DE102019202173A1

DE102019202173A1 - Schaltungsanordnung zum Bereitstellen von Energie für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019202173A1
Application number: DE102019202173.5A
Authority: DE
Inventors: Georg Mallebrein; Waleed Sahhary; Philipp Schumann; Taleb Janbein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2020-08-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Laden einer Batterie in einem Fahrzeug und zum Bereitstellen von Energie zum Laden eines Fahrzeugs, sowie ein Fahrzeug, das eine solche Schaltungsanordnung aufweist. Die Schaltungsanordnung weist einen Wechselrichter zum Laden der Batterie und zum Versorgen der elektrischen Maschine mit Energie auf und ist eingerichtet, zum einen die zum Laden der Batterie erforderliche Spannung mittels des Wechselrichters der Batterie bereitzustellen, und zum anderen eine zum Laden einer Batterie eines weiteren Fahrzeugs erforderliche Spannung mittels des Wechselrichters bereitzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Bereitstellen von Energie zum Laden einer Batterie in einem Fahrzeug für ein weiteres Fahrzeug oder einer Ladestation oder zum Versorgen einer externen Last sowie ein Fahrzeug, das eine solche Schaltungsanordnung aufweist.
Stand der Technik
Elektrofahrzeuge werden typischerweise an Ladestationen, die Gleichstrom oder Wechselstrom zur Verfügung stellen, geladen. Im Falle von Gleichstrom können die Ladestationen Pufferbatterien aufweisen, die im Schwachlastbereich geladen wird und die Fahrzeugbatterien durch einen DC/DC-Wandler laden. Solch ein DC/DC-Wandler kann in der Ladestation verbaut sein oder als z.B. ein eigenständiges, mobiles Gerät im Fahrzeug mitgenommen werden. Letzterer Fall hat den Vorteil, dass das Fahrzeug auch unterwegs von DC - Quellen geladen werden kann, jedoch teuer ist bezüglich Preis, Platzverbrauch und Gewicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu finden, mit der kostengünstig eine Batterie eines Fahrzeugs als mobile einstellbare Quelle benutzt werden kann, um z.B. eine Batterie eines weiteren Fahrzeuges mit Gleichstrom zu laden.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung, sowie der Figuren.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt wird eine Schaltungsanordnung in einem Fahrzeug zum Versorgen eines elektrischen Verbrauches bzw. Speichers, beispielhaft zum Laden einer anschließbaren Batterie eines weiteren Fahrzeugs oder einer anschließbaren Ladestation bereitgestellt. Die Schaltungsanordnung weist einen Wechselrichter zum Versorgen einer anschließbaren elektrischen Maschine mit Energie auf und ist eingerichtet, um eine zum Laden einer anschließbaren Batterie eines weiteren Fahrzeugs oder einer anschließbaren Ladestation erforderliche Spannung mittels des Wechselrichters in Verbindung mit Wicklungen der elektrischen Maschine bereitzustellen oder um die zum Laden der anschließbaren Batterie des Fahrzeugs erforderliche Spannung mittels des Wechselrichters in Verbindung mit Wicklungen der elektrischen Maschine bereitzustellen.
Der Begriff „in Verbindung mit Wicklungen“ bedeutet hierbei, dass der Ladestrom zumindest teilweise durch die Wicklungen der anschließbaren elektrischen Maschine geleitet wird.
Somit kann einerseits das Fahrzeug durch das Bereitstellen einer Gleichspannung eine Energiequelle darstellen und als mobile Ladestation verwendet werden, um eine Batterie, z.B. in einem weiteren Fahrzeug, unabhängig von der Spannungslage der beiden Fahrzeuge zu laden. Spannungslage bedeutet hierbei z.B. dass die Spannung der ersten Batterie größer als die zweiten Batterie ist. Die Höhe der Gleichspannung kann hierbei durch den Wechselrichter beispielsweise so eingestellt werden, dass sie direkt die Batterie z.B. in dem weiteren Fahrzeug laden kann.
Andererseits kann mit der Schaltungsanordnung die Batterie das Fahrzeugs selbst als Energiesenke von einer DC-Quelle, geladen werden, ohne Bedarf eines eigenständigen DC/DC-Wandlers. Die DC-Quelle kann hierbei auch eine stationäre oder eine mobile Ladestation sein. Insbesondere kann sie aber auch eine andere Fahrzeugbatterie sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das weitere Fahrzeug oder die Ladestation ebenfalls eine Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf. Somit kann zum Laden einer Fahrzeugbatterie ein System aus zwei Schaltungsanordnungen in einer hier vorgestellten Ausführungsform gebildet werden.
Insbesondere, wenn auch das zweite Fahrzeug eine hier vorgeschlagene Schaltanordnung aufweist, bilden die Schaltanordnungen im ersten und zweiten Fahrzeug durch deren Wechselrichter und e-Maschinen einen bidirektionalen DC/DC-Wandler mit Hoch- und Tiefsetzsteller-Funktionalität. Die Fahrzeugbatterie kann z.B. eine Hochvoltbatterie sein. Ein Fahrzeug oder beide Fahrzeuge können eine Hybrid-Batterie besitzen, d.h., die eine Batterie kann z.B. eine Brennstoffzelle sein und die andere Batterie ein weiterer Batterietyp.
