DE102020121818A1

DE102020121818A1 - Elektrisches System für ein Kraftfahrzeug für einen Boost-Ladebetrieb, Verfahren zu dessen Betrieb und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020121818A1
Application number: DE102020121818.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Schardax; Reiner Abl; Said El-Barbari
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2022-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches System für ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren zu dessen Betrieb sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug. Das System umfasst eine elektrische Maschine, einen dreiphasigen Umrichter und eine Batterie sowie einen Ladeanschluss zum Anschließen einer fahrzeugexternen Ladestation zum Aufladen der Batterie mit einer ersten oder einer niedrigeren zweiten Spannung. In einem Boost-Ladebetrieb, in dem an dem Ladeanschluss die niedrigere zweite Spannung anliegt, werden zum Aufladen der Batterie mit der höheren ersten Spannung der Umrichter und Induktivitäten der elektrischen Maschine als Hochsetzsteller zum Aufwärtswandeln der zweiten Spannung auf die erste Spannung betrieben. Dazu ist für den Boost-Ladebetrieb der Ladeanschluss direkt mit einer ersten Phase des Umrichters und der elektrischen Maschine verbindbar. Die beiden anderen Phasen fungieren dann als Teile des Hochsetzstellers zum Bereitstellen der ersten Spannung an die Batterie an einem batterieseitigen Anschluss des Umrichters.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches System für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen und ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug.
Im Bereich der Fahrzeugtechnik findenden heutzutage elektrische Systeme, insbesondere elektrische Antriebssysteme, zunehmend Verbreitung. Im Zuge der technischen Entwicklung werden dabei immer wieder höhere Spannungen oder Spannungsniveaus vorgesehen bzw. verwendet. Höhere Spannungen können vorteilhaft beispielsweise verringerte Ladezeiten und Verluste sowie eine größere Leistung ermöglichen. In gewisser Weise kann es jedoch zu Problemen führen, dass die Lebensdauer elektrischer Einrichtungen, wie etwa einer fahrzeugexternen Ladeinfrastruktur, ebenso wie die Lebensdauer elektrischer Kraftfahrzeuge relativ lang sein kann. Dadurch kann es zu Überlappungszeiten kommen, während derer sich gleichzeitig primär für eine erste Lade- oder Betriebsspannung eingerichtete und ausgelegte Kraftfahrzeuge und für eine niedrigere zweite Spannung eingerichtete und ausgelegte Infrastrukturelemente, beispielsweise fahrzeugexterne Ladestationen, im aktiven Einsatz befinden.
Um eine größtmögliche Flexibilität für die Nutzung elektrischer Kraftfahrzeuge und einer fahrzeugexternen Ladeinfrastruktur zu ermöglichen, könnten Kraftfahrzeuge beispielsweise mit verschiedenen elektrischen Einrichtungen oder Systemen, beispielsweise Ladegeräten, Energiespeichern oder elektrischen Maschinen, für unterschiedliche Spannungen ausgestattet werden. Dies wäre in der Realität jedoch mit nicht vertretbarem Aufwand, Bauraumbedarf und Gewicht sowie entsprechend hohen Kosten verbunden und stellt daher keine praktikable Möglichkeit dar.
Als einen weiteren Ansatz beschreibt die DE 10 2017 123 346 A1 ein Verfahren zum Initialisieren eines DC-Ladevorgangs einer Batterie eines Elektrofahrzeugs mittels eines Inverters. Bei dem Ladevorgang wird der Inverter und mindestens eine Induktivität eines an diesen angeschlossenen Elektromotors zur Aufwärtswandlung einer niedrigeren Ladespannung in eine zum Laden der Batterie erforderliche höhere Spannung verwendet. Dazu wird bei dem über den Inverter stattfindenden Ladevorgang eine Ladestation nicht wie im üblichen Fall direkt an die Batterie des Fahrzeugs, sondern mit einem der beiden Pole an den Sternpunkt der elektrischen Maschine angeschlossen
Unterschiedliche Spannungen im Bereich der Fahrzeugtechnik sind auch in der DE 10 2017 203 065 A1 im Zusammenhang mit einem Antriebsumrichter mit integriertem Boost-Converter thematisiert. Dort ist eine Stromrichterkomponente für ein Kraftfahrzeug beschrieben, die wenigstens ein mehrfachgenutztes leistungselektronisches Bauteil aufweist. Dieses Bauteil kann wahlweise entweder zur Funktionalität des Antriebsumrichters oder zur Funktionalität des Boost-Converters beitragen. Damit soll ein verlustarmer Antriebsumrichter für höhere Spannungslagen realisiert werden, der einen integrierten Boost-Converter für einen Range-Extender aufweist. Mittels der Boost-Converter-Funktionalität kann eine Aufwärtswandlung der Spannung des Range-Extenders, bei dem es sich beispielsweise um eine Brennstoffzelle oder einen Verbrennungsmotor-Generator handeln kann, realisiert werden. In einem entsprechenden Betriebsmodus wirkt ein Halbleitermodul dann als Boost-Converter für die Aufwärtswandlung und gleichzeitig als 2-Level-Fahrumrichter für den Betrieb eines Elektromotors des entsprechenden Kraftfahrzeugs.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf besonders einfache Weise eine besonders flexible und effiziente Nutzung eines elektrischen Kraftfahrzeugs zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.
