DE102021003851A1 - Elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeugs, sowie Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden elektrischen Antriebssystems - Google Patents

Elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeugs, sowie Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden elektrischen Antriebssystems Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem (2) für ein Fahrzeug (1), mit
- einer elektrischen Drehstrommaschine (3),
- einem elektrischen Energiespeicher (4),
- einem Wechselrichter (5) der elektrischen Drehstrommaschine (3), und
- einem Ladeanschluss (6) zum Koppeln des elektrischen Energiespeichers (4) mit einer Ladeeinheit (7), gekennzeichnet, durch
- eine Schaltvorrichtung (8), welche aufweist:
- einen ersten Schaltzustand, in welchem der Ladeanschluss (6) mit dem elektrischen Energiespeicher (4) galvanisch verbunden und der Wechselrichter (5) von dem Ladeanschluss (6) und von dem elektrischen Energiespeicher (4) galvanisch getrennt ist;
- einen zweiten Schaltzustand, in welchem der Ladeanschluss (6) mit dem Wechselrichter (5) und mit dem elektrischen Energiespeicher (4) galvanisch verbunden ist; und
- einen dritten Schaltzustand, in welchem der Wechselrichter (5) mit dem elektrischen Energiespeicher (4) galvanisch verbunden und der Ladeanschluss (6) von dem elektrischen Energiespeicher (4) und von dem Wechselrichter (5) galvanisch getrennt ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
  • Elektrisch angetriebene Fahrzeuge weisen heutzutage eine Spannungslage von 800 Volt auf. Dabei weisen diese Fahrzeuge eine 800-Volt-Fahrzeugbatterie auf, mit welcher ein Bordnetz und/oder eine elektrische Antriebsmaschine mit Energie versorgt werden kann. Beispielsweise ist dies in der DE 10 2019 005 621 A1 und der DE 10 2009 052 680 A1 offenbart. Damit die elektrische Maschine des Fahrzeuges das Fahrzeug antreiben kann, benötigt diese eine Wechselspannung. Diese Wechselspannung wird mittels eines Wechselrichters aus einer Batteriespannung der Fahrzeugbatterie erzeugt. Beispielsweise ist dies in der DE 10 2018 000 488 A1 offenbart.
  • Die DE 10 2018 009 848 A1 und DE 10 2018 009 840 A1 offenbaren jeweils Schaltanordnungen für Kraftfahrzeuge. Dabei wird jeweils eine elektrische Maschine eines Fahrzeuges mittels eines Stromrichters über eine Hochvolt-Batterie des Fahrzeuges mit elektrischer Energie versorgt.
  • Beispielsweise werden elektrisch betriebene Fahrzeuge im Stand der Technik mit Gleichstrom bis maximal 350 kW geladen (IONITY). Zukünftig sollen diese mit noch höheren Leistungen geladen werden, um kürzere Ladezeiten zu ermöglichen. Hierzu erscheint eine 800-Volt-Fahrzeugbatterie vorteilhaft, welche bei 800V mit geringeren Strömen geladen werden kann, dann aber eine 400-V-Abwärtskompatibilität zum Laden an aktuellen 400V-Ladestationen benötigt. Ein DC-Inverterladen bietet eine einfache, kostengünstige Möglichkeit, elektrisch betriebene Fahrzeuge mit 800-Volt-Batterien an 400-Volt-Ladesäulen aufzuladen.
  • Ein Nachteil bisher ist der, dass sich ein DC-Inverterladen bei einem gemeinsamen Ladepfad bisher nicht mit sehr hohen Ladeleistungen vereinbaren lässt, da der Strompfad sehr viele Trenn- und Kontaktierungsstellen beinhaltet, was bei großen Strömen zu einer sehr hohen thermischen Belastung der Komponenten führt.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ladevorgang einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeugs dahingehend zu verbessern, eine thermische Belastung von Komponenten, welche direkt und/oder indirekt für den Ladevorgang verwendet werden, zu reduzieren.
  • Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Antriebssystem und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit
    • - einer elektrischen Drehstrommaschine zum Antreiben des Fahrzeugs,
    • - einem elektrischen Energiespeicher zum elektrischen Versorgen der elektrischen Drehstrommaschine während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs,
    • - einem Wechselrichter der elektrischen Drehstrommaschine, welcher mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch koppelbar ist, und
    • - einem fahrzeugseitigen Ladeanschluss zum elektrischen Koppeln des elektrischen Energiespeichers mit einer fahrzeugexternen Ladeeinheit, aufweisend:
    • - eine Schaltvorrichtung, welche aufweist:
    • - einen ersten Schaltzustand, in welchem der fahrzeugseitige Ladeanschluss mit dem elektrischen Energiespeicher galvanisch verbunden ist und der Wechselrichter von dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss und von dem elektrischen Energiespeicher galvanisch getrennt ist, sodass der elektrische Energiespeicher mittels einer Ladespannung des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses ladbar ist,
    • - einen zweiten Schaltzustand, in welchem der fahrzeugseitige Ladeanschluss mit dem Wechselrichter und mit dem elektrischen Energiespeicher galvanisch verbunden ist, sodass der elektrische Energiespeicher über den Wechselrichter mittels einer aus der Ladespannung umgewandelten Versorgungsspannung ladbar ist, und
    • - einen dritten Schaltzustand, in welchem der Wechselrichter mit dem elektrischen Energiespeicher galvanisch verbunden ist und der fahrzeugseitige Ladeanschluss von dem elektrischen Energiespeicher und von dem Wechselrichter galvanisch getrennt ist, sodass die elektrische Drehstrommaschine über den Wechselrichter mit einer Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers versorgbar ist.
  • Durch das vorgeschlagene Antriebssystem können die bereits genannten Nachteile des Stands der Technik gelöst werden. Je nachdem, welcher Ladebetrieb durchgeführt werden soll, kann eine entsprechende Schaltung der benötigten Komponenten erfolgt und die nicht benötigten Komponenten können galvanisch getrennt werden. Somit können besonders die Komponenten, welche für den jeweiligen Ladebetrieb beziehungsweise Lademodus nicht verwendet werden, getrennt werden. Somit wird diesen Komponenten keine hohe thermische Belastung durch große Ströme zugefügt.
  • Insbesondere kann durch das vorgeschlagene elektrische Antriebssystem zum einen für einen Fahrbetrieb des Fahrzeugs die elektrische Drehstrommaschine entsprechend elektrisch versorgt beziehungsweise beaufschlagt werden, und dazu können zwei weitere Modi durchgeführt werden. Zum einen kann der elektrische Energiespeicher des Fahrzeugs über den fahrzeugseitigen Ladeanschluss an einer DC-Ladesäule elektrisch geladen werden. Dabei kann in diesem Fall, um insbesondere einen Schnellladevorgang des elektrischen Energiespeichers durchführen zu können, ein Gleichstromladevorgang mit hohen Ladeleistungen erfolgen. In diesem Fall kann insbesondere ein Laden mit sehr hohen Ladeleistungen, ein sogenanntes „High-Performance-Charging“ (HPC) oder „Megawatt“-Laden, durchgeführt werden. In diesem Ladebetrieb wird zum Schutz der nicht benötigten Komponenten nur der fahrzeugseitige Ladeanschluss mit dem elektrischen Energiespeicher kontaktiert beziehungsweise verbunden. Die restlichen Komponenten, insbesondere der Wechselrichter und folglich auch die elektrische Drehstrommaschine sind davon galvanisch getrennt. Somit müssen diese Komponenten nicht unnötig auf eine hohe Leistung beziehungsweise hohe Ströme ausgelegt werden. Somit kann eine geringere Dimensionierung dieser Bauteile vorgenommen werden.
  • In einen weiteren Lademodus kann der elektrische Energiespeicher, welcher beispielsweise eine Batteriespannung von 800 V aufweist, an einer 400-Volt-Ladestation geladen werden. In diesem Fall kann der Wechselrichter der elektrischen Drehstrommaschine zweckentfremdet werden, so dass ein DC-Inverterladen durchgeführt werden kann. Somit werden keine zusätzlichen Bordlader oder Spannungswandler für das Hochsetzen der Ladespannung in diesem Fall benötigt. Somit kann in der Primärfunktion der Wechselrichter die elektrische Drehstrommaschine für das Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden. Als zusätzliche Funktion kann die elektrische Drehstrommaschine, insbesondere der Wechselrichter, dazu zweckentfremdet werden, um eine im Vergleich zu der Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers geringere Ladespannung der Ladestation hochzutransformieren. Somit kann auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden.