Wechselrichter sind auch unter dem Begriff Inverter bekannt. Bei den Wechselrichtern in dieser Offenbarung handelt es sich bezüglich der Funktion der Schaltungsanordnung als Energiesenke zum Laden der Fahrzeugbatterie oder als Energiequelle zum Bereitstellen einer DC-Ladespannung ausschließlich um DC/DC-Wandler, die durch Schalter, vorzugsweise elektronische Schalter, wie z.B. Transistoren mit antiparalleler Diode, und den Wicklungen der elektrischen Maschine realisiert werden.
Durch entsprechendes Takten der Schalter, z.B. IGBTs oder MOSFETs, der beiden Inverter kann die Spannung an einer beliebigen Batterie der beiden Fahrzeuge oder der Pufferbatterie der Ladestation eingestellt werden. Ist in beiden Fahrzeugen eine derartige Schaltungsanordnung verfügbar, kann die Spannung beispielsweise in nur einem der beiden Fahrzeuge in jede Richtung entweder hochgesetzt oder tiefgesetzt werden oder die Spannung kann gleichzeitig in beiden Fahrzeugen in beliebiger Permutation hoch- oder tiefgesetzt werden. Somit kann jede Batterie von der anderen Batterie unabhängig von der Spannungslage beider Batterien geladen werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Schaltungsanordnung eingerichtet, die zum Laden der Batterie des Fahrzeugs oder der Batterie des weiteren Fahrzeugs oder der Ladestation erforderliche Energie durch Anschluss der Schaltungsanordnung an einen Gleichstromausgang des weiteren Fahrzeugs oder der Ladestation, an einen Gleichstromausgang einer Ladestation oder an einen mit einer Wechselspannung verbundenen Gleichrichter bereitzustellen.
Durch den Anschluss wird die Verbindung zwischen dem Fahrzeug und dem weiteren Fahrzeug bzw. einer Ladestation sichergestellt. Wird z.B. von der Ladestation eine Wechselspannung geliefert, so wird diese von einem Gleichrichter in eine Wechselspannung gewandelt, so dass die Schaltungsanordnung eine Gleichspannung erhält. Umgekehrt liefert die Schaltungsanordnung eine Gleichspannung und, falls eine Wechselspannung benötigt wird, kann diese durch einen DC/AC Wandler gewandelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform basiert der Wechselrichter auf einer B6-Schaltung mit drei Phasen und die Wicklungen der elektrischen Maschine sind in Sternschaltung mit einem Sternpunkt verschaltet. Eine B6-Schaltung ist aus drei Halbbrücken aufgebaut, wobei jede der Halbbrücken an eine Wicklung der elektrischen Maschine angeschlossen ist und eine Phase bildet. Eine Halbbrücke besteht beispielsweise aus zwei in Serie geschalteten Transistoren, die geschaltet oder getaktet werden können. Jeder Transistor kann zudem eine antiparallele Diode aufweisen. Der B6-Wechselrichter, kann, wie im Folgenden gezeigt, zusätzliche Schalter aufweisen oder als solcher verwendet werden und durch entsprechenden Taktung der Schalter z.B. zum Bereitstellen der Energie für ein weiteres Fahrzeug eingerichtet werden.
Die Schaltanordnung kann auch einen weiteren B6-Wechselrichter aufweisen, so dass die elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs 6-phasig betrieben wird. Das heißt, in einigen Ausführungsformen kann, abgesehen von den zum Herausführen der Spannung notwendigen Leitungen und Anschlüssen, die typischerweise vorhandene Hardware für die elektrische Maschine zum Antrieb eines Fahrzeugs verwendet werden, oder die Hardware kann geringfügig erweitert werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist zum Laden der Batterie des weiteren Fahrzeugs von einer Batterie des Fahrzeugs oder zum Laden der Batterie des Fahrzeugs von einer Batterie des weiteren Fahrzeugs oder der Ladestation der Wechselrichter drei parallel angeordnete Halbbrücken auf. Jede Halbbrücke weist eine Serienschaltung aus einem am Pluspol der Batterie des Fahrzeugs angeschlossenen positiven Wechselrichterschalter und einem am Minuspol der Batterie des Fahrzeugs angeschlossenen negativen Wechselrichterschalter auf. Hierbei ist an einem Mittelpunkt zwischen dem negativen und dem positiven Wechselrichterschalter jeder Halbbrücke eine Wicklung der elektrischen Maschine anschließbar, und die Wicklungen aus diesen Halbbrücken sind zu einer Sternschaltung verschaltet. Die zum Laden erforderliche Energie wird an einem positiven und einem negativen Gleichstromanschluss bereitgestellt, wobei ein erster Schalter zwischen dem positiven Gleichstromanschluss und dem Mittelpunkt einer Halbbrücke ist angeordnet ist, und ein zweiter Schalter zwischen dem Mittelpunkt dieser Halbbrücke und dem positiven Wechselrichterschalter der Halbbrücke angeordnet ist. Der negative Gleichstromanschluss ist an den Minuspol der anschließbaren Batterie oder anschließbaren Ladestation anschließbar. Die zum Laden erforderliche Energie kann hierbei also insbesondere die zum Laden der Batterie des weiteren Fahrzeugs oder der Ladestation aber auch die zum Laden der Batterie des Fahrzeugs erforderliche Energie sein.
Wird der Strom an dieser Stelle, das heißt vom positiven Gleichstromanschluss über den ersten Schalter zu einem Mittelpunkt einer Halbbrücke, in die Schaltung hereingeführt, lässt sich durch diese beiden Schalter, wie anhand der 3A unten erläutert, die Schaltungsanordnung sowohl als Hochsetzsteller als auch als Tiefsetzsteller betreiben.
