DE102019005621A1 - Bordnetz für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz (10) für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einer Fahrzeugbatterie (12), einer mehrphasigen elektrischen Maschine (14) und einem mit der Fahrzeugbatterie (12) elektrisch gekoppelten Wechselrichter (16), der für jede der Phasen der elektrischen Maschine (14) eine jeweilige Reihenschaltung aus jeweiligen in Reihe geschalteten Schalteinheiten (26, 28, 46, 48, 50, 52) umfasst, wobei die Schalteinheiten (26, 28, 46, 48, 50, 52) einer jeweiligen der Reihenschaltungen einen jeweiligen Mittelanschluss (18, 20, 22) bereitstellen, an den eine jeweilige Phasenwicklung der elektrischen Maschine (14) angeschlossen ist, wobei der Wechselrichter als 3-Pegel-Wechselrichter ausgebildet ist, bei dem jede der Schalteinheiten eine Reihenschaltung aus zwei an einem Verbindungspunkt miteinander verbundenen Schaltelementen aufweist, wobei bei den zwei Schalteinheiten von zumindest einer der Reihenschaltungen an den jeweiligen Verbindungspunkten jeweils eine Induktivität mit einem jeweiligen ersten Anschluss angeschlossen ist, wobei jeweilige zweite Anschlüsse der Induktivitäten mit einem Gleichspannungsladeanschluss (42) des Kraftfahrzeugs elektrisch koppelbar sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einer Fahrzeugbatterie, einer mehrphasigen elektrischen Maschine und einem mit der Fahrzeugbatterie elektrisch gekoppelten Wechselrichter, der für jede der Phasen der elektrischen Maschine eine jeweilige Reihenschaltung aus jeweiligen in Reihe geschalteten Schalteinheiten umfasst, wobei die Schalteinheiten einer jeweiligen der Reihenschaltungen einen jeweiligen Mittelanschluss bereitstellen, an den eine jeweilige Phasenwicklung der elektrischen Maschine angeschlossen ist.
  • Bordnetze der gattungsgemäßen Art sind im Stand der Technik umfänglich bekannt. Sie dienen insbesondere dazu, elektrische Einrichtungen und Einheiten, die an das elektrische Bordnetz angeschlossen sind, in vorgebbarer Weise miteinander elektrisch zu koppeln. An dem elektrischen Bordnetz ist zumindest ein Teil der elektrischen Einrichtungen beziehungsweise Einheiten angeschlossen. Das elektrische Bordnetz dient somit der Verteilung der elektrischen Energie innerhalb des Kraftfahrzeugs. Insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist das Bordnetz für die Beaufschlagung mit einer Gleichspannung im Hochvoltbereich ausgebildet. Der Begriff „Hochvolt“ umfasst eine elektrische Gleichspannung, die größer als etwa 60 V ist. Vorzugsweise ist der Begriff „Hochvolt“ konform mit der Norm ECE R 100.
  • Die Gleichspannung des Hochvoltbordnetzes kann im bestimmungsgemäßen Betrieb zum Beispiel etwa 400 V betragen. Darüber hinaus kann sie jedoch auch etwa 800 V oder dergleichen betragen. Natürlich kann der Wert der Gleichspannung auch abweichend hiervon gewählt sein. Grundsätzlich ergeben sich die vorgenannten Spannungswerte jedoch unter Berücksichtigung von standardisierten Bauteilen sowie elektrischen Einrichtungen, die für derartige elektrische Spannungen ausgelegt beziehungsweise standardisiert sind.
  • Das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug weist für den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb eine Antriebseinrichtung auf, die in der Regel eine rotierende elektrische Maschine umfasst. Die rotierende elektrische Maschine ist in der Regel eine mehrphasige, insbesondere dreiphasige Wechselspannungsmaschine, beispielsweise eine Asynchronmaschine, eine Synchronmaschine, eine Synchronmaschine mit Dämpferkäfig oder dergleichen.
  • Zur Kopplung der rotierenden elektrischen Maschine mit dem Bordnetz umfasst die Antriebseinrichtung in der Regel einen Wechselrichter, der gleichspannungsseitig an das Bordnetz angeschlossen ist und mit der Bordnetzspannung des Bordnetzes beaufschlagt ist. Zur Kopplung umfasst der Wechselrichter für jede der Phasen der rotierenden elektrischen Maschine eine jeweilige Reihenschaltung aus zwei jeweiligen Schalteinheiten, die einen Mittelanschluss bereitstellen, an dem eine jeweilige Phasenwicklung der elektrischen Maschine mit ihrem jeweiligen wechselrichterseitigen Wicklungsanschluss angeschlossen ist. Jede der Phasenwicklungen kann einen gegenüberliegenden Sternpunktwicklungsanschluss aufweisen. Für den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb sind die Sternpunktwicklungsanschlüsse einen Sternpunkt bildend miteinander elektrisch koppelbar. Die Funktion des Wechselrichters in Verbindung mit der rotierenden elektrischen Maschine ist umfänglich bekannt und wird für die weiteren Ausführungen als vom Fachmann bekannt vorausgesetzt.
  • Insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist es erforderlich, das Kraftfahrzeug in regelmäßigen Abständen mit einer elektrischen Energiequelle zu koppeln, beispielsweise einer Ladestation, um von der elektrischen Energiequelle elektrische Energie dem Kraftfahrzeug zuführen zu können, die es für seinen bestimmungsgemäßen Betrieb, insbesondere für seinen bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb, benötigt. Zu diesem Zweck wird das Kraftfahrzeug in der Regel an der Ladestation abgestellt und mit dieser energietechnisch gekoppelt, sodass von der Ladestation elektrische Energie zum Kraftfahrzeug geführt werden kann. Die energietechnische Kopplung kann dabei auf unterschiedlichste Arten und Weisen erfolgen. Die energietechnische Kopplung kann zum Beispiel leitungsgebunden erfolgen, indem das Kraftfahrzeug mit der Ladestation beziehungsweise deren Kopplungseinheit mittels eines Ladekabels elektrisch verbunden wird. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, eine drahtlose energietechnische Kopplung bereitzustellen, beispielsweise basierend auf einem induktiven Koppeln mittels eines magnetischen Wechselfeldes oder dergleichen.
  • Das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder dergleichen. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein Kraftwagen, insbesondere ein Personenkraftwagen.
  • Wird von der Ladestation zum Zwecke des Aufladens eines Energiespeichers des Bordnetzes beziehungsweise dessen Fahrzeugbatterie eine Wechselspannung bereitgestellt, so ist üblicherweise im Kraftfahrzeug eine Ladeeinheit vorgesehen, die die Wechselspannung der Ladestation in eine für das Bordnetz geeignete Gleichspannung umwandelt, sodass die energietechnische Kopplung hergestellt werden kann. Eine solche Ladeeinheit kann zum Beispiel eine Gleichrichtereinheit, beispielsweise einen Brückengleichrichter oder dergleichen umfassen.
  • Stellt die Ladestation hingegen eine Gleichspannung bereit, ist die energietechnische Kopplung auf andere Weise zu bewerkstelligen. Ist die von der Ladestation bereitgestellte Gleichspannung geeignet, eine unmittelbare Kopplung mit dem Bordnetz herzustellen, kann dies dadurch erreicht werden, dass das Kraftfahrzeug den Gleichspannungsladeanschluss umfasst, an den die Ladestation angeschlossen werden kann, und zwar mittels des Ladekabels. Der Gleichspannungsladeanschluss kann über ein zweipoliges Schütz mit dem Bordnetz elektrisch gekoppelt werden, sodass Energie in vorgebbarer Weise ausgetauscht werden kann.
  • In der Regel sind derartige Ladestationen dazu ausgebildet, eine Gleichspannung in einem Bereich von etwa 400 V bis etwa 500 V bereitstellen zu können. Dadurch kann bei einem mit einer vergleichbaren Bordnetzspannung beaufschlagten Bordnetz eine unmittelbare Kopplung zwischen der Ladestation und dem Bordnetz erreicht werden. Problematisch erweist es sich dagegen, wenn das Bordnetz eine höhere Betriebsspannung aufweist, beispielsweise 800 V oder dergleichen. Eine unmittelbare Kopplung der Ladestation mit dem Bordnetz ist in diesem Fall nicht möglich.
  • Im Stand der Technik ist an dieser Stelle in der Regel vorgesehen, dass galvanisch trennende Gleichspannungswandler beziehungsweise DC/DC-Wandler eingesetzt werden, mit denen eine entsprechende geeignete Spannungsanpassung realisiert werden kann. Je nach Bedarf kann der Gleichspannungswandler für einen unidirektionalen Betrieb ausgelegt sein, sodass nur ein Ladevorgang ermöglicht ist, oder auch für einen bidirektionalen Betrieb, sodass eine bidirektionale energietechnische Kopplung zwischen der Ladestation und dem Bordnetz realisiert werden kann. Dies ist jedoch sehr aufwendig.
