DE102019201001A1 - Circuit arrangement for charging a battery arrangement - Google Patents

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Andreas Schoenknecht
Waleed Sahhary
Taleb Janbein
Christoph Woll
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (100) zum Laden einer Batterieanordnung (101, 107) in einem Fahrzeug (600). Die Schaltungsanordnung (100) basiert auf einer dreiphasigen Vierquadranten-Wechselrichter-Schaltung und weist die folgenden Komponenten auf: eine dreiphasige Brückenanordnung mit drei H-Brücken (10), die jeweils aus zwei mit einer Wicklung verbindbaren Halbbrücken aufgebaut sind, um die Phasen der Vierquadranten-Wechselrichter-Schaltung zu bilden. Die Halbbrücken der ersten Brückenseite (103) der dreiphasigen Brückenanordnung sind eingerichtet, mit einer ersten Batterie verbunden zu werden und die Halbbrücken der zweiten Brückenseite (105) der dreiphasigen Brückenanordnung sind eingerichtet, mit einer zweiten Batterie (107) verbunden zu werden. Die Schaltungsanordnung (100) weist weiterhin Brückenelemente (13, 14, 15, 16) auf, die jeweils eine Diode und einen Transistor aufweisen. Die Schaltungsanordnung (100) ist ferner eingerichtet, um unter Verwendung der Brückenelemente und mindestens einer Wicklung einen Ladestrom über eine Wechselspannung durch einen ersten Anschluss an der ersten Brückenseite (103) und einen zweiten Anschluss an einer zweiten Brückenseite (105) einzuprägen.The invention relates to a circuit arrangement (100) for charging a battery arrangement (101, 107) in a vehicle (600). The circuit arrangement (100) is based on a three-phase four-quadrant inverter circuit and has the following components: a three-phase bridge arrangement with three H-bridges (10), each of which is constructed from two half-bridges which can be connected to a winding, around the phases of the four-quadrants - Form inverter circuit. The half bridges of the first bridge side (103) of the three-phase bridge arrangement are set up to be connected to a first battery and the half bridges of the second bridge side (105) of the three-phase bridge arrangement are set up to be connected to a second battery (107). The circuit arrangement (100) also has bridge elements (13, 14, 15, 16), each of which has a diode and a transistor. The circuit arrangement (100) is further configured to impress a charging current via an alternating voltage through a first connection on the first bridge side (103) and a second connection on a second bridge side (105) using the bridge elements and at least one winding.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Laden einer Batterie in einem Fahrzeug.The present invention relates to a circuit arrangement and a method for charging a battery in a vehicle.

Fahrzeugbatterien werden entweder durch im Fahrzeug verbaute Ladegeräte geladen, sogenannte Onboard-Ladegeräte, oder durch separate, stationäre Ladegeräte, sogenannte Standalone Lader. Mit Onboard-Ladegeräten ist der Lade-Ort flexibel, jedoch weisen sie ein nicht unerhebliches Gewicht und Volumen auf. Das Volumen und das Gewicht bzw. die Kosten sind proportional zur Ladeleistung, so dass die Ladeleistung begrenzt ist. Daraus folgt, dass die Ladezeit steigt. Die ist weiterhin linear zur Größe der Batterie. Die Größe der Batterien zu reduzieren, würde somit die Reichweite der elektrisch angetriebenen Fahrzeuge verkürzen.Vehicle batteries are charged either by chargers installed in the vehicle, so-called onboard chargers, or by separate, stationary chargers, so-called standalone chargers. With onboard chargers, the charging location is flexible, but they have a not inconsiderable weight and volume. The volume and the weight or the costs are proportional to the charging power, so that the charging power is limited. It follows that the loading time increases. It is still linear to the size of the battery. Reducing the size of the batteries would shorten the range of the electrically powered vehicles.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und effektive Ladestruktur zu schaffen.It is therefore the object of the present invention to create a simple and effective loading structure.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Aufgabe wird durch die Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.The object is achieved by the circuit arrangement according to claim 1. The dependent claims, which refer back in each case, represent advantageous developments of the invention.

Unter „Wicklung“ werden gewickelte elektrische Leiter zur Erzeugung eines Magnetfeldes verstanden. Das Magnetfeld dient z.B. in einem Motor bzw. in einer elektrischen Maschine durch Umwandlung in mechanische Energie dem Antrieb oder in einem Generator durch Umwandlung in elektrische Energie der Stromerzeugung. Wicklungen weisen insbesondere induktive Eigenschaften auf, weshalb sie auch für Spulen bzw. als Induktionen verwendet werden. Insbesondere in Schaltkreisen verwendete Wicklungen oder Induktionen werden zur Umwandlung von elektrischer in magnetische Energie und umgekehrt bzw. zur kurzfristigen Speicherung elektrischer Energie in Form von magnetischer Energie genutzt.“Winding” is understood to mean wound electrical conductors for generating a magnetic field. The magnetic field serves e.g. in a motor or in an electrical machine by converting the drive into mechanical energy or in a generator by converting it into electrical energy for generating electricity. Windings have inductive properties in particular, which is why they are also used for coils or as induction. In particular, windings or induction used in circuits are used to convert electrical energy into magnetic energy and vice versa, or for short-term storage of electrical energy in the form of magnetic energy.

Die Begriffe „Spule“ bzw. „Induktion“ sind gleichbedeutend. Der Begriff „Inverter“, wird in dieser Beschreibung gleichbedeutend mit „Wechselrichter“ verwendet. Weiterhin ist unter „Brücke“ eine dem Fachmann bekannte, sogenannte H-Brücke zu verstehen.The terms "coil" and "induction" are synonymous. The term "inverter" is used synonymously with "inverter" in this description. Furthermore, “bridge” is to be understood as a so-called H-bridge known to the person skilled in the art.