Des Weiteren kann in umgekehrter Richtung die Schaltungsanordnung die Batteriespannung hoch- oder tiefsetzen, die dann am positiven und negativen Gleichstromanschluss zur Verfügung steht.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Schaltungsanordnung eingerichtet, zum Laden der Batterie des Fahrzeugs oder der Batterie des weiteren Fahrzeugs oder der Ladestation den Sternpunkt der Wicklungen der anschließbaren elektrischen Maschine mit einem Sternpunkt einer elektrischen Maschine des weiteren Fahrzeugs oder der anschließbaren Ladestation schaltbar zu verbinden.
Nach dieser Ausführungsform weisen zwei Fahrzeuge eine hier vorgeschlagene Schaltungsanordnung auf, wobei die Schaltungsanordnungen verschieden ausgeführt sein können. Diese können auch beispielsweise beide als B6-Schaltungen mit jeweils einem Sternpunkt der Wicklungen der elektrischen Maschinen aufgebaut sein. Zur Gleichstromübertragung von einem Fahrzeug zum anderen können die Sternpunkte der beiden Wechselrichter miteinander verbunden sein. Somit besteht in diesem Fall inklusive des Anschlusses eine symmetrische Konstellation, wodurch beide Fahrzeuge die Schaltungsfunktionalität bezüglich des Ladens oder des geladen-Werdens aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Wechselrichter ein mehrstufiger Wechselrichter, und die Schaltungsanordnung ist eingerichtet, zum Laden der anschließbaren Batterie den Sternpunkt des Wechselrichters mit einem Sternpunkt des weiteren Fahrzeugs oder der anschließbaren Ladestation schaltbar zu verbinden. Die Funktionalität kann auch mit mehrstufigen Wechselrichtern, z.B. NPC (Neutral Point Clamped), ANPC (Active Neutral Point Clamped), oder einem T-Typ-Wechselrichter gewährleistet werden. Z.B., wenn diese Wechselrichter ebenfalls eine Sternschaltung aufweisen, kann ähnlich wie bei der Schaltung oben der Sternpunkt ohne Einschränkung als Verbindungspunkt gewählt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Schaltungsanordnung eingerichtet, den Minuspol der Batterie des Fahrzeugs mit dem Minuspol der Batterie des weiteren Fahrzeugs oder der Ladestation schaltbar zu verbinden. Für eine gemeinsame Referenz wird in einer Schaltung typischerweise der Minuspol einer Batterie verwendet; so auch in der zusammenschalteten Anordnung der Schaltungsanordnungen z.B. zweier Fahrzeuge. Die Verbindung der Minuspole kann aber in den Schaltungsanordnungen zur vollständigen galvanischen Trennung der Schaltungsanordnungen bzw. Batterien Schalter aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die elektrische Maschine eine sechsphasige elektrische Maschine auf, die von zwei parallelen dreiphasigen elektrischen Maschinen gebildet wird. Jede der beiden dreiphasigen elektrischen Maschinen weist dabei eine Sternpunktschaltung auf, und die Schaltungsanordnung ist eingerichtet, zum Laden der Batterie des Fahrzeugs oder zum Laden der Batterie des weiteren Fahrzeugs oder der Ladestation den Sternpunkt einer der dreiphasigen elektrischen Maschinen mit einem Sternpunkt des weiteren Fahrzeugs oder der Ladestation schaltbar zu verbinden, und den Sternpunkt der anderen dreiphasigen elektrischen Maschine mit dem Minuspol der Batterie des weiteren Fahrzeugs oder der Ladestation zu verbinden.
Das heißt, dass einer der beiden Sternpunkte der 6-phasigen elektrischen Maschine wie oben als Verbindungspunkt verwendet wird, und der andere Sternpunkt mit dem negativen Gleichstromanschluss verbunden wird, welcher z.B. mit dem Minuspol der Schaltungsanordnung des zweiten Fahrzeugs verbunden ist. Der Sternpunkt kann dann über die Wechselrichterschalter an den Minuspol der Batterie des Fahrzeugs geschaltet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die anschließbare elektrische Maschine eine sechsphasige elektrische Maschine, die eine erste und eine zweite parallele dreiphasige elektrische Wicklung aufweist. Die erste dreiphasige Wicklung weist einen ersten Sternpunkt auf und die zweite dreiphasige Wicklung weist einen zweiten Sternpunkt auf, und die Schaltungsanordnung ist eingerichtet, zum Laden der Batterie des weiteren Fahrzeugs oder der Ladestation den ersten Sternpunkt der ersten dreiphasigen Wicklung mit einem Sternpunkt einer elektrischen Maschine des weiteren Fahrzeugs oder der anschließbaren Ladestation schaltbar zu verbinden, und den zweiten Sternpunkt der zweiten dreiphasigen Wicklung mit dem Minuspol der Batterie des weiteren Fahrzeugs oder der Ladestation zu verbinden.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorigen darin, dass der Minuspol der einen Batterie direkt mit dem Minuspol der anderen Batterie verbunden wird, statt über den Sternpunkt.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Gleichstromanschluss weiterhin einen Kommunikationsanschluss auf. Durch den Kommunikationsanschluss können die Fahrzeuge Informationen austauschen. Beispielsweise können die Fahrzeuge festlegen, welches von beiden die Energiequelle bereitstellt und welches geladen wird, oder sie können Informationen über den Batterietyp und den Spannungszustand austauschen bzw. aushandeln, welche Spannung bereitgestellt werden soll. Weiterhin können Sensordaten ausgetauscht werden und Steuerbefehle gesendet werden. Der Kommunikationsanschluss kann weiterhin eine Schnittstelle zu einer Fernsteuerschaltung oder weiteren Komponenten des Fahrzeugs aufweisen.