  • Eine unmittelbare Verbindung mittels eines galvanisch gekoppelten Gleichspannungswandlers ist jedoch problematisch und deshalb bislang nicht realisiert. Beim Verbinden von zwei Netzen mit unterschiedlichen Gleichspannungen durch einen galvanisch gekoppelten Gleichspannungswandler besteht nämlich die Gefahr, dass eine Asymmetrie zwischen einer Bezugsmasse eines Potentialausgleichs und den Hochvoltspannungen auf der Eingangsseite oder der Ausgangsseite des Wandlers entstehen kann. Eine Überschreitung der gesetzlich limitierten elektrisch gespeicherten Energie in den Y-Kondensatoren des positiven HV-Potential zum Potentialausgleich und des negativen HV-Potentials zu einem Potentialausgleich kann die Folge sein. Aus Sicherheitsgründen darf ein solcher Fehler bei einem Kraftfahrzeug auf keinen Fall zu einer Gefährdung von Personen führen.
  • Aus diesen Gründen ist das Verbinden zweier Netze mit unterschiedlichen Bemessungsspannungen in Bezug auf Kriech- und Luftstrecken mittels eines galvanisch gekoppelten Gleichspannungswandlers derzeit nicht erlaubt, weil im Falle eines Isolationsfehlers bei dem Netz mit der höheren Bemessungsspannung gleichzeitig auch eine Isolation des Netzes mit der niedrigeren Bemessungsspannung mit der größeren Betriebsspannung beaufschlagt wird, sodass an dieser Isolation eine Überspannung in Bezug auf die Potentialausgleichsleitung beziehungsweise eine Fahrzeugmasse und einem der beiden Hochvoltpotentiale anliegen kann. Dadurch besteht die Gefahr, dass sämtliche Komponenten bei dem Netz, welches für die kleinere Bemessungsspannung ausgelegt ist, überlastet werden und gegebenenfalls beschädigt oder sogar zerstört werden. Dadurch können sich auch Folgefehler ergeben, bei denen zum Beispiel an der Isolation des für die kleinere Bemessungsspannung ausgelegten Netzes ein Überschlag und somit ein Hochvoltkurzschluss entstehen kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Bordnetz mit einer Antriebseinrichtung dahingehend weiterzubilden, dass ohne großen zusätzlichen Aufwand ein galvanisch gekoppelter Gleichspannungswandler realisiert werden kann, der die vorgenannten Probleme in Bezug auf die elektrische Sicherheit vermeidet.
  • Mit der Erfindung wird ein Bordnetz gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
  • Für ein gattungsgemäßes Bordnetz wird insbesondere vorgeschlagen, dass der Wechselrichter als 3-Pegel-Wechselrichter ausgebildet ist, bei dem jede der Schalteinheiten eine Reihenschaltung aus zwei an einem Verbindungspunkt miteinander verbundenen Schaltelementen aufweist, wobei bei den zwei Schalteinheiten von zumindest einer der Reihenschaltungen an den jeweiligen Verbindungspunkten jeweils eine Induktivität mit einem jeweiligen ersten Anschluss angeschlossen ist, wobei jeweilige zweite Anschlüsse der Induktivitäten mit einem Gleichspannungsladeanschluss des Kraftfahrzeugs elektrisch koppelbar sind.
  • Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass der Wechselrichter als Teil eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers genutzt werden kann. Dabei basiert der Gedanke der Erfindung insbesondere darauf, die an den Schalteinheiten angeschlossenen Induktivitäten als elektrische Energiespeicher beziehungsweise Speicherdrosseln für die Wandlerfunktion zu nutzen. Jede der beiden Speicherdrosseln ist dabei für die Anpassung eines jeweiligen der beiden Hochvoltpotentiale zuständig. Dabei brauchen lediglich zwei der sechs Schalteinheiten im Schaltbetrieb betrieben zu werden, um die gewünschte Energiewandlungsfunktionalität zu realisieren. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, einen galvanisch gekoppelten Gleichspannungswandler zu realisieren, der die vorgenannten Problematiken bezüglich der elektrischen Sicherheit vermeidet.
  • Dies ergibt sich unter anderem dadurch, dass - anders als bei gewöhnlichen galvanisch gekoppelten Energiewandlern - nicht nur ein einziges der beiden elektrischen Potentiale verändert wird, wodurch sich ergibt, dass ein Bezugspotential bei der Spannungswandlung gemeinsam genutzt wird, sondern vielmehr dadurch, dass beide Potentiale der Gleichspannung entsprechend gleich gewandelt werden, sodass eine Symmetrierung in Bezug auf die ladestationsseitigen Potentiale und die bordnetzseitigen Potentiale erreicht werden kann. Dadurch kann auch vermieden werden, dass bei Auftreten eines Isolationsfehlers im kraftfahrzeugseitigen Bordnetz, welches mit einer größeren Betriebsspannung als die Ladestation betrieben wird, eine ungünstige Überlastung der Isolation der Ladestation auftreten kann.