  • Je nachdem welcher dieser Lademodi durchgeführt wird, kann mittels der Schaltvorrichtung, insbesondere automatisch, ein entsprechender Schaltzustand eingestellt beziehungsweise geschaltet werden. In diesen Schaltzuständen kann entweder ein Fahrbetrieb, ein Ladebetrieb mit hohen Leistungen oder ein Inverterladen durchgeführt werden. Hierzu kann beispielsweise das elektrische Antriebssystem eine entsprechende Steuereinheit aufweisen, mit welcher die jeweiligen Schaltzustände der Schaltvorrichtung automatisch eingestellt beziehungsweise angesteuert beziehungsweise geschaltet werden können.
  • Insbesondere kann mit Hilfe des ersten Schaltzustands der Schaltvorrichtung ein 800-Volt -Laden mit sehr hohen Ladeleistungen des elektrischen Energiespeichers durchgeführt werden. In diesem Fall liegt keine zusätzliche, durch das DC-Inverterladen bedingte Kontaktierung im Ladepfad vor. Dadurch werden die thermischen Auswirkungen beziehungsweise Belastungen beim Laden mit sehr hohen Ladeleistungen minimiert und dadurch Kosten durch Vermeidung großer Bauteile verringert. Ebenfalls ergibt sich hierbei eine kostengünstigere Dimensionierung des elektrischen Antriebssystems.
  • Insbesondere ermöglicht das elektrische Antriebssystem eine Schaltanordnung, mit welcher sowohl ein Laden mit sehr hohen Ladeleistungen als auch ein DC-Inverterladen über den gleichen Ladepfad im Fahrzeug mit einem Minimum an Kontaktierungsstellen für das Laden mit sehr hohen Ladeleistungen durchgeführt werden können.
  • Die Schaltzustände der Schaltvorrichtung können wahlweise von einem Schaltzustand zu einem anderen Schaltzustand geschaltet werden. Dabei kann das Auswählen und Schalten eines Schaltzustands automatisch erfolgen. Insbesondere kann die Schaltvorrichtung immer nur einen Schaltzustand aktuell aufweisen. Folglich kann immer nur ein Schaltzustand aktiv sein. Um einen anderen Schaltzustand einnehmen zu können, erfolgt ein Wechsel des aktuell aktiven Schaltzustands zu dem anderen Schaltzustand.
  • Insbesondere kann es sich bei dem elektrischen Antriebssystem um ein Antriebssystem eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs, wie ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug handeln.
  • Bei den angegebenen Spannungswerten handelt es sich insbesondere um SollSpannungen, bei denen berücksichtig werden muss, dass diese auch vom Ladezustand der Batterie abhängen können und damit an sich variieren können. Üblicherweise werden die Angaben der Sollspannungen in diesem Bereich zur groben Eingruppierung genutzt.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeugs, wobei
    • - während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs ein elektrischer Energiespeicher mit einer elektrischen Drehstrommaschine zum Antreiben des Fahrzeugs gekoppelt wird, aufweisend:
    • - Schalten einer Schaltvorrichtung des elektrischen Antriebssystem in einen ersten Schaltzustand, in welchem ein fahrzeugseitiger Ladeanschluss mit dem elektrischen Energiespeicher galvanisch verbunden ist und ein Wechselrichter der elektrischen Drehstrommaschine von dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss und von dem elektrischen Energiespeicher galvanisch getrennt ist, sodass der elektrische Energiespeicher mittels einer Ladespannung des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses geladen wird,
    • - Schalten der Schaltvorrichtung in einen zweiten Schaltzustand, in welchem der fahrzeugseitige Ladeanschluss mit dem Wechselrichter und mit dem elektrischen Energiespeicher galvanisch verbunden ist, sodass der elektrische Energiespeicher über den Wechselrichter mittels einer aus der Ladespannung umgewandelten Versorgungsspannung geladen wird, und
    • - Schalten der Schaltvorrichtung in einen dritten Schaltzustand, in welchem der Wechselrichter mit dem elektrischen Energiespeicher galvanisch verbunden ist und der fahrzeugseitige Ladeanschluss von dem elektrischen Energiespeicher und von dem Wechselrichter galvanisch getrennt ist, sodass die elektrische Drehstrommaschine über den Wechselrichter mit einer Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers versorgt wird.
  • Insbesondere können mit Hilfe des soeben beschriebenen Verfahrens auf einfache und kostengünstige Weise sowohl ein Laden mit sehr hohen Ladeleistungen als auch DC-Inverterladen realisiert werden. Daher kann zum einen der elektrische Energiespeicher entweder direkt über eine Ladestation geladen werden, ohne dass die restlichen Komponenten belastet werden. Zum anderen kann mit Hilfe des Wechselrichters der elektrischen Drehstrommaschine eine Spannung der Ladestation für das Laden des elektrischen Energiespeichers hochtransformiert werden.