Ein erfindungsgemäßes elektrisches System für ein Kraftfahrzeug umfasst eine elektrische Maschine, einen zur Versorgung der elektrischen Maschine - beispielsweise in einem Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs - mit einer ersten Spannung daran angeschlossenen mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Umrichter und eine an den Umrichter angeschlossene Batterie. Insbesondere können die elektrische Maschine als Traktions- oder Antriebsmaschine und die Batterie als Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs zum Bereitstellen elektrischer Energie über den Umrichter an die elektrische Maschine ausgebildet sein. Die erste Spannung kann also eine zum Betreiben der elektrischen Maschine in dem Fahrbetrieb verwendete oder vorgesehene Spannung bzw. eine nominelle Batteriespannung der Batterie sein. Das erfindungsgemäße elektrische System umfasst weiter einen Ladeanschluss zum elektrischen Anschließen einer fahrzeugexternen Ladestation zum Aufladen der Batterie mit der ersten oder einer niedrigeren zweiten Spannung. Eine solche niedrigere zweite Spannung kann beispielsweise von älteren oder schwächer ausgelegten fahrzeugexternen Ladestationen als Maximum bereitgestellt werden. Die zweite Spannung kann dabei signifikant niedriger als die erste Spannung sein, beispielsweise zumindest im Wesentlichen halb so groß wie die erste Spannung sein.
Das erfindungsgemäße elektrische System ist dazu eingerichtet, in einem Boost-Ladebetrieb, in dem an dem Ladeanschluss die zweite Spannung anliegt oder bereitgestellt wird, zum Aufladen der Batterie mit der ersten Spannung den Umrichter und Induktivitäten der elektrischen Maschine als Hochsetzsteller zum Aufwärtswandeln der zweiten Spannung auf die erste Spannung zu betreiben. Mit anderen Worten können hier also Teile des elektrischen Systems, insbesondere der Umrichter und wenigstens eine der Induktivitäten der elektrischen Maschine, die auch für den Fahrbetrieb verwendet werden, als Aufwärtswandler oder Booster zum Aufladen der Batterie verwendet werden. Dies ermöglicht es, die Batterie stets mit der größeren ersten Spannung aufzuladen, sodass kein separates, für die niedrigere zweite Spannung ausgelegtes Ladegerät oder dergleichen in dem Kraftfahrzeug vorgehalten werden muss.
Erfindungsgemäß ist für den Boost-Ladebetrieb der Ladeanschluss bzw. ein Pol des Ladeanschlusses direkt mit wenigstens einer ersten Phase des Umrichters und der elektrischen Maschine verbindbar. Ein solches direktes Verbinden bedeutet hier, dass zwischen den jeweiligen Bauteilen oder Komponenten, hier also zwischen dem Ladeanschluss bzw. dessen wenigstens einem Pol und der ersten Phase eine durchgängige elektrische Leitungsverbindung gegeben ist oder hergestellt werden kann, sich dazwischen also kein weiteres Bauteil, insbesondere kein einen signifikanten Spannungsabfall verursachendes Bauteil, befindet. Dies kann insbesondere durch einen zwischen dem Ladeanschluss und der ersten Phase angeordneten Schalter realisiert sein. Bevorzugt kann der Ladeanschluss dabei in dieser Art nur mit der ersten Phase direkt verbindbar sein, nicht aber mit den anderen Phasen.
Eine Phase in diesem Sinne kann insbesondere eine Leitung, also eine Phasen- oder Anschlussleitung, insbesondere eine Ausgangsleitung, des Umrichters bezeichnen, die ein entsprechendes Phasensignal oder eine entsprechende Phasenspannung zum Versorgen oder Betreiben der elektrischen Maschine trägt.
Weiter fungiert erfindungsgemäß wenigstens eine andere Phase als Teil des Hochsetzstellers zum Bereitstellen der aus der an dem Ladeanschluss bereitgestellten zweiten Spannung erzeugten ersten Spannung an die Batterie an einem batterieseitigen Anschluss des Umrichters. Handelt es sich um einen dreiphasigen Umrichter, können bevorzugt die beiden anderen Phasen derart als Teile des Hochsetzstellers betrieben werden. Ein anderer bzw. zweiter Pol des Ladeanschlusses kann, insbesondere direkt, mit der Batterie oder einem die Batterie umfassenden Batteriesystem (HVS: Hochvoltspeicher / BMU: Battery Master Unit) verbunden sein, insbesondere sowohl für den Boost-Ladebetrieb als auch für einen regulären Ladebetrieb, in dem an dem Ladeanschluss die erste Spannung zum Aufladen der Batterie anliegt. Für diesen regulären Ladebetrieb kann der erste Pol, insbesondere dauerhaft, mit der Batterie bzw. einem Ladeeingang des Batteriesystems verbunden sein.
Der Umrichter kann dazu mehrere Leistungstransistoren umfassen, denen jeweils eine Freilaufdiode parallelgeschaltet ist. Die Leistungstransistoren können insbesondere in einer Parallelschaltung aus wenigstens drei Serienschaltungen jeweils zweier Leistungstransistoren, also in drei parallelen Halbbrücken angeordnet sein. Jede dieser wenigstens drei Halbbrücken kann einer Phase zugeordnet sein bzw. jeweils eine Phase zur Versorgung der elektrischen Maschine bereitstellen.