Gemäß einem Aspekt wird eine Schaltungsanordnung zum Laden einer Batterieanordnung in einem Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Die Schaltungsanordnung basiert auf einer z.B. dreiphasigen Vierquadranten-Wechselrichter-Schaltung und weist drei H-Brücken auf, wobei jede H-Brücke eine erste Halbbrücke und eine zweite Halbbrücke aufweist. Jede Halbbrücke weist ferner zwei in Reihe geschaltete Brückenelemente und einen Mittenabgriff zwischen den Brückenelementen auf. Die Mittenabgriffe der ersten und der zweiten Halbbrücke sind über eine der H-Brücke zugeordneten Wicklung der elektrischen Maschine verbindbar. Die ersten Halbbrücken der drei H-Brücken sind in Parallelschaltung angeordnet und bilden eine erste Brückenseite. Die zweiten Halbbrücken der drei H-Brücken sind in Parallelschaltung angeordnet und bilden eine zweite Brückenseite. Die Schaltungsanordnung weist weiterhin einen ersten Anschluss an der ersten Brückenseite und einen zweiten Anschluss an der zweiten Brückenseite auf, wobei die Halbbrücken der ersten Brückenseite mit einer ersten Batterie in Parallelschaltung verbindbar sind, und die Halbbrücken der zweiten Brückenseite mit einer zweiten Batterie in Parallelschaltung verbindbar sind. Ferner ist die Schaltungsanordnung eingerichtet, unter Verwendung der Brückenelemente in Zusammenwirkung mit mindestens einer Wicklung einen Ladestrom über eine Wechselspannung durch einen ersten Anschluss an der ersten Brückenseite und einen zweiten Anschluss an der zweiten Brückenseite einzuprägen.According to one aspect, a circuit arrangement for charging a battery arrangement in a vehicle with an electrical machine is provided. The circuit arrangement is based on e.g. three-phase four-quadrant inverter circuit and has three H-bridges, each H-bridge having a first half-bridge and a second half-bridge. Each half-bridge also has two bridge elements connected in series and a center tap between the bridge elements. The center taps of the first and the second half-bridge can be connected via a winding of the electrical machine assigned to the H-bridge. The first half bridges of the three H bridges are arranged in parallel and form a first side of the bridge. The second half-bridges of the three H-bridges are arranged in parallel and form a second side of the bridge. The circuit arrangement further has a first connection on the first bridge side and a second connection on the second bridge side, the half bridges of the first bridge side being connectable in parallel with a first battery, and the half bridges on the second bridge side being connectable in parallel with a second battery . Furthermore, the circuit arrangement is set up, using the bridge elements in cooperation with at least one winding, to impress a charging current via an AC voltage through a first connection on the first bridge side and a second connection on the second bridge side.

Eine H-Brücke, in dieser Beschreibung auch kurz mit „Brücke“ bezeichnet, besteht somit aus zwei Halbbrücken, die jeweils zwei Brückenelemente aufweisen. Korrespondierende Brückenhälften sind jeweils mit einer Wicklung miteinander verbindbar.An H-bridge, also called “bridge” in this description, consists of two half-bridges, each with two bridge elements. Corresponding bridge halves can be connected to each other with a winding.

Die erste Batterie ist somit mit drei Halbbrücken auf einer Seite, das heißt der ersten Brückenseite, verbindbar, und die zweite Batterie ist mit den korrespondierenden Halbbrücken auf der anderen Seite, d.h. der zweiten Brückenseite, verbindbar. Weiterhin ist der Wechselrichter mit zwei Wechselspannungsanschlüssen versehen. Das heißt, der dreiphasige Wechselrichter kann dazu genutzt werden, um die Batterien mit einem einphasigen Wechselstrom zu laden. Die Frequenz des externen Wechselstroms bzw. der Wechselspannung an den Anschlüssen beträgt typischerweise 50 Hz, während die Taktung der Transistoren zum Erzeugen des Ladestroms beispielsweise im kHz-Bereich liegt.The first battery can thus be connected to three half bridges on one side, i.e. the first bridge side, and the second battery is connected to the corresponding half bridges on the other side, i.e. the second side of the bridge, connectable. The inverter is also equipped with two AC voltage connections. This means that the three-phase inverter can be used to charge the batteries with a single-phase alternating current. The frequency of the external alternating current or alternating voltage at the connections is typically 50 Hz, while the clocking of the transistors for generating the charging current is, for example, in the kHz range.

Die Anschlüsse der Wechselspannung für den Ladestrom werden jeweils auf einer der beiden Brückenseiten herausgeführt. Hierdurch ist es möglich, die im Fahrzeug vorhandene Wechselrichterstruktur zum Laden der Batterien zu verwenden. Die Anschlüsse können an verschiedenen Stellen der jeweiligen Brückenseiten angebracht sein. Aus den Anschlusspunkten ergibt sich die Steuerung der Transistoren, d.h. das Sperren, Durchschalten oder Takten der Transistoren, so dass die Wicklungen, bzw. Induktionen, den Ladestrom speichern und an die Batterien abgeben können. Je nach Anordnung des ersten bzw. zweiten Anschlusses fließt der Strom durch verschiedene Dioden und Transistoren bzw. werden verschiedene Transistoren geschaltet.The AC voltage connections for the charging current are led out on one of the two sides of the bridge. This makes it possible to use the inverter structure in the vehicle to charge the batteries. The connections can be made at different points on the respective bridge sides. The control of the transistors, ie the blocking, switching on or clocking of the transistors, results from the connection points, so that the windings or induction can store the charging current and deliver it to the batteries. Depending on the arrangement of the First or second connection, the current flows through different diodes and transistors or different transistors are switched.