  • Bei Verwendung eines 3-Pegel-NPC-Wechselrichters als Antriebsenergiewandler bietet sich die Möglichkeit, die Halbleiterschalter des Wechselrichters als Hochsetzsteller (Boost-Wandler) von 400V auf 800V beziehungsweise als Tiefsetzsteller (Buck-Wandler) von 800V auf 400V zu nutzen. Vorteilhaft ist, dass in beiden Betriebszuständen die elektrische Maschine unbestromt bleiben kann, wodurch es keine Abhängigkeit vom Maschinentyp gibt. Zudem kann die Funktion des Energiewandlers auch leicht als Sonderausstattung zu einem bestehenden Fahrzeug hinzugefügt werden. Die beiden mittleren Schaltelemente einer 3-Pegel-NPC-Brücke können für die Hochsetzfunktion taktend betrieben werden, und die oberen/unteren Schaltelemente können als Freilaufdiode dienen. Im Tiefsetzbetrieb takten die beiden oberen/unteren Schaltelemente und die beiden mittleren dienen als Freilaufdiode für den Strom der Induktivitäten. Im Betrieb ohne Isolationsfehler kann eine Symmetrierung der Hochvoltpotentiale der Bordnetzspannung durch den taktenden Betrieb der beiden Induktivitäten in Bezug auf ein Bezugspotential sichergestellt werden. Das Bezugspotential kann eine Fahrzeugmasse des Kraftfahrzeugs sein. Im Ladezustand kann das Bezugspotential mit einem Erdpotential elektrisch gekoppelt sein, beispielsweise durch Anschließen des Ladekabels an den kraftfahrzeugseitigen Gleichspannungsladeanschluss.
  • Im Falle eines Isolationsfehlers kann vorgesehen sein, dass eines der beiden taktenden Schaltelemente dauerhaft geschlossen wird, wodurch eine sichere Verteilung der elektrischen Potentiale der Ladespannung im schwächer isolierten Hochvoltsystem der Ladestation gewährleistet werden kann. Diese elektrischen Potentiale sind dann allerdings nicht mehr symmetrisch in Bezug auf das Bezugspotential verteilt.
  • Es können unter anderem die folgenden Vorteile erreicht werden:
    • • Symmetrierung von Y-Kapazitäten während der DC-Ladevorgangs bei gleichzeitigem Hochsetzstellen von zum Beispiel 450V auf 800V
    • • Symmetrierung der Y-Kapazitäten während der DC-Einspeisevorgangs von der Fahrzeugbatterie in die DC-Ladestation beim Tiefsetzstellen von zum Beispiel 800V auf 450V
    • • Reaktion auf Isolationsfehler durch Ansteuerung der Schalter S1 oder S2 ermöglicht es, eine Überlastung der Isolation der Ladestation durch die elektrischen Potentiale des Bordnetzes beim Hochsetzstellbetrieb zu vermeiden
    • • Reaktion auf Isolationsfehler durch Ansteuerung der Schalter S1 oder S2 ermöglicht es, eine Überlastung der Isolation der Ladestation durch die elektrischen Potentiale des Bordnetzes beim Tiefsetzstellbetrieb zu vermeiden
    • • Der Wechselrichter kann ohne zusätzliche Bauteile als Hochsetzsteller eingesetzt werden. Die elektrische Maschine braucht beim Ladevorgang nicht bestromt zu werden. Daher sind keine Maßnahmen zur Vermeidung von Momenten während des Ladevorgangs notwendig.
    • • Die Funktionalität des Ladens an einer DC-Ladestation mit einer geringeren Ausgangsspannung als die der Fahrzeugbatterie kann durch wenige zusätzliche Komponenten wie Drosseln, Schütze, Kondensator und/oder dergleichen einfach ins Fahrzeug als Sonderausstattung implementiert werden. Das Basisfahrzeug kann dabei unverändert bleiben.
    • • Kostengünstige Lösung eines 800V-Fahreugs mit Ladefähigkeit an einer 500V-Ladestation
  • Die Schalteinrichtung ist vorzugsweise als elektromechanische Schalteinheit ausgebildet, die beispielsweise zwei Umschalteinheiten umfassen kann. In einem ersten Schaltzustand kann mittels der Umschalteinheiten erreicht werden, dass die drei Sternpunktwicklungsanschlüsse elektrisch miteinander gekoppelt sind. In einem zweiten Schaltzustand sind dann zwei der Sternpunktwicklungsanschlüsse mit dem Gleichspannungsladeanschluss elektrisch gekoppelt, wohingegen der dritte Sternpunktwicklungsanschluss freigeschaltet ist. Die Umschalteinheiten werden vorzugsweise gemeinsam geschaltet. Dem Grunde nach kann anstelle der elektromechanischen Schaltelemente natürlich auch eine entsprechende Konstruktion mit elektronischen Schaltelementen vorgesehen sein, beispielsweise unter Nutzung von Transistoren oder dergleichen.