Wie an Beispielen oben erläutert, können beide Fahrzeuge eine Schaltungsanordnung gemäß oben erwähnter Ausführungsformen aufweisen, so dass eine bidirektionale Energieübertragung mit beliebiger DC/DC-Spannungswandlung zur Verfügung gestellt wird.
Gemäß einem Aspekt wird ein Fahrzeug bereitgestellt, aufweisend eine oben beschriebene Schaltungsanordnung.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Laden einer an eine oben beschriebene Schaltungsanordnung anschließbaren Batterie eines weiteren Fahrzeugs oder einer anschließbaren Ladestation vorgeschlagen, wobei Schalter der Schaltungsanordnung derart angesteuert werden, dass eine zum Laden der anschließbaren Batterie eines weiteren Fahrzeugs oder zum Laden der anschließbaren Ladestation erforderliche Spannung mittels der Schaltungsanordnung bereitgestellt wird.
Das Fahrzeug, z.B. ein PKW oder Nutzfahrzeug, kann somit als mobile Ladestation benutzt werden. Es kann ein anderes Fahrzeug oder eine andere Batterie laden oder Energie z.B. ins Netz rückspeisen. Durch Hochstellen der Spannung im Fahrzeug, dessen Batterie geladen werden soll, wird der Effekt der parasitären Leitungsinduktivität minimiert. Durch diese Lösung kann eine große, mobile Batterie mit besten Wirkungsgrad geladen werden und auf der Straße als mobile DC-Ladestation zur Verfügung gestellt werden. Damit werden auch die Probleme einer unsymmetrischen Netzbelastung und der Kopplung zum Netz gelöst. Wenn das Auto mit Netz verbunden ist („connected car“) kann der Ladevorgang ferngesteuert und beobachtet werden. Als Vorteil kann das Auto bequem und unaufwändig als mobile Ladestation benutzt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mittels der Figuren detailliert erklärt. Es zeigt

1 ein Szenario mit Ladestationen, welche zum Teil einen DC/DC-Wandler aufweisen oder in Fahrzeugen ein DC/DC-Wandlergerät mitgeführt wird,
2 ein Blockdiagramm einer Anordnung in einem Fahrzeug mit einer Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3A eine Schaltungsanordnung mit Schaltern zum Hochsetzstellen und Tiefsetzstellen und einem Gleichstromanschluss gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3B eine Schaltungsanordnung mit Schaltern zum Hochsetzstellen und Tiefsetzstellen und einem Wechselstromanschluss gemäß einem Ausführungsbeispiel,
4 Schaltungsanordnungen in zwei Fahrzeugen und Verbindungen zwischen den Schaltungsanordnungen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
5 den Stromfluss für die Schaltungsanordnungen der 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel,
6 den Stromfluss für die Schaltungsanordnungen der 4 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
7 Schaltungsanordnungen in zwei Fahrzeugen und Verbindungen zwischen den Schaltungsanordnungen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
8 Schaltungsanordnungen in zwei Fahrzeugen und Verbindungen zwischen den Schaltungsanordnungen gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
9 Schaltungsanordnungen in zwei Fahrzeugen und Verbindungen zwischen den Schaltungsanordnungen gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
10 Schaltungsanordnungen in zwei Fahrzeugen und Verbindungen zwischen den Schaltungsanordnungen gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.

1 zeigt ein Szenario mit Ladestationen, welche zum Teil einen DC/DC-Wandler aufweisen und Fahrzeugen, die ein DC/DC-Wandler mitführen. Den Ladestationen wird Energie von einer Kraftanlage 101 bereitgestellt, die z.B. Leistung über ein 22 kV-Wechselstromnetz an die Energieversorgungsstation 103 liefert. Ein Transformator wandelt die auf seiner Primärseite 104 anliegende Spannung in eine niedrigere Spannung um, z.B. 800 V, die durch einen Gleichrichter 106 in Gleichspannung gewandelt wird. Zur Stabilität der zur Verfügung gestellten Leistung wird beispielsweise eine Pufferbatterie 109 parallel geschaltet. Typischerweise weisen die Ladestationen DC/DC- Wandler 107 auf, um die erforderliche Spannungshöhe den Fahrzeugen 111 zur Verfügung zu stellen. Bei Ladestationen, die keine geeigneten DC/DC-Wandler aufweisen, wird dieser z.B. als DC/DC-Wandlergerät 108 in den Fahrzeugen, wie z.B. dem Fahrzeug 110 in 1, mitgeführt.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer Anordnung in einem Fahrzeug 240 mit einer Schaltungsanordnung 200, einer anschließbaren Batterie 202 bzw. Brennstoffzelle oder elektrischem Speicher, und einem Stecker 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Schaltungsanordnung 200 zur Bereitstellung der Energie für ein weiteres Fahrzeug enthält eine Schalteinheit 220, z.B. eine Batterietrenneinheit (BDU, Battery Disconnect Unit) und einen Wechselrichter bzw. Inverter 230. Weiterhin ist eine elektrische Maschine 212 (EM, Electrical Machine) an die Schaltungsanordnung 200 anschließbar. Die Batterie 201 stellt zum Beispiel die Energie in Form von Gleichspannung und Gleichstrom bereit, und der Wechselrichter 230 wandelt die Spannung in Verbindung mit der elektrischen Maschine 212, so dass sie z.B. in einer von einem weiteren Fahrzeug benötigten Form am Stecker 235 dem weiteren Fahrzeug zur Verfügung gestellt werden kann. Der Energiefluss in diesem Beispiel ist in 2 durch die Pfeilrichtung gekennzeichnet.