  • Insbesondere kann das soeben geschilderte Verfahren mit dem elektrischen Antriebssystem nach dem vorherigen Aspekt oder einer Weiterbildung davon durchgeführt werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des elektrischen Antriebssystems sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens anzusehen. Das elektrische Antriebssystem weist dazu gegenständliche Merkmale auf, welche eine Durchführung des Verfahrens oder eine vorteilhafte Ausgestaltung davon ermöglicht.
  • Insbesondere sind einzelne Ausführungsbeispiele eines Aspekts als vorteilhafte Ausführungsbeispiele des anderen Aspekts und umgekehrt anzusehen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten 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.
  • Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:
    • 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems;
    • 2 eine weitere Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems aus 1; und
    • 3 eine weitere Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems aus 1
  • In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 zeigt beispielsweise eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs 1. Bei dem Fahrzeug 1 kann es sich insbesondere um ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug handeln. Insbesondere handelt es sich bei dem Fahrzeug 1 um ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug. Beispielsweise handelt es sich bei dem Fahrzeug 1 um einen Personenkraftwagen oder um einen Lastkraftwagen.
  • Damit das Fahrzeug 1 für eine Fortbewegungsfahrt angetrieben werden kann, weist das Fahrzeug 1 ein elektrisches Antriebssystem 2 auf. Bei dem elektrischen Antriebssystem 2 handelt es sich um ein elektro-mechanisches System zum Antreiben des Fahrzeugs 1. Insbesondere weist das elektrische Antriebssystem 2 alle Komponenten und/oder Systeme auf, welche für den Betrieb beziehungsweise Antrieb des Fahrzeugs 1 benötigt werden.
  • Insbesondere weist das elektrische Antriebssystem 2 zumindest eine elektrische Drehstrommaschine 3 auf. Bei der elektrischen Drehstrommaschine 3 handelt es sich insbesondere um eine elektrische Maschine, mit welcher Antriebsachsen beziehungsweise Achsen des Fahrzeugs 1 und somit die Räder des Fahrzeugs 1 angetrieben werden können. Damit die elektrische Drehstrommaschine 1 betrieben werden kann, benötigt diese eine Wechselspannung beziehungsweise einen Drehstrom. Um die elektrische Drehstrommaschine 3 elektrisch versorgen zu können, weist das elektrische Antriebssystem 2 zumindest einen elektrischen Energiespeicher 4 auf.
  • Bei dem elektrischen Energiespeicher 4 handelt es sich beispielsweise um eine Fahrzeugbatterie oder um eine Traktionsbatterie oder um eine Hochvoltbatterie des Fahrzeugs 1. Insbesondere kann der elektrische Energiespeicher 4 mehrere Teilbatterien aufweisen, so dass beispielsweise der elektrische Energiespeicher 4 als Batteriesystem bezeichnet werden kann. Der elektrische Energiespeicher 4 stellt dem Fahrzeug 1, dem elektrischen Antriebssystem 2, einem elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs 1 und der elektrischen Drehstrommaschine 3 eine Batteriespannung UBatt bereit. Bei dieser Batteriespannung UBatt handelt es sich insbesondere um einen Gleichspannung mit einem Spannungswert von im Wesentlichen 800 V. Dieser Spannungswert ist ein Sollspannungswert und hängt dann im Realen auch vom Ladezustand der Batterie ab, so dass der Spannungswert an sich variieren kann.
  • Damit diese Batteriespannung UBatt der elektrischen Drehstrommaschine 3 zur Verfügung gestellt werden kann, wird diese mittels eines Wechselrichters 5 der elektrischen Drehstrommaschine 3 in eine Wechselspannung umgewandelt. Insbesondere ist der elektrische Energiespeicher 4 mit dem Wechselrichter 5 und der elektrischen Drehstrommaschine 3 elektrisch gekoppelt beziehungsweise verbunden.