Das erfindungsgemäße elektrische System kann auch ein Steuergerät, eine Steuerlogik oder eine Steuerelektronik umfassen, beispielsweise zum Einstellen des Ladebetriebs, also zum - insbesondere automatischen - Wechseln zwischen dem Boost-Ladebetrieb und dem regulären Ladebetrieb, zum Steuern oder Schalten von Schaltern oder Leistungstransistoren des Umrichters und/oder dergleichen mehr. Insbesondere kann damit für den Fall, dass an dem Ladeanschluss die zweite Spannung anliegt, der entsprechende Pool des Ladeanschlusses automatisch mit dem Umrichter bzw. mit der ersten Phase des Umrichters und der elektrischen Maschine verbunden werden.
Insgesamt ermöglicht die vorliegende Erfindung damit auf besonders einfache und aufwandsarme Weise sowohl die Verwendung höherer Spannungen, hier also der ersten Spannung etwa als Fahr-, Betriebs- oder Batteriespannung für einen oder in einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs, als auch die Verwendung kleinerer oder niedrigerer externer Ladespannungen an dem Ladeanschluss. Durch die vorliegende Erfindung können also die Vorteile höherer Spannungen im Betrieb des elektrischen Systems bzw. des Kraftfahrzeugs ausgenutzt und gleichzeitig eine Abwärts- oder Rückwärtskompatibilität mit älterer bzw. für geringere Spannungen ausgelegter fahrzeugexterner Ladeinfrastruktur sichergestellt werden. Dazu werden vorteilhaft ohnehin in heutigen elektrischen Kraftfahrzeugen vorhandene Komponenten und Bauteile verwendet, die somit also vorteilhaft eine Doppelfunktionalität erfüllen oder aufweisen können. Dadurch können entsprechende zusätzliche Bauteile und somit also Aufwand, Gewicht und Kosten eingespart werden. Bei einem dreiphasigen Umrichter können ein oder zwei Phasen für den Hochsetzstellerbetrieb verwendet werden. Durch die Verwendung von wenigstens zwei Phasen für den Hochsetzstellerbetrieb, also für das Aufwärtswandeln der zweiten Spannung in dem Boost-Ladebetrieb, kann beispielsweise im Vergleich zur Verwendung nur einer Phase als Booster eine reduzierte Signal- oder Stromwelligkeit erreicht werden. Grundsätzlich kann das hier beschriebene Prinzip der Verwendung des Umrichters als Booster zum Ermöglichen eines Ladens mit erhöhter Spannung trotz niedrigerer von der jeweiligen Ladestation bereitgestellter Spannung ebenso mit anderen Anzahlen von Phasen, beispielsweise mit mehr als drei Phasen, angewendet werden. Der Einfachheit halber wird im Folgenden stellenweise ohne Beschränkung der Allgemeinheit beispielhaft von drei Phasen ausgegangen.
Die vorliegende Erfindung können insbesondere für das Gleichstrom- oder DC-Laden angewendet werden. Der Umrichter und die Induktivitäten der elektrischen Maschine werden dann in dem Boost-Ladebetrieb also als DCDC-Booster betrieben bzw. verwendet.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das erfindungsgemäße elektrische System für eine erste Spannung von etwa 800 V und eine zweite Spannung von etwa 400 V ausgelegt. Diese Spannungen sind dabei als Systemspannungen oder Richtspannungen zu verstehen. Die erste Spannung von 800 V muss also nicht exakt 800 V betragen, sondern kann alle in heutzutage üblichen 800 V-Systemen verwendeten Spannungen oder Spannungslagen bzw. Spannungsniveaus umfassen oder annehmen. In diesem Sinne kann die erste Spannung hier beispielsweise 500 V bis 1000 V betragen. Analog dazu bezeichnet die zweite Spannung von etwa 400 V die oder alle in üblichen 400 V-Systemen verwendeten Spannungen, kann also beispielsweise zwischen 200 V und weniger als 500 V betragen. Dass das elektrische System für diese Spannungen ausgelegt ist, kann beispielsweise bedeuten, dass einzelne Bauteile oder Komponenten des elektrischen Systems dazu eingerichtet und ausgebildet sind, die entsprechenden Spannungen in einem spezifikationsgemäßen oder nominellen Betrieb beschädigungsfrei zu tragen oder zu transportieren. Die hier vorgeschlagene Auslegung des erfindungsgemäßen elektrischen Systems stellt eine besonders vorteilhafte Realisierungsmöglichkeit dar, da durch die Verwendung dieser beiden Spannungen bzw. Spannungsniveaus oder Spannungsbereiche eine besonders große Flexibilität und Alltagstauglichkeit des Kraftfahrzeugs erreicht werden kann, beispielsweise im Vergleich zur Auslegung für andere Spannungen oder andere Kombinationen von Spannungen.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Ladeanschluss und einem für den Boost-Ladebetrieb vorgesehenen Eingangsanschluss des Umrichters ein Schalter angeordnet. Das erfindungsgemäße elektrische System ist dann dazu eingerichtet, diesen Schalter automatisch für den Boost-Ladebetrieb zu schließen und außerhalb des Boost-Ladebetriebs zu öffnen. Dieser Schalter kann beispielsweise durch das genannte Steuergerät oder dergleichen automatisch gesteuert, also geschaltet werden. Insbesondere kann das elektrische System bzw. das Steuergerät dazu eingerichtet sein, diesen Schalter automatisch für den regulären Ladebetrieb, wenn an dem Ladeanschluss also die erste Spannung anliegt, oder für den Fahrbetrieb, während welchem die Batterie nicht über den Ladeanschluss aufgeladen wird, zu öffnen. Auf diese Weise kann ein verbesserter Kunden- oder Nutzungskomfort erreicht werden, beispielsweise im Vergleich zu einem manuellen Einstellen des zu verwendenden Ladebetriebs. Zudem können außerhalb des Boost-Ladebetriebs möglicherweise bei geschlossenem Schalter auftretende Verluste oder Kriechströme oder dergleichen vermieden oder reduziert werden.