Gemäß einer Ausführungsform weist jede der drei H-Brücken genau vier Brückenelemente auf, die jeweils aus einer Diode und einem Transistor bestehen. Diese Anordnung folgt aus der Vierquadranten-Wechselrichter-Schaltung in dem Fahrzeug, auf der die Schaltungsanordnung basiert. Für bestimmte Ausführungsformen werden nur bestimmte Brückenelemente getaktet, während andere dauerhaft leitend oder gesperrt geschaltet werden. Statt dem Transistor kann auch allgemein ein Schalter verwendet werden. Der Transistor und die Diode können in ein Bauteil integriert sein. Beispiele für solche Transistoren sind MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), IGBTs (insulated-gate bipolar transistor) oder SIC MOSFETs (silicon carbide mosfet). Die Dioden werden auch als Freilaufdioden, Body-Dioden, Inversdioden oder Schutzdioden bezeichnet. Die Brückenelemente sind an der positiven und negativen Spannungsleitung bzw. Masse angeordnet und miteinander verbunden.According to one embodiment, each of the three H-bridges has exactly four bridge elements, each consisting of a diode and a transistor. This arrangement follows from the four-quadrant inverter circuit in the vehicle on which the circuit arrangement is based. For certain embodiments, only certain bridge elements are clocked, while others are switched permanently conductive or blocked. A switch can also generally be used instead of the transistor. The transistor and the diode can be integrated in one component. Examples of such transistors are MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), IGBTs (insulated-gate bipolar transistor) or SIC MOSFETs (silicon carbide mosfet). The diodes are also referred to as free-wheeling diodes, body diodes, inverse diodes or protective diodes. The bridge elements are arranged on the positive and negative voltage line or ground and connected to one another.

Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Anschluss mit einer positiven Versorgungsleitung der ersten Brückenseite verbindbar und der zweite Anschluss mit einer positiven Versorgungsleitung der zweiten Brückenseite. In diesem Fall wird der Strom zunächst über einen leitenden Transistor von der Versorgungsleitung der ersten Brückenseite über die Wicklung und eine Diode der zweiten Brückenseite zu deren Versorgungsleitung geleitet, wo sich der zweite Anschluss befindet. Wird der Transistor gesperrt, kann der Strom diesen Pfad nicht mehr verfolgen und wird, von der Wicklung, bzw. Induktion getrieben, vom ersten Anschluss über die Batterie und eine Diode an der negativen Versorgungsleitung zur Wicklung laufen. Der Weg verläuft über die Batterie, so dass diese geladen wird. Da der Aufbau der Schaltungsanordnung der Schaltungsanordnung in dieser Ausführungsform spiegelsymmetrisch ist, ist das beschriebene Prinzip für beide Halbwellen der angelegten Wechselspannung gleich; nur die Seiten sind vertauscht. Somit wird während einer Halbwelle die erste Batterie geladen und während der nächsten Halbwelle die zweite Batterie.According to one embodiment, the first connection can be connected to a positive supply line on the first bridge side and the second connection can be connected to a positive supply line on the second bridge side. In this case, the current is first conducted via a conductive transistor from the supply line on the first bridge side via the winding and a diode on the second bridge side to the supply line where the second connection is located. If the transistor is blocked, the current can no longer follow this path and, driven by the winding or induction, will run from the first connection via the battery and a diode on the negative supply line to the winding. The path runs over the battery so that it is charged. Since the structure of the circuit arrangement of the circuit arrangement in this embodiment is mirror-symmetrical, the principle described is the same for both half-waves of the AC voltage applied; only the pages are swapped. Thus, the first battery is charged during one half-wave and the second battery during the next half-wave.

Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Anschluss mit einer positiven Versorgungsleitung der ersten Brückenseite verbindbar und der zweite Anschuss mit einer positiven Versorgungsleitung der zweiten Brückenseite. Die Funktionsweise ähnelt der oben beschriebenen. Da die Anschlüsse an der negativen Versorgungsleitung angebracht sind, wird der Strom bei einer positiven Halbwelle an einem Anschluss zunächst eine Diode durchlaufen und dann die Induktion und den Transistor auf der anderen Brückenseite. Wird der Transistor gesperrt, wird der Strom den Weg über eine Diode an der positiven Versorgungsleitung und über eine Batterie nehmen, so dass auch hier wieder eine Batterie geladen wird. Durch die Symmetrie der Schaltung wird während der nächsten Halbwelle die andere Batterie geladen.According to one embodiment, the first connection can be connected to a positive supply line on the first bridge side and the second connection can be connected to a positive supply line on the second bridge side. The mode of operation is similar to that described above. Since the connections are attached to the negative supply line, the current in a positive half-wave at one connection will first pass through a diode and then the induction and the transistor on the other side of the bridge. If the transistor is blocked, the current will take the path via a diode on the positive supply line and a battery, so that a battery is charged again here. Due to the symmetry of the circuit, the other battery is charged during the next half-wave.

Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Anschluss zwischen zwei Brückenelementen einer ersten H-Brücke angeschlossen, welche sich auf der ersten Brückenseite befinden und der zweite Anschluss zwischen zwei Brückenelementen einer zweiten H-Brücke, welche sich auf der zweiten Brückenseite befinden. In diesem Fall ist die Anordnung nicht mehr symmetrisch. Es werden zwei Wicklungen bzw. Induktionen eingebunden, eine während einer ersten Halbwelle und eine während einer darauffolgenden Halbwelle. Die Funktionsweise ähnelt der oben beschriebenen. Während einer positiven Halbwelle der Ladespannung am ersten Anschluss fließt der am Anschlusspunkt bereitgestellte Strom über eine erste Induktion und einem durchgeschalteten Transistor der anderen Brückenseite zu dessen negativen Versorgungsleitung und von dort über eine erste Diode zum Mittelpunkt einer zweiten Halbbrücke, wo sich der zweite Anschluss befindet. Wird der Transistor gesperrt, sucht sich der von der Induktion getriebene Strom den Weg über eine weitere Diode zur positiven Versorgungsleitung und einer ersten Batterie wieder über die erste Diode zum zweiten Anschluss und lädt dabei die Batterie. Während einer positiven Halbwelle der Ladespannung wird die zweite Batterie in einer ähnlichen Funktionsweise geladen, mit dem Unterschied, dass statt der ersten Induktion eine zweite Induktion einer zweiten Brücke in den Ladeprozess eingebunden wird.According to one embodiment, the first connection is connected between two bridge elements of a first H-bridge, which are located on the first bridge side, and the second connection between two bridge elements of a second H-bridge, which are located on the second bridge side. In this case the arrangement is no longer symmetrical. Two windings or induction are integrated, one during a first half-wave and one during a subsequent half-wave. The mode of operation is similar to that described above. During a positive half-wave of the charging voltage at the first connection, the current provided at the connection point flows via a first induction and a switched transistor on the other side of the bridge to its negative supply line and from there via a first diode to the center of a second half-bridge, where the second connection is located. If the transistor is blocked, the current driven by the induction looks for the way via a further diode to the positive supply line and a first battery again via the first diode to the second connection and thereby charges the battery. During a positive half-wave of the charging voltage, the second battery is charged in a similar manner of operation, with the difference that instead of the first induction, a second induction of a second bridge is integrated into the charging process.

Bei dieser Art der Ladestromeinspeisung sind verschiedene Varianten möglich. Eine Bedingung ist, dass die Anschlüsse an unterschiedlichen H-Brücken angeschlossen werden.Different variants are possible with this type of charging current feed. One condition is that the connections are connected to different H-bridges.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung ferner einen Netzfilter auf, und der Netzfilter weist den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss für die Wechselspannung auf. Der Netzfilter liegt also zwischen dem Stromnetz und der Schaltungsanordnung und stellt die einphasige Wechselspannung für die Schaltungsanordnung bereit. Der Netzfilter verhindert Einflüsse aus der Inverter-Anordnung in das Stromnetz, so dass Interferenzen zwischen dem als Ladeeinrichtung betriebenen Wechselrichter und dem Stromnetz vermieden werden. Die Wechselspannung kann beispielsweise eine 325V-Spannung mit einer Frequenz von 50 Hz sein.According to one embodiment, the circuit arrangement also has a line filter, and the line filter has the first connection and the second connection for the AC voltage. The line filter is therefore between the power network and the circuit arrangement and provides the single-phase AC voltage for the circuit arrangement. The line filter prevents influences from the inverter arrangement into the power grid, so that interference between the inverter operated as a charging device and the power grid is avoided. The AC voltage can be, for example, a 325 V voltage with a frequency of 50 Hz.

Durch eine hohe Taktung des Inverters kann der Netzfilter klein und dadurch günstig gehalten werden.A high clocking of the inverter enables the line filter to be kept small and therefore inexpensive.

Gemäß einem Aspekt wird ein Fahrzeug, das eine Schaltungsanordnung zum Laden einer Batterieanordnung aufweist, bereitgestellt. Ein Fahrzeug kann hierbei beispielsweise ein Elektrofahrzeug, ein Fahrzeug mit hybridem Antrieb, ein LKW oder ein Bus sein. Die Fahrzeuge können weiterhin oberleitungs- oder schienengebunden sein. Unter Fahrzeug werden im weiteren Sinn auch elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen, Boote oder Luftfahrzeuge wie Flugzeuge bzw. Flugmaschinen verstanden. According to one aspect, a vehicle is provided that has a circuit arrangement for charging a battery arrangement. A vehicle can be, for example, an electric vehicle, a vehicle with a hybrid drive, a truck or a bus. The vehicles can still be catenary or rail-bound. In the broader sense, a vehicle is also understood to mean electrically powered working machines, boats or aircraft, such as airplanes or flying machines.

Gemäß einem Aspekt wird ein Batterieladeverfahren zum Laden von Batterien durch Wechselstrom in einem Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine und einer Schaltungsanordnung bereitgestellt, das folgende Schritte aufweist: Anlegen von Spannung an einen ersten Anschluss an der ersten Brückenseite und einem zweiten Anschluss an der zweiten Brückenseite, Schalten eines Transistors vom leitenden in einen nichtleitenden Zustand während einer Halbwelle des Wechselstroms, so dass der von einem Anschluss zum anderen Anschluss über diesen Transistor und über eine Wicklung der elektrischen Maschine fließende Strom nach dem Schalten von der Wicklung zu einer Batterie geleitet wird. Das Schalten des Transistors erfolgt dabei mehrmals während einer Halbwelle der Wechselspannung. Unter Spannung kann allgemein Wechselspannung oder Gleichspannung verstanden werden. In diesem Fall liegt statt den alternierenden Halbwellen eine konstante Spannung an, so dass bei dem Verfahren die Beschreibung einer Halbwellenphase der der Gleichspannung entspricht.According to one aspect, a battery charging method for charging batteries by alternating current in a vehicle with an electrical machine and a circuit arrangement is provided, which has the following steps: applying voltage to a first connection on the first bridge side and a second connection on the second bridge side, switching of a transistor from the conductive to the non-conductive state during a half-wave of the alternating current, so that the current flowing from one connection to the other connection via this transistor and via a winding of the electrical machine is conducted after the switching from the winding to a battery. The transistor is switched several times during a half-wave of the AC voltage. Voltage can generally be understood to mean AC voltage or DC voltage. In this case there is a constant voltage instead of the alternating half-waves, so that in the method the description of a half-wave phase corresponds to that of the DC voltage.

