke der ersten Stromrichterschaltung 21 verbunden werden. Wie zuvor bereits beschrieben, kann die Frequenz der von der Spannungsquelle 40 bereitgestellten Wechselspannung im Bereich der Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz liegen. Darüber hinaus sind höhere Frequenzen von einhundert oder mehreren hundert Hertz möglicht. Auch Frequenzen von einem oder mehreren Kilohertz sind möglich.
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5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild zum Einspeisen elektrischer Energie in die erste Stromrichterschaltung 21. Beispielsweise kann die elektrische Spannungsquelle 40 eine ein- oder mehrphasige Spannungsquelle umfassen, die zunächst mittels einer geeigneten Gleichrichterschaltung, insbesondere einer aktiven oder passiven Gleichrichterschaltung gleichgerichtet wird. Alternativ ist auch das Einspeisen einer geeigneten Gleichspannung möglich. Die Gleichspannung kann daraufhin mittels eines geeigneten Wechselrichters 25 in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung konvertiert werden. Insbesondere kann dabei die Frequenz der Wechselspannung im Bereich von einigen hundert Hertz oder einigen Kilohertz liegen. Der Wechselrichter 25 und gegebenenfalls auch der Gleichrichter 27 kann hierbei beispielsweise in der Vorrichtung 1 zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 30 integriert sein.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers 30 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Insbesondere kann es sich bei dem elektrischen Energiespeicher 30 um einen elektrischen Energiespeicher eines elektrischen Antriebssystems mit einer elektrischen Maschine 10 handeln. Wie zuvor bereits beschrieben, kann die elektrische Maschine 10 eine erste Gruppe von Phasenwicklungen 11 bis 13 und eine zweite Gruppe von Phasenwicklungen 14 bis 16 umfassen. Das Verfahren umfasst einen Schritt S1 zum Bereitstellen einer elektrischen Wechselspannung an der ersten Gruppe von Phasenwicklungen 11 bis 13 der elektrischen Maschine 10. In Schritt S2 wird eine elektrische Wechselspannung gleichgerichtet, die in der zweiten Gruppe von Phasenwicklungen 14 bis 16 der elektrischen Maschine induziert worden ist. In Schritt S3 wird daraufhin die gleichgerichtete Spannung an dem elektrischen Energiespeicher 30 bereitgestellt.
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Insbesondere kann das Verfahren bei Stillstand der elektrischen Maschine ausgeführt werden. Gegebenenfalls kann zu Beginn des Aufladens des elektrischen Energiespeichers 30 die Rotorposition der elektrischen Maschine angepasst werden.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung das Aufladen eines elektrischen Energiespeichers in einem elektrischen Antriebssystem. Zur galvanischen Trennung zwischen einer Spannungsquelle und dem aufzuladenden Energiespeicher ist eine induktive Kopplung zwischen Phasenwicklungen/Phasensträngen einer elektrischen Maschine vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012203612 A1 [0003]