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist für den Boost-Ladebetrieb entlang eines von dem Ladeanschluss durch den Umrichter zu dessen batterieseitigem Anschluss führenden Strompfads eine erste Induktivität oder Phaseninduktivität der elektrischen Maschine direkt mit der ersten Phase des Umrichters verbunden. Die wenigstens zwei bzw. die beiden anderen Induktivitäten, also die den anderen Phasen zugeordneten Phaseninduktivitäten der elektrischen Maschine, sind dabei parallel zueinander der ersten Induktivität seriell nachgeschaltet. Mit anderen Worten sind wenigstens drei Induktivitäten der elektrischen Maschine also in einer Reihenschaltung aus der ersten Induktivität einerseits und einer Parallelschaltung der beiden anderen Induktivitäten andererseits verschaltet. Ein von dem Ladeanschluss in den für den Boost-Ladebetrieb vorgesehenen Eingangsanschluss des Umrichters fließender Ladestrom durchfließt entlang des genannten Strompfads also zunächst die erste Induktivität und teilt sich dann auf die anderen oder wenigstens zwei der anderen Induktivitäten, also entsprechend auf die anderen oder wenigstens zwei der anderen Phasen auf. Auf diese Weise können die anderen Phasen auf besonders einfache Weise, insbesondere ohne entsprechende zusätzliche Bauteile, insbesondere ohne zusätzliche Induktivitäten, als Booster, also zum Aufwärtswandeln der zweiten Spannung verwendet oder betrieben werden.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Batterie über jeweils einen positiven und einen negativen Anschluss mit dem Umrichter und mit dem Ladeanschluss verbunden. Der Umrichter ist also über einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss an die Batterie angeschlossen. Ebenso ist der Ladeanschluss an einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss der Batterie angeschlossen. Jedem dieser vier batterieseitigen Anschlüsse ist dabei ein Schalter vorgeschaltet. Diese vier Schalter können hier also insbesondere Teil der Batterie sein. Die batteriepolseitigen Seiten der den beiden positiven Anschlüssen vorgeschalteten Schalter einerseits und der den beiden negativen Anschlüssen vorgeschalteten Schalter andererseits sind dabei jeweils, insbesondere direkt, miteinander verbunden. Diese batteriepolseitigen Seiten der jeweils zwei Schalter sind also auf einer einem eigentlichen jeweiligen Pol oder einem eigentlichen Energiespeicher der Batterie zugewandten Seite miteinander verbunden oder zusammengeführt, beispielsweise über eine jeweilige direkte Verbindungsleitung. Die jeweils anderen Seiten der Schalter sind den Anschlüssen der Batterie, also dem Umrichter bzw. dem Ladeanschluss zugewandt. Durch die hier beschriebenen Schalter kann also individuell festgelegt werden, ob ein Strom- oder Spannungssignal über den jeweiligen Anschluss zu dem eigentlichen Energiespeicher innerhalb der Batterie transportiert bzw. von dem eigentlichen Energiespeicher zu dem jeweiligen Anschluss transportiert werden kann. Diese Anordnung ermöglicht auf besonders einfache und zuverlässige Weise ein, insbesondere automatisches, Umschalten zwischen dem Boost-Ladebetrieb und dem regulären Ladebetrieb sowie gegebenenfalls dem Fahrbetrieb, beispielsweise durch das genannte Steuergerät,
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen elektrischen Systems. Dabei wird für den Boost-Ladebetrieb, also zum Aufladen der Batterie durch eine externe Spannungsquelle kommt, deren bereitgestellte Spannung kleiner als die erste Spannung ist, insbesondere der zweiten Spannung entspricht, der Ladeanschluss mit einem für den Boost-Ladebetrieb vorgesehenen Eingangsanschluss des Umrichters und darüber mit der ersten Phase des Umrichters verbunden. Die wenigstens eine andere Phase sowie eine jeweilige direkt damit verbundene Induktivität der elektrischen Maschine wird dann als Hochsetzsteller zum Aufwärtswandeln der an dem Ladeanschluss anliegenden zweiten Spannung auf die erste Spannung betrieben. Diese - aus der an dem Ladeanschluss anliegenden zweiten Spannung erzeugte - erste Spannung wird dann an einem batterieseitigen Anschluss des Umrichters zum Aufladen der Batterie bereitgestellt. Dieses erfindungsgemäße Verfahren kann von dem elektrischen System automatisch durchgeführt werden, zumindest soweit oder sobald an dem Ladeanschluss die zweite Spannung anliegt und die Batterie nicht bereits vollständig aufgeladen ist. Dazu können entsprechende Schaltvorgänge durch das elektrische System, beispielsweise dessen genanntes Steuergerät oder dergleichen, automatisch durchgeführt werden.