Gemäß einem Aspekt wird ein Steuergerät zum Ausführen des Batterieladeverfahrens für ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Insbesondere steuert das Steuergerät das Schalten und das Takten der Transistoren.According to one aspect, a control device for executing the battery charging method for a vehicle with an electrical machine is provided. In particular, the control device controls the switching and clocking of the transistors.

Gemäß einem Aspekt wird ein Programmelement bereitgestellt, das, wenn es auf einem Prozessor des Steuergeräts ausgeführt wird, während einer Halbwelle des Wechselstroms einen Transistor vom leitenden in einen nichtleitenden Zustand schaltet, so dass der von einem Anschluss zum anderen Anschluss über diesen Transistor und über eine Wicklung fließende Strom nach dem Schalten von der Wicklung zu einer Batterie geleitet wird.According to one aspect, a program element is provided which, when executed on a processor of the control device, switches a transistor from the conductive to the non-conductive state during a half-wave of the alternating current, so that the from one connection to the other connection via this transistor and via a Winding current flowing after switching from the winding to a battery.

Gemäß einem Aspekt wird ein computerlesbares Medium bereitgestellt, auf welchem ein solches Programmelement gespeichert ist.According to one aspect, a computer-readable medium is provided on which such a program element is stored.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

  • 1a eine H-Brücke,
  • 1b eine Schaltungsanordnung mit herausgeführten Anschlüssen gemäß einem Ausführungsbeispiel,
  • 2 eine Schaltungsanordnung mit herausgeführten Anschlüssen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
  • 3 eine Schaltungsanordnung mit herausgeführten Anschlüssen gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel,
  • 4 ein Netzfilter gemäß einem Ausführungsbeispiel,
  • 5 ein Blockschaltbild eines Batterieladeverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel,
  • 6 ein Fahrzeug mit einer Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
  • 7 ein Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the description below. Show it:
  • 1a an H-bridge,
  • 1b 2 shows a circuit arrangement with connections led out according to an exemplary embodiment,
  • 2nd 2 shows a circuit arrangement with connections led out according to a further exemplary embodiment,
  • 3rd 2 shows a circuit arrangement with connections which are led out in accordance with yet another exemplary embodiment,
  • 4th a line filter according to an embodiment,
  • 5 2 shows a block diagram of a battery charging method according to an exemplary embodiment,
  • 6 a vehicle with a circuit arrangement according to an embodiment,
  • 7 a control device according to an embodiment.

1a zeigt eine H-Brücke 10, die zwei Halbbrücken 11, 12 aufweist, die mit einer Wicklung 17 miteinander verbunden sind. Die Halbbrücke 11 befindet sich auf einer ersten Seite und die Halbbrücke 12 auf einer zweiten Seite. Jede Halbbrücke in 1a weist zwei Brückenelemente 13, 14 bzw. 15, 16 auf. Die Brückenelemente weisen jeweils eine Diode und einen Transistor auf. 1a shows an H-bridge 10th who have favourited two half bridges 11 , 12th has that with a winding 17th are interconnected. The half bridge 11 is on a first side and the half-bridge 12th on a second page. Every half bridge in 1a has two bridge elements 13 , 14 or. 15 , 16 on. The bridge elements each have a diode and a transistor.

1b zeigt eine Schaltungsanordnung 100 basierend auf einer Vierquadranten-Wechselrichter-Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit drei H-Brücken, die jeweils aus zwei mit einer Wicklung 161, 162 163 verbindbaren Halbbrücken aufgebaut sind. Die Halbbrücken der ersten Brückenseite 103 ist mit einer ersten Batterie 101 verbindbar und die Halbbrücken der zweiten Brückenseite 105 ist mit einer zweiten Batterie 107 verbindbar. Die Brückenanordnung weist weiterhin Brückenelemente auf, die jeweils einen Transistor 121...126 bzw. 141...146 und eine Diode 131...136 bzw. 151...156 aufweisen. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1b nicht alle Dioden und Transistoren mit Bezugszeichen versehen. 1b shows a circuit arrangement 100 based on a four-quadrant inverter circuit according to an embodiment with three H-bridges, each consisting of two with one winding 161 , 162 163 connectable half bridges are constructed. The half bridges on the first side of the bridge 103 is with a first battery 101 connectable and the half bridges on the second side of the bridge 105 is with a second battery 107 connectable. The bridge arrangement also has bridge elements, each having a transistor 121 ... 126 or. 141 ... 146 and a diode 131 ... 136 or. 151 ... 156 exhibit. For the sake of clarity, in 1b not all diodes and transistors are provided with reference symbols.

Der Anschluss AC1109 ist mit dem Pluspol der Batterie 101 verbindbar; der Anschluss AC2 110 mit dem Pluspol der Batterie 107. Während der positiven Halbwelle einer Wechselspannung, die an AC1109 anliegt, fließt der Strom über den durchgeschalteten Transistor 121, die Wicklung 161, und die Diode 134 zu dem Anschluss AC2 110. Wird Transistor 121 gesperrt, fließt der in der Wicklung gespeicherte Strom 161 über die Batterie 101 und die Dioden 151 und 134 und lädt dabei die Batterie 101 auf. Entsprechend fließt während der negativen Halbwelle der Wechselspannung, die an AC1 anliegt, bzw. der positiven Halbwelle an AC2 110 der Strom über den leitend geschalteten Transistor 124, die Wicklung 161 und die Diode 131 zu dem Anschluss AC1 109. Wird während dieser Halbwelle der Transistor 124 gesperrt, wird der Strom über die Batterie 107 und der Dioden 154 und 131 zu dem Anschluss AC1109 fließen und lädt hierbei die Batterie 107 auf.The connection AC1109 is with the positive pole of the battery 101 connectable; the connection AC2 110 with the positive pole of the battery 107 . During the positive half-wave of an AC voltage that is present at AC1109, the current flows through the switched transistor 121 who have favourited Winding 161 , and the diode 134 to the connection AC2 110 . Becomes transistor 121 blocked, the current stored in the winding flows 161 about the battery 101 and the diodes 151 and 134 while charging the battery 101 on. Correspondingly, during the negative half-wave the AC voltage that is present at AC1 or the positive half-wave flows at AC2 110 the current through the conducting transistor 124 who have favourited Winding 161 and the diode 131 to the connection AC1 109 . During this half wave the transistor 124 blocked, the current is from the battery 107 and the diodes 154 and 131 flow to the connection AC1109 and charges the battery 107 on.