3A zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 200 mit Schaltern 203, 204 zum Hochsetzstellen und Tiefsetzstellen der Gleichspannung 201, die von außen an die Schaltungsanordnung angeschlossen wird oder der Spannung, die von der Batterie 202 zur Rückspeisung in die DC-Quelle 201 zur Verfügung gestellt wird, gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Schaltungsanordnung basiert auf einer dem Fachmann als B6 Schaltung bekannten und typischerweise in einem Fahrzeug mit elektrischer Maschine 212 verbauten Wechselrichterschaltung mit drei parallelen Halbbrücken, die jeweils zwei in Serie geschaltete Schalter 205, 206; 206, 207; 208, 209 aufweist. Die Schalter 205, 207 und 209 werden in dieser Offenbarung auch positive Wechselrichterschalter genannt, da sie über den Widerstand 211 am Pluspol der Batterie 202 liegen. Entsprechend werden die Schalter 206, 208, 210 in dieser Offenbarung auch negative Wechselrichterschalter genannt. Die Wechselrichterschalter können beispielsweise IGBTs mit integrierter antiparalleler Diode sein. Die B6 Schaltung wird gemäß einem Ausführungsbeispiel um die Schalter 203 und 204 am positiven Gleichstromeingang bzw. vor dem positiven Wechselrichterschalter 205 erweitert. Durch diese Schalter 203, 204 ist es möglich, die Gleichspannung 201 am Mittelpunkt einer, z.B. wie in 3A gezeigt, der ersten Halbbrücke der B6 Schaltung einzuführen und die B6 Schaltung sowohl als Hochsetzsteller als auch als Tiefsetzsteller zu betreiben sowie direkt von einem Ladegerät geladen zu werden. In letzterem Fall sind die Schalter geschlossen und die positiven Wechselrichterschalter 205, 207, 209 können, um die Leitfähigkeit des Wechselrichterschalters zu erhöhen, durchgeschaltet werden. Um die Schaltanordnung zum Laden der Batterie 202 als Hochsetzsteller zu betreiben wird Schalter 203 durchgeschaltet und die negativen Wechselrichterschalter 208, 210 getaktet, so dass die Wicklungen der elektrischen Maschine 212 den Strom unter Hochsetzen der Spannung über die Wechselrichterschalter 207, 208 weitertreiben können und die Batterie 202 geladen wird. Zum Tiefsetzen der Spannung wird der Strom über den getakteten Schalter 203 und die Dioden der Wechselrichterschalter 205, 207, 209 der Batterie 203 zugeführt.
Zur Rückspeisung der Energie von der Batterie 202 zur DC-Quelle 201 werden im Falle des Tiefsetzstellens z.B. die positiven Wechselrichterschalter 207 und 209 getaktet und über die Diode des Schalters 203 der DC-Quelle 201 zugeführt. Im Falle des Hochsetzstellens wird der Wechselrichterschalter 206 bei geöffnetem Schalter 204 getaktet, und der Strom unter Hochsetzstellen der Spannung über die geschlossenen Schalter 207 und 209, die Wicklungen der elektrischen Maschine 212 und die Diode des Schalters 203 zur DC-Quelle 201 geführt.

Die folgende Tabelle zeigt die Zustände der Schalter bzw. Transistoren zum Laden der Batterie des Fahrzeugs und des weiteren Fahrzeugs unter Verwendung der Wechselrichter als Hochsetzsteller (HSS) oder Tiefsetzsteller (TSS). U_Batt ist die Spannung des Fahrzeugs, V_DC die Spannung vom oder zu dem weiteren Fahrzeug oder der Ladestation.

Modus / Schalter		203	204	205	206	207	208	209	210
Batterie direkt vom Ladegerät laden		1	1	1*	0	1*	0	1*	0
Laden der Batterie von DC-Quelle	V_DC < U_Batt Quelle → HSS → Batterie	1	0	0	0	0	T	0	T
Laden der Batterie von DC-Quelle	V_DC > U_Batt Quelle → TSS → Batterie	T	0	0	0	0	0	0	0
Rückspeisen von der Batterie in DC-Quelle	U_Batt > U_Quelle Batterie → TSS → Quelle	0	0	0	0	T	0	T	0
Rückspeisen von der Batterie in DC-Quelle	U_Batt < U_Quelle Batterie → HSS → Quelle	0	0	0	T	1	0	1	0
Legende
1	Dauerhaft eingeschaltet
1*	Bevorzugt dauerhaft eingeschaltet, kein Einfluss auf die Funktionalität, eventuell auf Verluste
0	Dauerhaft ausgeschaltet
T	Schalter wird zwecks Einstellung der Spannung entsprechend gesteuert bzw. getaktet

Hinweise:

Schalter 203 ist ein Leistungshalbleiterschalter, z.B. IGBT, M08FET, etc.
Schalter 204 kann sowohl mechanischer Schalter als auch ein Leistungshalbleiterschalter sein.
In Fällen, bei denen die Schalter 208, 210 und 207, 209 getaktet werden, können beide Schalter simultan (gleichzeitig) oder interleaved (versetzt) getaktet werden.

3B zeigt eine weitere Ausführungsform der Schaltungsanordnung 200, wobei ein AC/DC Wandler 302 die Wechselspannung der Quelle 301 in Gleichspannung wandelt. Entsprechend kann ein DC/AC Wandler 302 eine rückzuspeisende Gleichspannung in eine zwei- oder dreiphasige Wechselspannung umwandeln.