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst der Umrichter wenigstens drei parallel geschaltete Halbbrücken aus jeweils zwei Leistungstransistoren, wobei an zwischen den jeweiligen Leistungstransistoren jeweils einer Halbbrücke liegenden Knotenpunkten der Halbbrücken jeweils eine der Phasen bereitgestellt wird. Die Leistungstransistoren der wenigstens zwei Halbbrücken, deren Phasen als Teile des Hochsetzstellers zum Bereitstellen der ersten Spannung an die Batterie in dem Boost-Ladebetrieb betrieben werden, werden in dem Boost-Ladebetrieb dabei für diese oder wenigstens zwei dieser Halbbrücken zumindest im Wesentlichen gleichzeitig und phasengleich geschaltet. Dazu kann eine entsprechende Schaltfrequenz vorgegeben sein, mit welcher dann wenigstens ein Leistungstransistor einer der wenigstens zwei Halbbrücken und wenigstens ein Leistungstransistor der oder einer anderen der wenigstens zwei Halbbrücken zumindest im Wesentlichen synchron geschaltet werden. Durch dieses synchrone, also gleichzeitige bzw. gleichartige, Schalten der Leistungstransistoren aus den Halbbrücken kann gegebenenfalls eine besonders geringe Verlustleistung sowie eine besonders gute elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) in dem Boost-Ladebetrieb erreicht werden.
In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden wenigstens ein Leistungstransistor aus einer der wenigstens zwei Halbbrücken und wenigstens ein Leistungstransistor aus der oder einer anderen der wenigstens zwei Halbbrücken in dem Boost-Ladebetrieb verschachtelt, also gegenphasig, abwechselnd oder interleaved, geschaltet. Durch dieses ungleiche oder gegenläufige Schalten die Leistungstransistoren der oder wenigstens zweier der als Booster verwendeten Halbbrücken kann eine besonders geringe Welligkeit eines zum Aufladen der Batterie an dem batterieseitigen Anschluss des Umrichters anliegenden oder ankommenden Stromsignals oder Stromflusses erreicht werden.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst der Umrichter wenigstens drei parallel geschaltete Halbbrücken aus jeweils zwei Leistungstransistoren, wobei an zwischen den jeweiligen Leistungstransistoren jeweils einer Halbbrücke liegenden Knotenpunkten der Halbbrücken jeweils eine der Phasen bereitgestellt wird. Die Leistungstransistoren wenigstens einer ersten dieser Halbbrücken, welche wenigstens die erste Phase bereitstellt, deren Knotenpunkt also in dem Boost-Ladebetrieb direkt mit dem für den Boost-Ladebetrieb vorgesehenen Eingangsanschluss des Umrichters verbunden ist, bleiben in dem Boost-Ladebetrieb ungesteuert. Mit anderen Worten werden die Leistungstransistoren wenigstens dieser ersten Halbbrücke also während des Boost-Ladebetriebs nicht angesteuert oder aktiv ein- und ausgeschaltet. Dadurch kann also während des Boost-Ladebetriebs entsprechender Schaltungsaufwand für die Leistungstransistoren dieser ersten Halbbrücke eingespart werden. Dies ermöglicht zudem eine weitere Reduzierung des zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung notwendigen Aufwands, beispielsweise der Komplexität des elektrischen Systems.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das ein erfindungsgemäßes elektrisches System aufweist und/oder zum automatischen Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann also insbesondere das im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen elektrischen System und/oder im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannte Kraftfahrzeug sein. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug einige oder alle der in diesen Zusammenhängen genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere ein elektrisches Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Hybridfahrzeug oder ein batterieelektrisches Fahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren 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.
Die Zeichnung zeigt in 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen System zum Laden einer Fahrzeugbatterie bei zwei unterschiedlichen Spannungen.
Derzeit wird im Bereich der Elektrofahrzeuge die Verwendung einer höheren Spannung, beispielsweise von ungefähr 800 V, angestrebt. Dabei soll jedoch die Kompatibilität zu älteren, auf niedrigeren Spannungen basierenden Systemen, beispielsweise einer 500 V-Ladeinfrastruktur, aufrechterhalten werden. Herkömmliche DCDC-Wandler verursachen fahrzeugseitig jedoch nachteilig relativ hohe Kosten und bedeuten nachteilig zusätzliches Gewicht. Ein anderer Ansatz besteht in der Verwendung einer Umschaltmatrix (englisch: switching matrix), wofür nachteilig jedoch ein Mittenabgriff im jeweiligen Hochvoltspeicher benötigt wird, um eine Parallelschaltung zweier Hälften oder Teile des Hochschulspeichers darzustellen. Zudem ist damit eine Einschränkung auf eine gerade Anzahl von Batteriemodulen sowie zusätzlicher Bauraumbedarf in dem Hochvoltspeicher verbunden.