Entsprechend können hier auch die anderen beiden H-Brücken verwendet werden.Accordingly, the other two H-bridges can also be used here.

2 zeigt eine Schaltungsanordnung 100 basierend auf einer Vierquadranten-Wechselrichter-Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Anschluss AC1109 ist mit dem Minuspol der Batterie 101 verbindbar; der Anschluss AC2 110 mit dem Minuspol der Batterie 107. Während der positiven Halbwelle einer Wechselspannung, die an AC1 109 anliegt, fließt der Strom über die Diode 151, die Wicklung 161, und den durchgeschalteten Transistor 144 zu dem Anschluss AC2 110. Wird Transistor 144 gesperrt, fließt der in der Wicklung 161 gespeicherte Strom über die Diode 134 zur Batterie 107 und lädt diese auf. Der Minuspol der Batterie 107 ist mit AC2 110 verbindbar. Entsprechend fließt während der negativen Halbwelle der Wechselspannung, die an AC1109 anliegt, bzw. der positiven Halbwelle an AC2 110 der Strom über die Diode 154, die Wicklung 161 und den leitend geschalteten Transistor 141 zu dem Anschluss AC1109. Wird während dieser Halbwelle der Transistor 141 gesperrt, wird der Strom über die Diode 131 zur Batterie 101 fließen, deren Minuspol an AC1109 liegt. 2nd shows a circuit arrangement 100 based on a four-quadrant inverter circuit according to an embodiment. The connection AC1109 is with the negative pole of the battery 101 connectable; the connection AC2 110 with the negative pole of the battery 107 . During the positive half-wave of an AC voltage that is applied to AC1 109 current is flowing through the diode 151 who have favourited Winding 161 , and the switched transistor 144 to the connection AC2 110 . Becomes transistor 144 blocked, it flows in the winding 161 stored current through the diode 134 to the battery 107 and charges it. The negative pole of the battery 107 is with AC2 110 connectable. Accordingly, during the negative half-wave the AC voltage applied to AC1109 or the positive half-wave flows to AC2 110 the current through the diode 154 who have favourited Winding 161 and the conductive transistor 141 to the connection AC1109. During this half wave the transistor 141 blocked, the current is through the diode 131 to the battery 101 flow, the negative pole of which is at AC1109.

Entsprechend können hier auch die anderen beiden H-Brücken verwendet werden.Accordingly, the other two H-bridges can also be used here.

3 zeigt eine Schaltungsanordnung basierend auf einer Vierquadranten-Wechselrichter-Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Anschlüsse 109, 110 werden zwischen Brückenelementen der H-Brücke mit der Wicklung 162 auf der Brückenseite 103 bzw. zwischen Brückenelementen der H-Brücke mit der Wicklung 161 auf der Brückenseite 105 herausgeführt. Während der positiven Halbwelle einer Wechselspannung, die an AC1109 anliegt, können die Transistoren beispielsweise so geschaltet werden, dass der Strom über die Wicklung 162, den durchgeschalteten Transistor 145 und die Diode 154 zu dem Anschluss AC2 110 fließt. Wird Transistor 145 gesperrt, fließt der in der Wicklung 162 gespeicherte Strom über die Diode 135, die Batterie 107 und die Diode 154 zu dem Anschluss AC2 110 und lädt dabei die Batterie 107 auf. Entsprechend fließt während der negativen Halbwelle der Wechselspannung, die an AC1 anliegt, bzw. der positiven Halbwelle an AC2 110 der Strom über die Wicklung 161, den leitend geschalteten Transistor 141, und die Diode 152 zu dem Anschluss AC1109. Wird während dieser Halbwelle der Transistor 141 gesperrt, fließt der Strom über die Diode 131, die Batterie 101 und die Diode 152 zu dem Anschluss AC1109 und lädt hierbei die Batterie 101 auf. 3rd shows a circuit arrangement based on a four-quadrant inverter circuit according to an embodiment. The connections 109 , 110 between the bridge elements of the H-bridge with the winding 162 on the bridge side 103 or between bridge elements of the H-bridge with the winding 161 on the bridge side 105 led out. For example, during the positive half-wave of an AC voltage applied to AC1109, the transistors can be switched so that the current flows through the winding 162 , the switched transistor 145 and the diode 154 to the connection AC2 110 flows. Becomes transistor 145 blocked, it flows in the winding 162 stored current through the diode 135 , the battery 107 and the diode 154 to the connection AC2 110 while charging the battery 107 on. Correspondingly, during the negative half-wave the AC voltage that is present at AC1 or the positive half-wave flows at AC2 110 the current through the winding 161 , the switched transistor 141 , and the diode 152 to the connection AC1109. During this half wave the transistor 141 blocked, the current flows through the diode 131 , the battery 101 and the diode 152 to connection AC1109 and charges the battery 101 on.