  • Des Weiteren kann das elektrische Antriebssystem 2 einen fahrzeugseitigen Ladeanschluss 6 aufweisen, mit welchem der elektrische Energiespeicher 4 mit einer fahrzeugexternen Ladeeinheit 7 elektrisch verbunden beziehungsweise gekoppelt werden kann. Mit anderen Worten handelt es sich bei der fahrzeugexternen Ladeeinheit 7 um eine Ladestation oder Ladesäule. Insbesondere liefert die fahrzeugexterne Ladeeinheit 7 eine Ladespannung UL. Die Ladespannung UL ist insbesondere eine Gleichspannung. Dabei kann die Ladespannung UL eine Spannung von 800 V oder 400 Volt aufweisen. Beispielsweise kann die Ladespannung UL einen Spannungswert zwischen 400 V und 800 V aufweisen. Diese Spannungswerte sind Sollspannungswerte und hängen im Realen auch vom Ladezustand der Batterie ab, so dass der Spannungswert an sich variieren kann. Bei dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss 6 kann es sich beispielsweise um eine Ladedose oder um einen Ladeanschlussstecker des Fahrzeugs 1 handeln. Der fahrzeugseitige Ladeanschluss 6 ist insbesondere mit dem elektrischen Energiespeicher 4 und/oder dem Wechselrichter 5 koppelbar.
  • Für den Ladebetrieb, bei welchem die Ladespannung UL einen Spannungswert von 800 V aufweist, kann der elektrische Energiespeicher 4 direkt mit dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss 6 geschaltet werden, so dass ein effizienter Ladevorgang durchgeführt werden kann. Dabei können über die Ladeeinheit 7 Ladeströme mit einem hohen Leistungspotential zur Verfügung gestellt werden. Dies ist insbesondere für einen Schnellladevorgang des elektrischen Energiespeichers 4 von Vorteil.
  • Wenn nun die Ladeeinheit 7 nur eine Ladespannung UL mit einem Spannungswert kleiner 500 V zur Verfügung stellt, so muss in diesem Fall die Ladespannung UL hochtransformiert werden. Für diesen Fall kann der Wechselrichter 5 der elektrischen Drehstrommaschine 3 zweckentfremdet werden. Mit Hilfe des Wechselrichters 5 kann die Ladespannung UL in eine zur Ladespannung UL höhere Versorgungsspannung UV umgewandelt beziehungsweise hochtransformiert werden. Somit dient der Wechselrichter 5, welcher beispielsweise als Inverter oder Stromrichter ausgebildet ist, neben der eigentlichen Primärfunktion der Versorgung der elektrischen Drehstrommaschine 3 mit einer Wechselspannung zusätzlich als eine Sekundärfunktion zum Unterstützen eines Ladevorgangs des Fahrzeugs 1.
  • Beim direkten Laden des elektrischen Energiespeichers 4 mit der Ladespannung UL können starke Ladeleistungen und damit verbundene thermische Belastungen auftreten. Diese können sich insbesondere negativ auf den Wechselrichter 5 und die elektrische Drehstrommaschine 3, also den Antrieb des Fahrzeugs 1, auswirken. Damit insbesondere bei einem Laden mit sehr hohen Ladeleistungen nur die Komponenten des elektrischen Antriebssystems 2 mit dem hohen Ladestrom beaufschlagt werden, welche dafür benötigt werden, ist eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 8 vorgesehen. Mit dieser Schaltvorrichtung 8 kann insbesondere ein kombinierter Ladepfad für ein DC-Inverterladen und ein Laden mit sehr hohen Ladeleistungen individuell geschalten und insbesondere voneinander getrennt werden. Dadurch werden insbesondere weniger Bauteile benötigt, und die beim Laden mit sehr hohen Ladeleistungen nicht benötigten Komponenten erfahren eine geringere thermische Belastung, so dass insbesondere diese geringer dimensioniert werden müssen.
  • Die Schaltvorrichtung 8 kann beispielsweise als Schalteinrichtung oder Schaltmatrix bezeichnet werden. Insbesondere ist die Schaltvorrichtung 8 dem Wechselrichter 5 vorgeschaltet. Insbesondere befindet sich die Schaltvorrichtung 8 zwischen dem Ladeanschluss 6 und dem Wechselrichter 5 sowie zwischen dem elektrischen Energiespeicher 4 und dem Wechselrichter 5.