  • Die Schaltelemente der Schalteinheiten des Wechselrichters können durch elektronische Schaltelemente wie Transistoren, Thyristoren oder dergleichen gebildet sein. Dem Grunde nach gilt das auch für die erste und/oder die zweite Schalteinrichtung, wenn diese elektronische Schaltelemente umfasst.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Es zeigt die einzige Figur:
    • 1 eine schematische Schaltbilddarstellung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit einer Antriebseinrichtung, die einen 3-Pegel-Wechselrichter und eine Asynchronmaschine umfasst, wobei der Wechselrichter mittels zweier Induktivitäten zum Energiewandeln und galvanischen Koppeln einer eine Gleichspannung bereitstellenden Ladestation ausgebildet ist.
  • 1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung ein Bordnetz 10 eines nicht weiter dargestellten Elektrofahrzeugs als elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Das Bordnetz 10 umfasst eine Fahrzeugbatterie 12, die vorliegend als Lithium-Ion-Akkumulator ausgebildet ist und vorliegend für eine Betriebsspannung von etwa 800 V ausgebildet ist. Je nach Konstruktion kann die Betriebsspannung auch abweichend gewählt sein.
  • Das Bordnetz 10 umfasst weitere, in 1 nicht dargestellte elektrische Einrichtungen und Einheiten, die an die Fahrzeugbatterie 12 angeschlossen sind. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Klimakompressor, einen DC/DC-Wandler zum elektrischen Koppeln eines Niedervoltbordnetzes und/oder dergleichen handeln.
  • Das Bordnetz 10 umfasst ferner eine Antriebseinrichtung mit einer dreiphasigen Asynchronmaschine 14 sowie einem mit der Fahrzeugbatterie 12 elektrisch gekoppelten Wechselrichter 16. Die Asynchronmaschine 14 kann in alternativen Ausgestaltungen auch durch eine Synchronmaschine oder dergleichen ausgebildet sein. Darüber hinaus kann die Asynchronmaschine 14 auch als mehrphasige Asynchronmaschine mit beispielsweise vier oder fünf Phasen oder sogar mehr Phasen ausgebildet sein.
  • Die Antriebseinrichtung ist hinsichtlich ihrer Funktion für den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs für den Fachmann bekannt, sodass von weiteren Erläuterungen diesbezüglich abgesehen wird.
  • Der Wechselrichter 16 umfasst für jede der Phasen der Asynchronmaschine 14 eine jeweilige Reihenschaltung aus zwei jeweiligen in Reihe geschalteten Schalteinheiten 26, 28, 46, 48, 50, 52. Die Schalteinheiten 26, 28, 46, 48, 50, 52 stellen jeweils einen jeweiligen Mittelanschluss 18, 20, 22 bereit, an den eine jeweilige Phasenwicklung der Asynchronmaschine 14 angeschlossen ist.
  • Der Wechselrichter 16 ist als 3-Pegel-Wechselrichter ausgebildet, bei dem jede der Schalteinheiten 26, 28, 46, 48, 50, 52 eine Reihenschaltung aus zwei an einem Verbindungspunkt 30, 32, 34, 36, 38, 40 miteinander verbundenen Schaltelementen S1 bis S6, S8 bis S13 aufweist. Die Schaltelemente S1 bis S6, S8 bis S13 sind vorliegend durch Transistoren gebildet, und zwar durch Feldeffekttransistoren wie MOSFET oder dergleichen. In alternativen Ausgestaltungen kann hier natürlich auch ein bipolarer Transistor als Schaltelement vorgesehen sein.
  • Damit der Wechselrichter 16 im bestimmungsgemäßen Betrieb die vorgesehenen drei Pegel bereitstellen kann, sind die Verbindungspunkte 30, 32, 34, 36, 38, 40 über jeweilige Dioden D1 bis D6 mit einem elektrischen Mittelpotential 24 des Bordnetzes 10 elektrisch gekoppelt. Zu diesem Zweck sind zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren C1, C3 parallel an die Fahrzeugbatterie 12 angeschlossen, deren Mittelanschluss das elektrische Mittelpotential 24 bereitstellt.