Um diese Probleme zu umgehen wird vorliegend ein schematisch und ausschnittweise in 1 dargestelltes Kraftfahrzeug 10 vorgeschlagen. Das Kraftfahrzeug 10 weist hier eine leistungselektrische oder leistungselektronische Antriebseinheit 12 mit einem Umrichter 14 und einer durch diesen versorgten elektrischen Maschine 16 auf. Die Antriebseinheit 12 kann auch noch weitere Komponenten umfassen, wie beispielsweise einen EMV-Filter 18, Zwischenkreiskapazitäten 20, einen oder mehrere Schütze oder dergleichen mehr. Die elektrische Maschine 16 kann insbesondere ein Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs 10 sein, also letztlich zum Antreiben von Rädern 22 des Kraftfahrzeugs 10 dienen bzw. eingerichtet sein.
Der Umrichter 14 bzw. eine entsprechende Leistungselektronik oder die Antriebseinheit 12 weisen vorliegend Umrichteranschlüsse 24 auf, über die an die Antriebseinheit 12 ein Batteriesystem 26 des Kraftfahrzeugs 10 angeschlossen ist. Das Batteriesystem 26 weist dazu einen entsprechenden positiven Anschluss 28 und einen negativen Anschluss 30 auf. Das Batteriesystem 26 umfasst hier einen schematisch angedeuteten eigentlichen Energiespeicher 32, beispielsweise aus einem oder mehreren Batteriemodulen bzw. einer oder mehreren Batteriezellen. Weiter umfasst das Batteriesystem 26 zusätzliche Komponenten, von denen hier beispielhaft vier Schalter S1, S2, S3 und S4 dargestellt sind. Ein jeder dieser Schalter ist hier jeweils einem der positiven Anschlüsse 28 oder der negativen Anschlüsse 30 des Batteriesystems 26 vorgeschaltet. Auf Seiten des Energiespeichers 32 sind einerseits die den beiden positiven Anschlüssen 28 vorgeschalteten Schalter S1, S3 miteinander verbunden und andererseits die den beiden negativen Anschlüssen 30 vorgeschalteten Schalter S2, S4 miteinander verbunden bzw. jeweils zusammengeführt und an einen Pol des Energiespeichers 32 angeschlossen.
Weiter ist vorliegend ein Ladeanschluss 34 vorgesehen, an den bestimmungsgemäß eine hier nicht dargestellte fahrzeugexternen Energiequelle oder Ladestation zum Aufladen des Batteriesystem 26 bzw. des Energiespeichers 32 angeschlossen werden kann. Die Pole oder Kontakte des Ladeanschluss 34 sind hier mit einem der positiven Anschlüsse 28 und mit einem der negativen Anschlüsse 30 des Batteriesystems 26 direkt verbunden. Die Verbindung des Ladeanschlusses 34 mit dem Energiespeicher 32 kann dabei durch entsprechendes Schalten oder Ansteuern der Schalter S2 und S3 hergestellt bzw. unterbrochen werden.
Zwischen einem der Pole des Ladeanschlusses 34 einerseits und dem Umrichter 14 bzw. der Antriebseinheit 12, insbesondere einem Ladeanschluss oder Ladeeingang 36 der Antriebseinheit 12, andererseits ist hier zudem ein weiterer Schalter S5 angeordnet.
Durch diesen Schalter S5 kann also eine indirekte elektrische Verbindung des Ladeanschlusses 34 mit dem Umrichter 14 hergestellt oder unterbrochen werden.
In einem regulären Ladebetrieb, in dem zum Aufladen des Energiespeichers 32 an dem Ladeanschluss 34 eine erste Spannung U1, vorliegend beispielsweise etwa 800 V, anliegt oder bereitgestellt wird, wird der Energiespeicher 32 über eine direkte Verbindung mit dem Ladeanschluss 34 über die dazu geschlossenen Schalter S2, S3 aufgeladen. In diesem Fall kann die Antriebseinheit 12 also durch Öffnen der Schalter S1, S4 und S5 von dem Batteriesystem 26 und dem Ladeanschluss 34 getrennt oder entkoppelt werden.
Kann die jeweilige externe Energiequelle oder Ladestation diese erste Spannung U1 nicht bereitstellen, sondern beispielsweise nur eine niedrigere zweite Spannung U2, beispielsweise etwa 400 V, so kann über den Ladeanschluss 34 der Energiespeicher 32 dennoch mit der höheren ersten Spannung U1 aufgeladen werden. Dazu wird die Antriebseinheit 12 in einem entsprechenden Boost-Ladebetrieb in den Ladevorgang miteinbezogen. Für diesen Boost-Ladebetrieb werden die Schalter S1, S2, S4 und S5 geschlossen, während der Schalter S3 geöffnet wird. Damit besteht dann im vorliegenden Beispiel keine direkte Verbindung mehr zwischen dem Ladeanschluss 34 und einem der positiven Anschlüsse 28 bzw. einem positiven Pol des Energiespeichers 32. Vielmehr führt nun ein entsprechender Strompfad von dem Ladeanschluss 34 zunächst über den Schalter S5 durch den Umrichter 14 und über einen der Umrichteranschlüsse 24 zu dem Batteriesystem 26 und schließlich über den geschlossenen Schalter S1 zu dem positiven Pol des Energiespeichers 32.