  • Im Nachfolgenden werden die einzelnen Schaltzustände der Schaltvorrichtung 8 erläutert. In einem ersten Schaltzustand der Schaltvorrichtung 8 kann der fahrzeugseitige Ladeanschluss 6 direkt mit dem elektrischen Energiespeicher 4 galvanisch verbunden und der Wechselrichter 5 von dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss 6 und dem elektrischen Energiespeicher 4 galvanisch getrennt werden. In diesem ersten Schaltzustand wird also der elektrische Energiespeicher 4 direkt mit der Ladespannung UL, also mittels des Ladens mit sehr hohen Ladeleistungen, geladen. Hierbei kann zwischen einem positiven Potential des Ladeanschlusses 6 und einem positiven Potential des Wechselrichters 5 ein erstes Schaltelement S1 und ein zweites Schaltelement S2 verdrahtet beziehungsweise geschaltet sein. Diese beiden Schaltelemente S1, S2 sind in dem ersten Schaltzustand geöffnet. Somit ist der Wechselrichter 5 von dem Ladeanschluss 6 getrennt, und zusätzlich ist die elektrische Drehstrommaschine 3 von dem Wechselrichter 5 über das positive Potential ebenso getrennt.
  • Des Weiteren ist ein drittes und viertes Schaltelement S3, S4 ebenfalls geöffnet. Mit diesen beiden Schaltelementen S3, S4 kann der Ladepfad 9 von dem elektrischen Energiespeicher 4 getrennt werden, welcher bei einem Hochsetzbetrieb des Wechselrichters 5 für das Laden des elektrischen Energiespeichers 4 benötigt wird. Dieser Ladepfad 9 ist zwischen dem elektrischen Energiespeicher 4 und dem Wechselrichter 5 verdrahtet beziehungsweise geschaltet. In dem ersten Schaltzustand sind die Schaltelemente S3, S4 ebenfalls geöffnet. Des Weiteren sind über ein fünftes und sechstes Schaltelement S5, S6 das positive und das negative Potential der Ladeeinheit 7 mit dem positiven und dem negativen Potential des elektrischen Energiespeichers 4 jeweils geschaltet beziehungsweise verbunden. In dem Fall des 800-V-Ladebetriebs des elektrischen Energiespeichers 4, also beim Laden mit sehr hohen Ladeleistungen, sind in dem ersten Schaltzustand der Schaltvorrichtung 8 die Schaltelemente S5, S6 geschlossen.
  • Bei den Schaltelementen S1, S2 kann es sich beispielsweise um Schütze handeln. Insbesondere sind die Schaltelemente S1, S2 einzeln schaltbar. Die Schaltelemente S3 und S4 können entweder als Schalteinheit oder separate Schalter ausgebildet sein. Die Schalter S3, S4 können zum einen den Ladepfad 9 spannungsfrei schalten, also eine sichere Trennung durchführen. Diese Schalter S3, S4 können auch als getrennte Bauteile und zweipolig oder einpolig ausgeführt sein. Die Schalter S5, S6 können wie gezeigt als zwei getrennte Schalter ausgebildet sein oder als gemeinsame Schalteinheit. Mit diesen kann eine sichere Trennung der Spannungsleitungen zwischen dem positiven Potential des Ladepfads 9 und dem positiven Potential des elektrischen Energiespeichers 4 und dem negativen Potential des Ladeanschlusses 6 und dem negativen Potential des elektrischen Energiespeichers 4 durchgeführt werden. Insbesondere sind die Schalter S1 bis S6 einzeln, insbesondere individuell, schaltbar.
  • Beispielsweise kann die Schaltvorrichtung 8 oder das elektrische Antriebssystem 2 eine Steuereinheit 10 aufweisen. Mit dieser Steuereinheit 10 können die verschiedensten Schaltzustände der Schaltvorrichtung 8 automatisch vorgenommen beziehungsweise durchgeführt werden.
  • Der vorhin geschilderte erste Schaltzustand wird insbesondere dann automatisch zugeschaltet beziehungsweise gewechselt, wenn die Ladespannung UL des Ladeanschlusses 6 einen ersten vorgegebenen Spannungswert aufweist. Bei dem ersten vorgegebenen Spannungswert handelt es sich insbesondere um 800 V, wobei dies der Wert der entsprechenden Sollspannung ist, die im Realen an sich variiert.
  • Die Schaltvorrichtung 8 kann insbesondere automatisch in einem zum ersten Schaltzustand verschiedenen zweiten Schaltzustand geschaltet werden, wenn die Ladespannung UL des Ladeanschlusses 6 einen zweiten vorgegebenen Spannungswert aufweist. Bei dem zweiten vorgegebenen Spannungswert handelt es sich um einen Spannungswert von 400 V, insbesondere handelt es sich bei dem vorgegebenen Spannungswert um einen Spannungswert kleiner 500 V.