4 zeigt eine Ausführungsform der Schaltungsanordnung 200 in Fahrzeugen 401 und 421 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, die z.B. jeweils in einem ersten Fahrzeug bzw. einem zweiten Fahrzeug angeordnet sein können. Die gleich aufgebauten Schaltungsanordnungen in 401, 421 sind hierbei B6-Schaltungen, bei denen die Wicklungen der elektrischen Maschine 412 bzw. 432 als Sternschaltung mit den Sternpunkten 415 bzw. 435 geschaltet sind. Durch die Verbindung 441, die die Sternpunkte 415 und 435 miteinander verbindet, kann die Batterie 402 als Energiequelle die Batterie 422 als Energiesenke laden oder umgekehrt. Die Batterien sind über die Schalter, z.B. Schütze 413, 414, bzw. 433, 434 mit der Schaltungsanordnung 200 verbindbar. Die Schaltungsanordnungen in 401 und 421 können beide als Hochsetzsteller oder als Tiefsetzsteller betrieben werden oder auch zum Durchleiten des Stroms ohne Verändern der Spannung.
5 zeigt den Stromfluss der in 4 gezeigten Schaltungsanordnungen, im Falle, dass die Schaltungsanordnung in einem ersten Fahrzeugs 401 als Tiefsetzsteller arbeitet, um die Batterie 422 des zweiten Fahrzeugs 421 zu laden. Die Schaltungsanordnung in 401 des ersten Fahrzeugs ist mit der Schaltungsanordnung 402 des zweiten Fahrzeugs 421 über die Anschlüsse 441 und 442 verbunden. Hierzu wird der positive Wechselrichterschalter 407 getaktet, so dass der Strom der als Quelle fungierenden Batterie 402 über den kurzzeitig leitenden Wechselrichterschalter 407 zur Batterie 402 fließt oder, bei kurzzeitig sperrendem Wechselrichterschalter, getrieben durch die mittleren Wicklungen der elektrischen Maschinen 412 und 432, von den Wicklungen über die Batterie 402 und die Diode 408 wieder zu den mittleren Wicklungen der elektrischen Maschinen 412, 432. Entsprechend können auch die positiven Wechselrichterschalter 405 und 409 getaktet werden. Die negativen Wechselrichterschalter 406, 408, 410 bleiben offen, d.h., die Transistoren der negativen Wechselrichterschalter 406, 408, 410 sperren.
6 zeigt den Stromfluss der in 4 gezeigten Schaltungsanordnungen im Falle, dass die Schaltungsanordnung eines ersten Fahrzeugs als Hochsetzsteller arbeitet, um die Batterie 422 des zweiten Fahrzeugs zu laden. Hierbei wird z.B. der negative Wechselrichterschalter 408 getaktet. Während dessen leitenden Zustands fließt der Strom vom Pluspol der Batterie 402 über die mittleren Wicklungen der elektrischen Maschinen 412, 432 zurück zur Batterie 402. Während des sperrenden Zustands hingegen wird der Strom von den mittleren Wicklungen der elektrischen Maschinen 412, 432 getrieben und über die Diode 427 mit der hochgesetzten Spannung zum Pluspol der Batterie 422 geleitet. Der Stromkreislauf erfolgt dann vom Minuspol der Batterie über den Anschluss 442 zum Minuspol der Batterie 402. Entsprechend können auch die negativen Wechselrichterschalter 406 und 410 getaktet werden. Die positiven Wechselrichterschalter 405, 407, 409 der Schaltungsanordnung im ersten Fahrzeug 401 bleiben hierbei geschlossen, das heißt die jeweiligen Transistoren sind leitend geschaltet.
Umgekehrt kann auch die Batterie 402 des ersten Fahrzeugs durch die Batterie 422 des zweiten Fahrzeugs 421 geladen werden. Eine Kommunikationsverbindung 440 sorgt für die Koordination des Ladevorgangs. Hierdurch können z.B. Informationen ausgetauscht werden, welche Arten von Batterien eingesetzt sind, welche der Batterien geladen werden soll, sowie Informationen zur Überwachung des Ladevorgangs.
Weiterhin weisen die Schaltungsanordnungen in 401 und 421 die Schalter 403 und 423 auf, mit denen die Verbindung 441 durch die jeweiligen Schaltungsanordnungen getrennt werden kann. Diese können z.B. durch einen Start/Stoppbefehl, z.B. veranlasst durch einen Sensor, gesteuert werden.

Nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die Schaltereinstellungen in den Schaltungsanordnungen der 5 und 6:

Modus	Quelle	Spannungslage	Senke	Schalter in 401	Schalter in 421	Figur
HSS	Batterie	<	Batterie	Ein:	Takten:	6
	402		422	405, 407, 409	426, 428, 430
TSS	Batterie	>	Batterie	Takten:	aus:	5
	402		422	405, 407, 409	426, 428, 430
HSS	Batterie	<	Batterie	Takten:	Ein:
	422		402	406, 408, 410	425, 427, 429
TSS	Batterie	>	Batterie	aus:	Takten:
	422		402	406, 408, 410	425, 427, 429
HSS ... Hochsetzsteller
TSS ... Tiefsetzsteller

7 zeigt unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung 200 in zwei Fahrzeugen 701 und 421 mit Stromverbindungen 441, 442 und einer Kommunikationsverbindung 440 zwischen den Schaltungsanordnungen in 701 und 421, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem die Schaltungsanordnung in 701 auf einem mehrstufigen Wechselrichter basiert und bei der über die Schalter 704, 705 und 706 zwei serielle Batterien angeschlossen werden können. Die Schaltkreise der Schaltungsanordnungen in 701 und 421 sind wieder über die Sternpunkte 709 bzw. 435 und Schalter 708 bzw. 423 miteinander verbunden.