Für diesen Boost-Ladebetrieb werden der Umrichter 14 und die elektrische Maschine 16 als DCDC-Booster betrieben, um die an dem Ladeanschluss 34 bereitgestellte niedrigere zweite Spannung U2 auf die erste Spannung U1 hochzusetzen.
Dazu umfasst der Umrichter 14 hier drei parallel geschaltete Halbbrücken 38 aus jeweils zwei seriell geschalteten Leistungstransistoren, beispielsweise die IGBTs oder MOSFETs. Diesen Leistungstransistoren ist zur Vermeidung von Überspannungsschäden jeweils eine Freilaufdiode parallelgeschaltet. Zwischen den beiden Leistungstransistoren in jeder der Halbbrücken 38 wird eine Ausgangsphase - oder kurz eine Phase - zur Versorgung der elektrischen Maschine 16 bereitgestellt. Durch eine erste Halbbrücke 40 wird hier also eine erste Phase P1, durch eine zweite Halbbrücke 42 eine zweite Phase P2 und durch eine dritte Halbbrücke 44 eine dritte Phase P3 bereitgestellt. Diese drei Phasen P1, P2, P3 sind dabei jeweils direkt mit einer Induktivität 46 der elektrischen Maschine 16 verbunden.
Vorliegend ist der Ladeeingang 36 direkt mit einem Knoten- oder Anschlusspunkt zwischen den beiden Leistungstransistoren in der ersten Halbbrücke 40, also mit der ersten Phase P1 und weiter ebenso direkt mit einer ersten Induktivität 48 der elektrischen Maschine 16 verbunden. Dem Strompfad von dem Ladeanschluss 34 über den Ladeeingang 36 und durch diese erste Induktivität 48 folgend, ist der ersten Induktivität 48 seriell eine Parallelschaltung der beiden anderen Induktivitäten 46, die hier als Boost-Induktivitäten 50 bezeichnet werden, nachgeschaltet. Der Strompfad teilt sich nach der ersten Induktivität 48 also auf diese beiden Boost-Induktivitäten 50 auf und durchläuft dann parallel Leistungstransistoren der zweiten Halbbrücke 42 und der dritten Halbbrücke 44.
In dem Boost-Ladebetrieb werden die Leistungstransistoren der ersten Halbbrücke 40 ungesteuert gelassen, also nicht aktiv angesteuert, während die Boost-Induktivitäten 50 und die Leistungstransistoren der zweiten Halbbrücke 42 und der dritten Halbbrücke 44 als Booster, also als Hochsetzsteller zum Aufwärtswandeln der an dem Ladeanschluss 34 anliegenden zweiten Spannung U2 betrieben werden, also fungieren.
Damit kann auf besonders einfache und effektive sowie für praktische Anwendungen ausreichend effiziente Weise der Energiespeicher 32 an fahrzeugexternen Ladestationen unabhängig davon aufgeladen werden, ob die jeweilige Ladestation die erste oder die zweite Spannung U2 bereitstellt.
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele also wie ein Inverter-Ladebooster für elektrische Fahrzeuge realisiert werden kann, um eine besonders flexible und effiziente Nutzung eines elektrischen Fahrzeugs zu ermöglichen. Die dargestellte Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs 10 bzw. der Antriebseinheit 12 ist dabei rein beispielhaft zu verstehen und es sind ebenso davon abweichende Ausgestaltungen möglich, etwa unter Verzicht oder mit anderer Anordnung wenigstens eines Teils der Schalter S1 bis S5.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
12: Antriebseinheit
14: Umrichter
16: elektrische Maschine
18: EMV-Filter
20: Zwischenkreiskapazitäten
22: Räder
24: Umrichteranschlüsse
26: Batteriesystem
28: positive Anschlüsse
30: negative Anschlüsse
32: Energiespeicher
34: Ladeanschluss
36: Ladeeingang
38: Halbbrücken
40: erste Halbbrücke
42: zweite Halbbrücke
44: dritte Halbbrücke
46: Induktivitäten
48: erste Induktivität
50: Boost-Induktivitäten
S1 - S5: Schalter
U1: erste Spannung
U2: zweite Spannung
P1: erste Phase
P2: zweite Phase
P3: dritte Phase

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017123346 A1 [0004]
DE 102017203065 A1 [0005]

Claims

Elektrisches System (12, 26, 34) für ein Kraftfahrzeug (10), umfassend eine elektrische Maschine (16), einen zur Versorgung der elektrischen Maschine (16) mit einer ersten Spannung daran angeschlossenen mehrphasigen Umrichter (14), eine an den Umrichter (14) angeschlossene Batterie (26) und einen Ladeanschluss (34) zum elektrischen Anschließen einer fahrzeugexternen Ladestation zum Aufladen der Batterie (26) mit der ersten oder einer niedrigeren zweiten Spannung, wobei das elektrische System (12, 26, 34) dazu eingerichtet ist, in einem Boost-Ladebetrieb, in dem an dem Ladeanschluss (34) die zweite Spannung anliegt, zum Aufladen der Batterie (26) mit der ersten Spannung den Umrichter (14) und Induktivitäten (46) der elektrischen Maschine (16) als Hochsetzsteller zum Aufwärtswandeln der zweiten Spannung auf die erste Spannung zu betreiben, dadurch gekennzeichnet, dass für den Boost-Ladebetrieb der Ladeanschluss (34) direkt mit einer ersten Phase (P1) des Umrichters (14) und der elektrischen Maschine (16) verbindbar ist und wenigstens eine andere Phase (P2, P3) als Teil des Hochsetzstellers zum Bereitstellen der ersten Spannung an die Batterie (26) an einem batterieseitigen Anschluss (24) des Umrichters (14) fungiert.