  • Bei den zwei Schalteinheiten 26, 28 einer der Reihenschaltungen ist an den jeweiligen Verbindungspunkten 30, 36 jeweils eine Induktivität L1, L2 mit einem jeweiligen ersten Anschluss angeschlossen. Jeweilige zweite Anschlüsse der Induktivitäten L1, L2 sind mit einem Gleichspannungsladeanschluss 42 des Kraftfahrzeugs elektrisch koppelbar. Im Zustand der elektrischen Kopplung des Gleichspannungsladeanschlusses 42 mit einer Ladestation 44 über ein nicht dargestelltes Ladekabel oder dergleichen kann der Fahrzeugbatterie 12 elektrische Energie zugeführt werden. Vorliegend stellt die Ladestation 44 eine kleinere Gleichspannung als die Betriebsspannung der Fahrzeugbatterie 12 bereit. Die Ladestation 44 stellt vorliegend eine Gleichspannung von etwa 450 V bereit. In alternativen Ausgestaltungen kann dies natürlich auch hiervon abweichen.
  • Im vorliegenden Fall ist ferner vorgesehen, dass am Gleichspannungsladeanschluss 42 ein elektrischer Widerstand R1 und ein Kondensator C2 angeschlossen sind. Darüber hinaus ist zu jeder der Induktivitäten L1, L2 eine erste Schalteinrichtung S7, S14 in Reihe geschaltet. Dadurch ist es möglich, den Gleichspannungsladeanschluss 42 außerhalb des bestimmungsgemäßen Ladebetriebs an der Ladestation 44 spannungsfrei zu schalten. Mit dem Widerstand R1 kann außerhalb des Ladebetriebs eine Entladung des Kondensators C2 erreicht werden, sodass am Gleichspannungsladeanschluss 42 keine relevante elektrische Spannung anliegt.
  • Ferner ist eine zweite Schalteinrichtung S15, S16 zum unmittelbaren elektrischen Koppeln des Gleichspannungsladeanschlusses 42 mit der Fahrzeugbatterie 12 vorgesehen. Durch die zweite Schalteinrichtung S15, S16 kann der Gleichspannungsladeanschluss unmittelbar mit der Fahrzeugbatterie 12 gekoppelt werden, wenn die durch die Ladestation 44 bereitgestellte Gleichspannung etwa der Betriebsspannung der Fahrzeugbatterie 12 entspricht oder größer als diese ist.
  • Zum Laden der Fahrzeugbatterie 12 durch die Ladestation 44 unter den eingangs genannten Bedingungen sind die Schalteinheiten S15, S16, die vorliegend durch elektromechanische Schütze gebildet sind, im ausgeschalteten Schaltzustand. Die unmittelbare Kopplung des Gleichspannungsladeanschlusses 42 mit der Fahrzeugbatterie 12 ist deshalb nicht vorhanden. Dagegen sind die Schalteinheiten S7, S14 im eingeschalteten Schaltzustand, sodass die Induktivitäten L1, L2 mit dem Gleichspannungsladeanschluss elektrisch gekoppelt sind. Die Schalteinheiten S7, S14 können ebenfalls durch elektromechanische Schütze gebildet sein.
  • Bei dieser Konstellation kann durch gemeinsames Takten der Schaltelemente S8, S9 in Verbindung mit den Freilaufdioden der Schaltelemente S1, S2 eine Hochsetzstellfunktion realisiert werden, sodass elektrische Energie von der Ladestation 44 zur Fahrzeugbatterie 12 zugeführt werden kann.
  • Vorliegend ist vorgesehen, dass die Induktivitäten L1, L2 etwa den gleichen Induktivitätswert aufweisen. Dadurch kann bei dem vorgenannten Schaltbetrieb der Schaltelemente S8, S9 erreicht werden, dass sich die elektrischen Potentiale der Fahrzeugbatterie 12 symmetrisch in Bezug auf die elektrischen Potentiale der Ladestation 44 einstellen. Somit wird durch den Wechselrichter 16 eine entsprechende Hochsetzstellfunktion realisiert.
  • Ist hingegen ein Energiefluss von der Fahrzeugbatterie 12 zu der Ladestation 44 gewünscht, bleiben die Schaltelemente S8, S9 im ausgeschalteten Schaltzustand. Stattdessen werden die Schaltelemente S1, S2 gleichzeitig im Schaltbetrieb betrieben. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass eines der beiden Schaltelemente S1, S2 dauerhaft eingeschaltet ist, wohnigegen lediglich das zweite der beiden Schaltelemente S1, S2 im Schaltbetrieb betrieben wird. In Zusammenwirkung mit den Induktivitäten L1, L2 kann dann die Funktion eines Tiefsetzstellers durch den Wechselrichter 16 realisiert werden. Die Freilaufdioden der Schaltelemente S8, S9 dienen hier dazu, einen Freilaufstrom für die Induktivitäten L1, L2 im ausgeschalteten Schaltzustand der Schaltelemente S1, S2 beziehungsweise eines der Schaltelemente S1, S2 zu ermöglichen.