Bei dieser Anordnung sind alternative Stromsteuerungen möglich. So lässt sich z.B. der Strom auch über Transistor 142, Diode 151 und Wicklung 161 bei positiver Halbwelle an AC1109 führen. Bei Sperrung von Transistor 142 wird der Strom über Diode 132, Batterie 101 und Diode 151 durch die Wicklung 161 zum Anschluss AC2 110 verlaufen. Das heißt, es wird Batterie 101 geladen. Bei der negativen Halbwelle, bzw. positiven Halbwelle an AC2 110 verläuft der Stromweg entsprechend über Transistor 144, Diode 155 und Wicklung 162. Wird Transistor 144 gesperrt, dann fließt der Strom über Diode 134, Batterie 107 und Diode 155 zurück zur Wicklung 162 und Anschluss 109.Alternative current controls are possible with this arrangement. For example, the current can also be transferred via a transistor 142 , Diode 151 and winding 161 with positive half-wave on AC1109. When transistor is blocked 142 the current is through diode 132 , Battery 101 and diode 151 through the winding 161 for connection AC2 110 run. That means it will be a battery 101 loaded. With the negative half-wave or positive half-wave at AC2 110 the current path runs accordingly via transistor 144 , Diode 155 and winding 162 . Becomes transistor 144 blocked, then the current flows via diode 134 , Battery 107 and diode 155 back to the winding 162 and connection 109 .

Weiterhin können die Anschlüsse AC1109 und AC2 110 auch an anderen Halbbrücken angeschlossen werden.The connections AC1109 and AC2 110 can also be connected to other half bridges.

4 zeigt einen Netzfilter 401 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Netzfilter 401 ist auf einer Seite an eine Stromquelle bzw. mit dem Stromnetz verbindbar, das z.B. eine 325 V Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz aufweist. Auf der anderen Seite des Filters befinden sich die Anschlüsse AC1 403 und AC2 404, die mit den Anschlüssen AC1109 und AC2 110 der Schaltungsanordnung korrespondieren. 4th shows a line filter 401 according to an embodiment. The line filter 401 can be connected on one side to a power source or to the power grid, which has, for example, a 325 V AC voltage with a frequency of 50 Hz. Connections AC1 are on the other side of the filter 403 and AC2 404 with the connections AC1109 and AC2 110 correspond to the circuit arrangement.

5 zeigt ein Blockschaltbild eines Batterieladeverfahrens zum Laden von Batterien durch Wechselstrom in einem Fahrzeug mit einer oben beschrieben Schaltungsanordnung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Anlegen 501 von Spannung an einen ersten Anschluss an der ersten Brückenseite und einem zweiten Anschluss an der zweiten Brückenseite, und Schalten 502 eines Transistors vom leitenden in einen nichtleitenden Zustand während einer Halbwelle des Wechselstroms, so dass der von einem Anschluss zum anderen Anschluss über diesen Transistor und über eine Wicklung fließende Strom nach dem Schalten von der Wicklung zu einer Batterie geleitet wird. 5 shows a block diagram of a battery charging method for charging batteries by alternating current in a vehicle with a circuit arrangement described above 100 according to an embodiment. The procedure has the following steps: Create 501 of voltage to a first connection on the first bridge side and a second connection on the second bridge side, and switching 502 of a transistor from the conductive to a non-conductive state during a half-wave of the alternating current, so that the current flowing from one connection to the other connection via this transistor and via a winding is conducted after the switching from the winding to a battery.

6 und 7 zeigen gemäß Ausführungsbeispielen ein Steuergerät 601 zum Ausführen des Batterieladeverfahrens und ein Fahrzeug 600 mit einer Schaltungsanordnung 100. An die Schaltungsanordnung 100 sind die Batterien 101 und 107 angeschlossen. Der Wechselstrom wird über die Anschlüsse 109 und 110 eingespeist. 6 and 7 show a control device according to embodiments 601 to perform the battery charging process and a vehicle 600 with a circuit arrangement 100 . To the circuit arrangement 100 are the batteries 101 and 107 connected. The alternating current is through the connections 109 and 110 fed.

Claims (11)