Die Funktionalität eines Hochsetzstellers bzw. eines Tiefsetzstellers lässt sich hierbei auf die in 5 bzw. 6 beschriebenen Schaltungsanordnung zurückführen, indem man beispielsweise bei Verwendung der Schaltungsanordnung in 701 als Tiefsetzsteller die Wechselrichterschalter 719 und 721 gleichtaktet oder bei Verwenden der Schaltungsanordnung in 701 als Hochsetzsteller die Wechselrichterschalter 723 und 724 (bzw. 717, 718; 729, 730) gleichtaktet oder einen der Wechselrichterschalter 723, 723 leitend schaltet. Entsprechende Maßnahmen kann man ergreifen, um statt der beiden Batterien 702, 703 nur eine der beiden Batterien zum Laden oder als Quelle zu verwenden. Z.B. kann Schalter 719 geöffnet werden und Schalter 720 geschlossen werden, um statt über die Leitung 710 eine Verbindung über die Leitung 711 zur Batterie 703 zu erhalten. Entsprechendes gilt für die Schalter 713, 714 (bzw. 719, 720 und 725, 726).
8 zeigt Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung 200 basierend auf jeweils einer B6-Schaltung in zwei Fahrzeugen 801, 821 mit Verbindungen 840, 841, 842, z.B. einem Stecker, zwischen den Schaltungsanordnungen, die die Schaltungen über die Schalter 808, 823 und die Sternpunkte 815 und 835 der elektrischen Maschinen 812 bzw. 832 verbindet. Die Batterien 802 und 822 sind Energiesenken oder -quellen. Im Unterschied zur 4 sind noch Schalter 818 und 838 vorhanden, mit denen in Verbindung mit den Schaltern 808 und 823 die beiden Stromkreise vollständig galvanisch getrennt werden können, indem auch die Leitungen 816 bzw. 836 von der Verbindung 842 getrennt werden.
9 zeigt Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung 200 in zwei Fahrzeugen 901, 421 mit Verbindungen 440, 441 und 442 zwischen den Schaltungsanordnungen, wobei die Schaltungsanordnung des ersten Fahrzeugs 901 eine 6-phasige elektrische Maschine aufweist, die als zwei parallele 3-phasige elektrische Maschinen aufgebaut ist. Die Verbindung 441 erfolgt über den Sternpunkt 905 der ersten elektrischen Maschine 903, während die Verbindung 442 über den zweiten Sternpunkt 906 der zweiten elektrischen Maschine 904 erfolgt. Die Verbindung zum Minuspol der Batterie 902 kann hierbei z.B. über durchgeschaltete negative Wechselrichterschalter der zweiten elektrischen Maschine 904 zur Leitung 907 erfolgen.
10 zeigt Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnungen in zwei Fahrzeugen 421, 1001 mit Verbindungen 1102, 1003, 1004 zwischen den Schaltungsanordnungen in 421 bzw. 1001. Die Schaltungsanordnung in 1001 entspricht im Wesentlichen der Schaltungsanordnung in 901, jedoch ist der Minuspol der Batterie 422 über die Leitung 436 und die Verbindung 1004 nun direkt mit dem Minuspol der Batterie 902 verbunden, anstatt über den Sternpunkt 906.
Somit kann die elektrische Maschine und der Wechselrichter als bidirektionaler DC/DC- Wandler verwendet werden, welcher in beide Richtungen die Spannung sowohl hochsetzen als auch tiefsetzen kann. Der DC/DC-Wandler kann durch einen zusätzlichen Schalter (z.B. IGBT) in einer Phase und einen zweiten freien Schalter realisiert werden. Gegenüber den herkömmlichen DC/DC-Wandlern können viele Bauteile eingespart werden, wie z.B. Halbleiterbauteile, Wicklungen, die ein nicht vernachlässigbares Volumen und Gewicht aufweisen und zudem teuer sind. Auch z.B. eine Kühlplatte und eine Steuereinheit mit Gehäuse und Zwischenkreiskondensator entfallen, und Stecker sowie Hochvoltkabel zur Batterie werden eingespart.
Somit wird eine wirtschaftliche und flexible Lösung zum mobilen Laden von Fahrzeugbatterien erreicht.

Claims

Schaltungsanordnung (200) in einem Fahrzeug (240) zum Laden einer anschließbaren Batterie (201, 422) eines weiteren Fahrzeugs oder einer anschließbaren Ladestation, wobei die Schaltungsanordnung (200) einen Wechselrichter zum Versorgen einer anschließbaren elektrischen Maschine (212, 412, 707, 812, 903) mit Energie aufweist; wobei die Schaltungsanordnung (200) eingerichtet ist, eine zum Laden einer anschließbaren Batterie (201, 422) eines weiteren Fahrzeugs oder einer anschließbaren Ladestation erforderliche Spannung mittels des Wechselrichters (230) in Verbindung mit Wicklungen der elektrischen Maschine (212, 412) bereitzustellen.
Schaltungsanordnung (200) nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter auf einer B6-Schaltung mit drei Phasen basiert und die Wicklungen der elektrischen Maschine (212, 412, 707, 812, 903) in Sternschaltung mit einem Sternpunkt (215, 415, 709, 815, 905) verschaltet sind.