  • In dem zweiten Schaltzustand ist der fahrzeugseitige Ladeanschluss 6 mit dem Wechselrichter 5 und mit dem elektrischen Energiespeicher 4 galvanisch verbunden, so dass der elektrische Energiespeicher 4 über den Wechselrichter 5 mittels der Versorgungsspannung UV geladen werden kann. In dem zweiten Schaltzustand sind die Schaltelemente S1, S2 geschlossen, so dass das positive Potential des Ladeanschlusses 6 mit dem Wechselrichter 5 und der elektrischen Drehstrommaschine 3 verbunden ist. Die Schaltelemente S3, S4 sind geschlossen, so dass der Ladepfad 9 von dem Wechselrichter 5 mit dem elektrischen Energiespeicher 4 durchkontaktiert ist. Hierbei können die Schaltelemente S3, S4 auch unterschiedlich geschaltet sein. Das fünfte Schaltelement S5 ist geschlossen, und das sechste Schaltelement S6 ist geöffnet.
  • Ein weiterer Schaltzustand, insbesondere ein dritter Schaltzustand, der Schaltvorrichtung 8 kann dann, insbesondere automatisch, eingestellt werden, wenn sich das Fahrzeug 1 in einem Fahrbetrieb befindet. In dem Fahrbetrieb wird mittels des Wechselrichters 5 die Batteriespannung UBatt in eine Wechselspannung zum Versorgen der elektrischen Drehstrommaschine 3 umgewandelt. In dem dritten Schaltzustand sind die Schaltelemente S1, S2 geöffnet, so dass der fahrzeugseitige Ladeanschluss 6 spannungsfrei ist und ein „Floatingstern“ der Drehstrommaschine 3 hergestellt ist. Zusätzlich, um die Ladeeinheit 7 komplett spannungsfrei zu schalten, sind die Schaltelemente S5, S6 ebenfalls geöffnet. In dem dritten Schaltzustand sind nur die Schaltelemente S3, S4 geschlossen, so dass der Ladepfad 9 zwischen dem elektrischen Energiespeicher 3 und dem Wechselrichter 5 vorliegt.
  • In den 2 und 3 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele des elektrischen Antriebssystems 2 aus der 1 dargestellt. Insbesondere können die Ausführungen und/oder Beispiele aus der 1 ebenfalls in den 2 und 3 verwendet werden. Insbesondere sind das beispielhaft dargestellte Blockschaltbild und die Ausführungen dazu aus der 1 und ebenso in den 2 und 3 zu sehen.
  • In der 2 ist einmal die Spezifikation dargestellt, in der zwischen dem negativen Potential des Ladeanschlusses und dem negativen Potential des Ladepfads 9 beziehungsweise des Wechselrichters 5 ein zusätzliches siebtes Schaltelement S7 beziehungsweise ein Schalter geschalten ist. Durch dieses zusätzliche Schaltelement S7 beziehungsweise Schütz können die Schaltelemente S3, S4 als zweipolig schaltendes Element ausgeführt werden.
  • In der 3 ist die Variante dargestellt, bei welcher die Verschaltung innerhalb des Wechselrichters 5 beziehungsweise des Inverters so angepasst ist, dass der Sternpunkt der elektrischen Drehstrommaschine 3 nicht herausgeführt werden muss.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fahrzeug
    2
    Elektrisches Antriebssystem
    3
    Elektrische Drehstrommaschine
    4
    Elektrischer Energiespeicher
    5
    Wechselrichter
    6
    Fahrzeugseitiger Ladeanschluss
    7
    Fahrzeugexterne Ladeeinheit
    8
    Schaltvorrichtung
    9
    Ladepfad
    10
    Steuereinheit
    UBatt
    Batteriespannung
    UL
    Ladespannung
    UV
    Versorgungsspannung
    S1 bis S7
    Erstes bis siebtes Schaltelement
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102019005621 A1 [0002]
    • DE 102009052680 A1 [0002]
    • DE 102018000488 A1 [0002]
    • DE 102018009848 A1 [0003]
    • DE 102018009840 A1 [0003]

Claims (5)

  1. Elektrisches Antriebssystem (2) für ein Fahrzeug (1), mit - einer elektrischen Drehstrommaschine (3) zum Antreiben des Fahrzeugs (1), - einem elektrischen Energiespeicher (4) zum elektrischen Versorgen der elektrischen Drehstrommaschine (3) während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs (1), - einem Wechselrichter (5) der elektrischen Drehstrommaschine (3), welcher mit dem elektrischen Energiespeicher (2) elektrisch koppelbar ist, und - einem fahrzeugseitigen Ladeanschluss (6) zum elektrischen Koppeln des elektrischen Energiespeichers (4) mit einer fahrzeugexternen Ladeeinheit (7), gekennzeichnet, durch - eine Schaltvorrichtung (8), welche aufweist: - einen ersten Schaltzustand, in welchem der fahrzeugseitige Ladeanschluss (6) mit dem elektrischen Energiespeicher (4) galvanisch verbunden ist und der Wechselrichter (5) von dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss (6) und von dem elektrischen Energiespeicher (4) galvanisch getrennt ist, sodass der elektrische Energiespeicher (4) mittels einer Ladespannung (UL) des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses (6) ladbar ist; - einen zweiten Schaltzustand, in welchem der fahrzeugseitige Ladeanschluss (6) mit dem Wechselrichter (5) und mit dem elektrischen Energiespeicher (4) galvanisch verbunden ist, sodass der elektrische Energiespeicher (4) über den Wechselrichter (5) mittels einer aus der Ladespannung (UL) umgewandelten Versorgungsspannung (UV) ladbar ist; und - einen dritten Schaltzustand, in welchem der Wechselrichter (5) mit dem elektrischen Energiespeicher (4) galvanisch verbunden ist und der fahrzeugseitige Ladeanschluss (6) von dem elektrischen Energiespeicher (4) und von dem Wechselrichter (5) galvanisch getrennt ist, sodass die elektrische Drehstrommaschine (3) über den Wechselrichter (5) mit einer Batteriespannung (UBatt) des elektrischen Energiespeichers (4) versorgbar ist.
  2. Elektrisches Antriebssystem (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (8) dazu eingerichtet ist, in den ersten Schaltzustand zu wechseln, wenn die Ladespannung (UL) des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses (6) einen ersten vorgegebenen Spannungswert aufweist.
  3. Elektrisches Antriebssystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (8) dazu eingerichtet ist, in den zweiten Schaltzustand zu wechseln, wenn die Ladespannung (UL) des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses (6) einen zweiten vorgegebenen Spannungswert aufweist, wobei mit dem Wechselrichter (5) die Ladespannung (UL) auf die Versorgungsspannung (UV) hochtransformierbar ist.
  4. Elektrisches Antriebssystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (8) dazu eingerichtet ist, in den dritten Schaltzustand zu wechseln, wenn sich das Fahrzeug (1) in dem Fahrbetrieb befindet, wobei mit dem Wechselrichter (5) die Batteriespannung (UBatt) in eine Wechselspannung zum Versorgen der elektrischen Drehstrommaschine (3) umwandelbar ist.
  5. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems (2) eines Fahrzeugs (1), wobei - während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs (1) ein elektrischer Energiespeicher (4) mit einer elektrischen Drehstrommaschine (3) zum Antreiben des Fahrzeugs (1) gekoppelt wird, gekennzeichnet, durch - Schalten einer Schaltvorrichtung (8) des elektrischen Antriebssystem (2) in einen ersten Schaltzustand, in welchem ein fahrzeugseitiger Ladeanschluss (6) mit dem elektrischen Energiespeicher (4) galvanisch verbunden ist und ein Wechselrichter (5) der elektrischen Drehstrommaschine (3) von dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss (6) und von dem elektrischen Energiespeicher (4) galvanisch getrennt ist, sodass der elektrische Energiespeicher (4) mittels einer Ladespannung (UL) des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses (6) geladen wird, - Schalten der Schaltvorrichtung (8) in einen zweiten Schaltzustand, in welchem der fahrzeugseitige Ladeanschluss (6) mit dem Wechselrichter (5) und mit dem elektrischen Energiespeicher (4) galvanisch verbunden ist, sodass der elektrische Energiespeicher (4) über den Wechselrichter (5) mittels einer aus der Ladespannung (UL) umgewandelten Versorgungsspannung (UV) geladen wird, und - Schalten der Schaltvorrichtung (8) in einen dritten Schaltzustand, in welchem der Wechselrichter (5) mit dem elektrischen Energiespeicher (4) galvanisch verbunden ist und der fahrzeugseitige Ladeanschluss (6) von dem elektrischen Energiespeicher (4) und von dem Wechselrichter (5) galvanisch getrennt ist, sodass die elektrische Drehstrommaschine (3) über den Wechselrichter (5) mit einer Batteriespannung (UBatt) des elektrischen Energiespeichers (4) versorgt wird.
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