  • Ist hingegen die durch die Ladestation 44 bereitgestellte Gleichspannung größer als die Betriebsspannung oder gleich der Betriebsspannung der Fahrzeugbatterie 12, werden die Schalteinheiten S7, S14 in den ausgeschalteten Schaltzustand geschaltet. Die Schalteinheiten S7, S14 können ebenso wie die Schalteinheiten S15, S16 als elektromechanisches Schütz ausgebildet sein. Stattdessen sind dann die Schalteinheiten S15, S16 im eingeschalteten Schaltzustand. Die Ladestation 44 ist dann direkt mit der Fahrzeugbatterie 12 verbunden und kann mit der Fahrzeugbatterie 12 entsprechend elektrische Energie austauschen.
  • Aus 1 ist ferner ersichtlich, dass die elektrischen Potentiale der Fahrzeugbatterie 12 beziehungsweise der Ladestation 44 über Isolationswiderstände RIso und Y-Kondensatoren CY mit einer Fahrzeugmasse 56 elektrisch gekoppelt sind. Im an die Ladestation 44 angeschlossenen Zustand ist die Fahrzeugmasse 56 über das nicht dargestellte Ladekabel mit dem Erdpotential 54 elektrisch verbunden.
  • Tritt bei einem Energiefluss von der Ladestation 44 zur Fahrzeugbatterie 12 beim Hochsetzstellen eine Isolationsfehler zwischen der Fahrzeugmasse 56 und dem positiven elektrischen Potential der Fahrzeugbatterie 12 auf, kann dies zu einer Überlastung der Isolation der Ladestation 44 beziehungsweise dem Gleichspannungsladeanschluss 42 führen. Um dies zu vermeiden, kann nun das Schaltelement S1 dauerhaft in den eingeschalteten Schaltzustand geschaltet werden. Dadurch kann erreicht werden, dass sich die elektrischen Potentiale derart verschieben, dass die elektrische Isolation im Bereich des Gleichspannungsanschlusses 42 beziehungsweise der Ladestation 44 nicht mehr überlastet wird. Die Lage der elektrischen Potentiale kann also durch den geeigneten Betrieb der Schaltelemente S1, S2 in geeigneter Weise beeinflusst werden. Dabei können die Schaltelemente S8, S9 weiterhin taktend betrieben werden oder lediglich eines der beiden Schaltelemente S8, S9 wird taktend betrieben, während das andere der beiden Schaltelemente S8, S9 dauerhaft im eingeschalteten Schaltzustand bleibt.
  • Tritt hingegen der Isolationsfehler bezüglich des negativen elektrischen Potentials der Fahrzeugbatterie 12 und der Fahrzeugmasse 56 auf, kann ebenfalls die elektrische Isolation der Ladestation 44 beziehungsweise des Gleichspannungsladeanschlusses 42 überlastet werden. Dies kann vermieden werden, indem das Schaltelement S2 dauerhaft im eingeschalteten Schaltzustand eingeschaltet wird. Dadurch wird die Isolation im Bereich der durch die Ladestation 44 bereitgestellten Gleichspannung nicht mehr überlastet. Die Schaltelemente S8, S9 können dabei weiterhin im Schaltbetrieb betrieben werden oder aber lediglich eines der beiden Schaltelemente S8, S9 wird taktend betrieben, während das zweite der beiden Schaltelemente S8, S9 dauerhaft im eingeschalteten Schaltzustand bleibt.
  • Durch die Erfindung kann also ein galvanisch gekoppelter Energiewandler nach Art eines DC/DC-Wandlers realisiert werden, der auch bei Auftreten eines Isolationsfehlers eine Überlastung der elektrischen Isolation bei dem Gleichspannungsnetz, welches für eine kleinere Bemessungsspannung ausgelegt ist, zuverlässig vermieden werden kann.