Schaltungsanordnung (100) basierend auf einer dreiphasigen Vierquadranten-Wechselrichter-Schaltung zum Laden einer Batterieanordnung (101, 107) in einem Fahrzeug (600) mit einer elektrischen Maschine, aufweisend: drei H-Brücken, wobei jede H-Brücke (10) eine erste Halbbrücke (11) und eine zweite Halbbrücke (12) aufweist, jede Halbbrücke (11, 12) zwei in Reihe geschaltete Brückenelemente (13, 14, 15, 16) aufweist, jede Halbbrücke (11, 12) einen Mittenabgriff zwischen den Brückenelementen (13, 14 bzw. 15, 16) aufweist, die Mittenabgriffe der ersten und der zweiten Halbbrücke über eine der H-Brücke zugeordneten Wicklung (17) der elektrischen Maschine verbindbar sind, die ersten Halbbrücken der drei H-Brücken in Parallelschaltung angeordnet sind und eine erste Brückenseite (103) bilden, die zweiten Halbbrücken der drei H-Brücken in Parallelschaltung angeordnet sind und eine zweite Brückenseite (103) bilden, einen ersten Anschluss (109) an der ersten Brückenseite (103), und einen zweiten Anschluss (110) an der zweiten Brückenseite (105), wobei die Halbbrücken der ersten Brückenseite (103) mit einer ersten Batterie (101) in Parallelschaltung verbindbar sind und die Halbbrücken der zweiten Brückenseite (105) mit einer zweiten Batterie (107) in Parallelschaltung verbindbar sind, und wobei die Schaltungsanordnung (100) eingerichtet ist, unter Verwendung der Brückenelemente in Zusammenwirkung mit mindestens einer Wicklung (161, 162, 163) einen Ladestrom über eine Wechselspannung durch einen ersten Anschluss (109) an der ersten Brückenseite (103) und einen zweiten Anschluss (110) an der zweiten Brückenseite (105) einzuprägen.Circuit arrangement (100) based on a three-phase four-quadrant inverter Circuit for charging a battery arrangement (101, 107) in a vehicle (600) with an electrical machine, comprising: three H-bridges, each H-bridge (10) having a first half-bridge (11) and a second half-bridge (12) , each half-bridge (11, 12) has two bridge elements (13, 14, 15, 16) connected in series, each half-bridge (11, 12) has a center tap between the bridge elements (13, 14 and 15, 16), the center taps the first and the second half bridge can be connected via a winding (17) of the electrical machine assigned to the H bridge, the first half bridges of the three H bridges are arranged in parallel and form a first bridge side (103), the second half bridges of the three Hs Bridges are arranged in parallel and form a second bridge side (103), a first connection (109) on the first bridge side (103), and a second connection (110) on the second bridge side (105), the half bridges of the first bridges side (103) can be connected in parallel with a first battery (101) and the half bridges of the second bridge side (105) can be connected in parallel with a second battery (107), and wherein the circuit arrangement (100) is set up using the bridge elements in cooperation with at least one winding (161, 162, 163) impress a charging current via an alternating voltage through a first connection (109) on the first bridge side (103) and a second connection (110) on the second bridge side (105). Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die Brückenelemente (13, 14, 15, 16) jeweils eine Diode und einen Transistor aufweisen.Circuit arrangement (100) after Claim 1 , wherein the bridge elements (13, 14, 15, 16) each have a diode and a transistor. Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Anschluss (109) mit einer positiven Versorgungsleitung (102) der ersten Brückenseite (103) verbindbar ist und der zweite Anschuss (110) mit einer positiven Versorgungsleitung (106) der zweiten Brückenseite (105) verbindbar ist.Circuit arrangement (100) after Claim 1 or 2nd The first connection (109) can be connected to a positive supply line (102) on the first bridge side (103) and the second connection (110) can be connected to a positive supply line (106) on the second bridge side (105). Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Anschluss (109) mit einer negativen Versorgungsleitung (111) der ersten Brückenseite (103) verbindbar ist und der zweite Anschuss (110) mit einer negativen Versorgungsleitung (108) der zweiten Brückenseite (105) verbindbar ist.Circuit arrangement (100) after Claim 1 or 2nd The first connection (109) can be connected to a negative supply line (111) on the first bridge side (103) and the second connection (110) can be connected to a negative supply line (108) on the second bridge side (105). Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Anschluss (109) zwischen zwei Brückenelementen einer ersten H-Brücke angeschlossen ist, welche sich auf der ersten Brückenseite (103) befinden und der zweite Anschluss (110) zwischen zwei Brückenelementen einer zweiten H-Brücke angeschlossen ist, welche sich auf der zweiten Brückenseite (105) befinden.Circuit arrangement (100) after Claim 1 or 2nd , wherein the first connection (109) is connected between two bridge elements of a first H-bridge which are located on the first bridge side (103) and the second connection (110) is connected between two bridge elements of a second H-bridge which is on the second side of the bridge (105). Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, der ferner einen Netzfilter (401) aufweist, und der Netzfilter (401) die Anschlüsse (403, 404) für die Wechselspannung aufweist.Circuit arrangement (100) according to one of the preceding claims, further comprising a line filter (401), and the line filter (401) has the connections (403, 404) for the AC voltage. Fahrzeug (600), aufweisend eine Schaltungsanordnung (100) zum Laden einer Batterieanordnung (101, 107) nach einem der vorherigen Ansprüche.Vehicle (600), comprising a circuit arrangement (100) for charging a battery arrangement (101, 107) according to one of the preceding claims. Batterieladeverfahren zum Laden von Batterien durch Wechselstrom in einem Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine und einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend folgende Schritte: Anlegen (501) von Spannung an einen ersten Anschluss an der ersten Brückenseite (103) und einem zweiten Anschluss an der zweiten Brückenseite (105), Schalten (502) eines Transistors vom leitenden in einen nichtleitenden Zustand während einer Halbwelle des Wechselstroms, so dass der von einem Anschluss zum anderen Anschluss über diesen Transistor und über eine Wicklung der elektrischen Maschine fließende Strom nach dem Schalten von der Wicklung zu einer Batterie geleitet wird.Battery charging method for charging batteries by alternating current in a vehicle with an electrical machine and a circuit arrangement according to one of the Claims 1 to 6 , comprising the following steps: applying (501) voltage to a first connection on the first bridge side (103) and a second connection on the second bridge side (105), switching (502) a transistor from the conductive to the non-conductive state during a half-wave of the Alternating current, so that the current flowing from one connection to the other connection via this transistor and via a winding of the electrical machine is conducted from the winding to a battery after switching. Steuergerät (601) zum Ausführen des Batterieladeverfahrens für ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine nach Anspruch 8.Control unit (601) for executing the battery charging method for a vehicle with an electrical machine according to Claim 8 . Programmelement, das, wenn es auf einem Prozessor eines Steuergeräts (601) einer Schaltungsanordnung (100) für ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgeführt wird, die Schaltungsanordnung anleitet, eine an die Schaltungsanordnung anschließbare Batterie zu laden.Program element which, when it is on a processor of a control unit (601) of a circuit arrangement (100) for a vehicle with an electrical machine according to one of the Claims 1 to 6 is executed, the circuit arrangement instructs to charge a battery that can be connected to the circuit arrangement. Computerlesbares Medium, auf welchem ein Programmelement nach Anspruch 10 gespeichert ist.Computer-readable medium on which a program element according to Claim 10 is saved.
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