Elektrisches System (12, 26, 34) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische System (12, 26, 34) für eine erste Spannung von etwa 800 V und eine zweite Spannung von etwa 400 V ausgelegt ist.
Elektrisches System (12, 26, 34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ladeanschluss (34) und einem Eingangsanschluss (36) des Umrichters (14) ein Schalter (S5) angeordnet ist und das elektrische System (12, 26, 34) dazu eingerichtet ist, diesen Schalter (S5) automatisch für den Boost-Ladebetrieb zu schließen und außerhalb des Boost-Ladebetriebs zu öffnen.
Elektrisches System (12, 26, 34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Boost-Ladebetrieb entlang eines von dem Ladeanschluss (34) durch den Umrichter (14) zu dessen batterieseitigem Anschluss (24) führenden Strompfads eine erste Induktivität (48) der elektrischen Maschine (16) direkt mit der ersten Phase (P1) des Umrichters (14) verbunden ist und wenigstens zwei andere Induktivitäten (50) der elektrischen Maschine (16) parallel zueinander der ersten Induktivität (48) seriell nachgeschaltet sind.
Elektrisches System (12, 26, 34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (26) über jeweils einen positiven (28) und einen negativen Anschluss (30) der Batterie (26) mit dem Umrichter (14) und mit dem Ladeanschluss (34) verbunden ist, wobei batterieseitig jedem dieser vier batterieseitigen Anschlüsse (28, 30) ein Schalter (S1, S2, S3, S4) vorgeschaltet ist und die batteriepolseitigen Seiten der den beiden positiven Anschlüssen (28) vorgeschalteten Schalter (S1, S3) einerseits und der den beiden negativen Anschlüssen (30) vorgeschalteten Schalter (S2, S4) andererseits miteinander verbunden sind.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Systems (12, 26, 34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für den Boost-Ladebetrieb der Ladeanschluss (34) mit einem Eingangsanschluss (36) des Umrichters (14) und darüber mit der ersten Phase (P1) des Umrichters (14) verbunden wird und die wenigstens eine andere Phase (P2, P3) sowie eine jeweilige direkt damit verbundene Induktivität (50) der elektrischen Maschine (16) als Hochsetzsteller zum Aufwärtswandeln der an dem Ladeanschluss (34) anliegenden zweiten Spannung auf die erste Spannung betrieben wird und diese erste Spannung an einem batterieseitigen Anschluss (24) des Umrichters (14) zum Aufladen der Batterie (26) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (14) wenigstens drei parallel geschaltete Halbbrücken (38) aus jeweils zwei Leistungstransistoren umfasst, wobei an zwischen den jeweiligen Leistungstransistoren jeweils einer Halbbrücke liegenden Knotenpunkten der Halbbrücken (38) jeweils eine der Phasen (P1, P2, P3) bereitgestellt wird und die Leistungstransistoren der wenigstens zwei Halbbrücken (42, 44), deren Phasen (P2, P3) als Teile des Hochsetzstellers zum Bereitstellen der ersten Spannung an die Batterie (26) in dem Boost-Ladebetrieb betrieben werden, in dem Boost-Ladebetrieb für beide Halbbrücken (42, 44) zumindest im Wesentlichen gleichzeitig und phasengleich geschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (14) wenigstens drei parallel geschaltete Halbbrücken (38) aus jeweils zwei Leistungstransistoren umfasst, wobei an zwischen den jeweiligen Leistungstransistoren jeweils einer Halbbrücke (38) liegenden Knotenpunkten der Halbbrücken (38) jeweils eine der Phasen (P1, P2, P3) bereitgestellt wird und die Leistungstransistoren der wenigstens zwei Halbbrücken (42, 44), deren Phasen (P2, P3) als Teile des Hochsetzstellers zum Bereitstellen der ersten Spannung an die Batterie (26) betrieben werden, in dem Boost-Ladebetrieb für beide Halbbrücken (42, 44) verschachtelt geschaltet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (14) wenigstens drei parallel geschaltete Halbbrücken (38) aus jeweils zwei Leistungstransistoren umfasst, wobei an zwischen den jeweiligen Leistungstransistoren jeweils einer Halbbrücke (38) liegenden Knotenpunkten der Halbbrücken (38) jeweils eine der Phasen (P1, P2, P3) bereitgestellt wird, wobei die Leistungstransistoren wenigstens einer ersten (40) der Halbbrücken (38), welche wenigstens die erste Phase (P1) bereitstellt in dem Boost-Ladebetrieb ungesteuert bleiben.
Kraftfahrzeug (10), das ein elektrisches System (12, 26, 34) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist und/oder zum automatischen Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 9 eingerichtet ist.