  • Darüber hinaus ist es möglich, unabhängig vom Auftreten eines Isolationsfehlers die elektrischen Potentiale ladestationsseitig beziehungsweise gleichspannungsladeanschlussseitig in Bezug auf die elektrischen Potentiale der Fahrzeugbatterie 12 nahezu beliebig in einem weiten Bereich einstellen zu können. Darüber hinaus erweist sich die Erfindung auch dahingehend als vorteilhaft, als dass die Asynchronmaschine 14 während der Energiewandlung zu keinem Zeitpunkt mit elektrischer Energie beaufschlagt zu werden braucht. Es brauchen daher keine Maßnahmen getroffen zu werden, um während des Kopplungsvorgangs des Gleichspannungsladeanschlusses 42 mit der Ladestation 44 eine Beaufschlagung der Asynchronmaschine 14 mit elektrischer Energie zu vermeiden. Dies gilt nicht nur für den Hochsetzstellbetrieb. Das gleiche Szenario gilt natürlich auch entsprechend für einen Tiefsetzstellbetrieb, wenn die Fahrzeugbatterie 12 elektrische Energie bereitstellt, die der Ladestation 44 zugeführt werden soll, erreicht werden. Die Schaltelemente S1, S2 sowie S8, S9 sind dann entsprechend zu betreiben.
  • Das Ausführungsbeispiel dient ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und soll diese nicht beschränken.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Bordnetz
    12
    Fahrzeugbatterie
    14
    Asynchronmaschine
    16
    Wechselrichter
    18
    Mittelanschluss
    20
    Mittelanschluss
    22
    Mittelanschluss
    24
    Mittelpotential
    26
    Schalteinheit
    28
    Schalteinheit
    30
    Verbindungspunkt
    32
    Verbindungspunkt
    34
    Verbindungspunkt
    36
    Verbindungspunkt
    38
    Verbindungspunkt
    40
    Verbindungspunkt
    42
    Gleichspannungsladeanschluss
    44
    Ladestation
    46
    Schalteinheit
    48
    Schalteinheit
    50
    Schalteinheit
    52
    Schalteinheit
    54
    Erdpotential
    56
    Fahrzeugmasse
    C1
    Kondensator
    C2
    Kondensator
    C3
    Kondensator
    R1
    elektrischer Widerstand
    RIso
    Isolationswiderstand
    CY
    Y-Kondensator
    L1
    Induktivität
    L2
    Induktivität
    D1 bis D6
    Diode
    S1 bis S6, S8 bisS13
    MOSFET
    S7
    Schalteinrichtung
    S14
    Schalteinrichtung
    S15
    Schalteinrichtung
    S16
    Schalteinrichtung

Claims (6)

  1. Bordnetz (10) für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einer Fahrzeugbatterie (12), einer mehrphasigen elektrischen Maschine (14) und einem mit der Fahrzeugbatterie (12) elektrisch gekoppelten Wechselrichter (16), der für jede der Phasen der elektrischen Maschine (14) eine jeweilige Reihenschaltung aus jeweiligen in Reihe geschalteten Schalteinheiten (26, 28, 46, 48, 50, 52) umfasst, wobei die Schalteinheiten (26, 28, 46, 48, 50, 52) einer jeweiligen der Reihenschaltungen einen jeweiligen Mittelanschluss (18, 20, 22) bereitstellen, an den eine jeweilige Phasenwicklung der elektrischen Maschine (14) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (16) als 3-Pegel-Wechselrichter ausgebildet ist, bei dem jede der Schalteinheiten (26, 28, 46, 48, 50, 52) eine Reihenschaltung aus zwei an einem Verbindungspunkt (30, 32, 34, 36, 38, 40) miteinander verbundenen Schaltelementen (S1 bis S6, S8 bis S13) aufweist, wobei bei den zwei Schalteinheiten (26, 48) von zumindest einer der Reihenschaltungen an den jeweiligen Verbindungspunkten (30, 36) jeweils eine Induktivität (L1, L2) mit einem jeweiligen ersten Anschluss angeschlossen ist, wobei jeweilige zweite Anschlüsse der Induktivitäten (L1, L2) mit einem Gleichspannungsladeanschluss (42) des Kraftfahrzeugs elektrisch koppelbar sind.
  2. Bordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Gleichspannungsladeanschluss (42) ein Kondensator (C2) angeschlossen ist.
  3. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Gleichspannungsladeanschluss (42) ein elektrischer Widerstand (R1) angeschlossen ist.
  4. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Induktivitäten (L1, L2) eine erste Schalteinrichtung (S7, S14) in Reihe geschaltet ist.
  5. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zweite Schalteinrichtung (S15, S16) zum unmittelbaren elektrischen Koppeln des Gleichspannungsladeanschlusses (42) mit der Fahrzeugbatterie (12).
  6. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungspunkte (30, 32, 34, 36, 38, 40) über jeweilige Dioden (D1 bis D6) mit einem elektrischen Mittelpotential (24) des Bordnetzes (10) elektrisch gekoppelt sind.
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