Schaltungsanordnung (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zum Laden der Batterie (201) des weiteren Fahrzeugs oder der Ladestation von einer Batterie (202) des Fahrzeugs der Wechselrichter drei parallel angeordnete Halbbrücken (205, 206; 207, 208; 209, 210) aufweist, jede Halbbrücke eine Serienschaltung aus einem am Pluspol der Batterie (202) des Fahrzeugs angeschlossenen positiven Wechselrichterschalter (205) und einem am Minuspol der Batterie (202) des Fahrzeugs angeschlossenen negativen Wechselrichterschalter (206) aufweist; wobei an einem Mittelpunkt (216) zwischen dem negativen (206, 208, 210) und dem positiven Wechselrichterschalter (205, 207, 209) jeder Halbbrücke eine Wicklung der elektrischen Maschine anschließbar ist, und die Wicklungen (212) zu einer Sternschaltung verschaltet sind; wobei die zum Laden erforderliche Energie an einem positiven (217) und einem negativen (218) Gleichstromanschluss bereitgestellt wird; zwischen den positiven Gleichstromanschluss (217) und dem Mittelpunkt (216) einer Halbbrücke ein erster Schalter (203) angeordnet ist; zwischen dem Mittelpunkt (216) dieser Halbbrücke und dem positiven Wechselrichterschalter (205) der Halbbrücke ein zweiter Schalter (204) angeordnet ist; und wobei der negative Gleichstromanschluss (218) an den Minuspol der anschließbaren Batterie (201) oder anschließbaren Ladestation angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung (200) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Schaltungsanordnung (200) eingerichtet ist, zum Laden der anschließbaren Batterie (422) des weiteren Fahrzeugs (421) den Sternpunkt der Wicklungen der anschließbaren elektrischen Maschine mit einem Sternpunkt (435) einer elektrischen Maschine (432) des weiteren Fahrzeugs (421) oder der anschließbaren Ladestation schaltbar zu verbinden.
Schaltungsanordnung (200) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der Wechselrichter ein mehrstufiger Wechselrichter ist, und die Schaltungsanordnung (200) eingerichtet ist, zum Laden der anschließbaren Batterie (422) des weiteren Fahrzeugs (421) oder der anschließbaren Ladestation den Sternpunkt (709) einer an den Wechselrichter anschließbaren elektrischen Maschine (707) mit einem Sternpunkt (435) einer elektrischen Maschine (432) des weiteren Fahrzeugs (421) oder der anschließbaren Ladestation schaltbar zu verbinden.
Schaltungsanordnung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung (200) eingerichtet ist, den Minuspol der Batterie (802) des Fahrzeugs (801) mit dem Minuspol der Batterie (822) des weiteren Fahrzeugs (821) oder der Ladestation schaltbar zu verbinden.
Schaltungsanordnung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anschließbare elektrische Maschine (903, 904) eine sechsphasige elektrische Maschine ist, die eine erste und eine zweite parallele dreiphasige elektrische Wicklung (903, 904) aufweist, wobei die erste dreiphasige Wicklung (903) einen ersten Sternpunkt (905) aufweist und die zweite dreiphasige Wicklung (904) einen zweiten Sternpunkt (906) aufweist; und wobei die Schaltungsanordnung (200) eingerichtet ist, zum Laden der Batterie (422) des weiteren Fahrzeugs (421) oder der Ladestation den ersten Sternpunkt (905) der ersten dreiphasigen Wicklung (903) mit einem Sternpunkt (435) einer elektrischen Maschine (432) des weiteren Fahrzeugs (435) oder der anschließbaren Ladestation schaltbar zu verbinden, und den zweiten Sternpunkt (906) der zweiten dreiphasigen Wicklung (904) mit dem Minuspol der Batterie (422) des weiteren Fahrzeugs (421) oder der Ladestation zu verbinden.
Schaltungsanordnung (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die elektrische Maschine (903, 904) eine sechsphasige elektrische Maschine ist, die eine erste und eine zweite parallele dreiphasige elektrische Wicklung (903, 904) aufweist, wobei die erste dreiphasige Wicklung (903) einen ersten Sternpunkt (905) aufweist und die zweite dreiphasige Wicklung (904) einen zweiten Sternpunkt (906) aufweist; und wobei die Schaltungsanordnung (200) eingerichtet ist, zum Laden der Batterie des weiteren Fahrzeugs (421) oder der Ladestation ersten Sternpunkt (905) der ersten dreiphasigen Wicklung (903) mit einem Sternpunkt (435) einer elektrischen Maschine (432) des weiteren Fahrzeugs (435) oder der anschließbaren Ladestation schaltbar zu verbinden; und den Minuspol der Batterie (902) des Fahrzeugs (1001) mit dem Minuspol der Batterie (422) des weiteren Fahrzeugs (421) oder der Ladestation zu verbinden.
Schaltungsanordnung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gleichstromanschluss weiterhin einen Kommunikationsanschluss (440) aufweist.
Fahrzeug (240), aufweisend eine Schaltungsanordnung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Laden einer an eine Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 anschließbaren Batterie (201, 422) eines weiteren Fahrzeugs oder einer anschließbaren Ladestation, wobei Schalter der Schaltungsanordnung (200) derart angesteuert werden, dass eine zum Laden der anschließbaren Batterie (201, 422) eines weiteren Fahrzeugs oder zum Laden der anschließbaren Ladestation erforderliche Spannung mittels der Schaltungsanordnung bereitgestellt wird.