DE102021208773B3 - Traction network for an electric vehicle and charging method - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Traktionsnetz (1) für ein Elektrofahrzeug, umfassend eine erste und zweite Batterieeinheit (2, 3), einen 3-Level-Wechselrichter (5), ein Schaltmodul (4) und eine Steuereinheit (8), wobei die erste und zweite Batterieeinheit (2, 3) die gleiche Nennspannung aufweisen, wobei das Schaltmodul (4) zwischen den Batterieeinheiten (2, 3) und dem 3-Level-Wechselrichter (5) angeordnet ist, wobei das Schaltmodul (4) einen Eingang für den positiven und den negativen Spannungsanschluss (A+, A-) der ersten Batterieeinheit (2) und einen Eingang für den positiven und den negativen Spannungsanschluss (B+, B-) der zweiten Batterieeinheit (3) aufweist. Mittels des Schaltmoduls können die Batterieeinheiten in Reihe oder parallelgeschaltet werden, wobei bei einem Laden vor dem Parallelschalten die Spanungslage überprüft wird, wobei die Batterieeinheit (2, 3) mit der höheren Spannungslage mit den Ladeanschlüssen (7) verbunden wird, wohingegen der positive Spannungsanschluss der Batterieeinheit (2, 3) mit der niedrigeren Spannung mit der Induktivität (L) verbunden wird, wobei die Induktivität (L) und mindestens eine Halbbrücke (HB) des 3-Level-Wechselrichters (5) als Hochsetzsteller arbeiten und nach Angleichung die Steuereinheit (8) die beiden Batterieeinheiten (2, 3) parallel schaltet, sowie ein Verfahren zum Laden von Batterieeinheiten (2, 3) des Traktionsnetzes (1).The invention relates to a traction network (1) for an electric vehicle, comprising a first and second battery unit (2, 3), a 3-level inverter (5), a switching module (4) and a control unit (8), the first and second battery unit (2, 3) have the same nominal voltage, the switching module (4) being arranged between the battery units (2, 3) and the 3-level inverter (5), the switching module (4) having an input for the positive and the negative voltage connection (A+, A-) of the first battery unit (2) and an input for the positive and the negative voltage connection (B+, B-) of the second battery unit (3). The battery units can be connected in series or in parallel using the switching module, with the voltage level being checked during charging before parallel connection, with the battery unit (2, 3) with the higher voltage level being connected to the charging connections (7), whereas the positive voltage connection of the Battery unit (2, 3) with the lower voltage is connected to the inductance (L), the inductance (L) and at least one half-bridge (HB) of the 3-level inverter (5) working as a step-up converter and, after adjustment, the control unit ( 8) the two battery units (2, 3) connected in parallel, and a method for charging battery units (2, 3) of the traction network (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Traktionsnetz für ein Elektrofahrzeug und ein Verfahren zum Laden eines solchen Traktionsnetzes.The invention relates to a traction network for an electric vehicle and a method for charging such a traction network.

Der typische Aufbau eines Traktionsnetzes besteht aus einer Traktionsbatterie, einem Wechselrichter und einer Elektromaschine. Dabei sind viele verschiedene Topologien bekannt, wie die einzelnen Komponenten eines solchen Traktionsnetzes aufgebaut sind. Zur Reduzierung der Ströme wird versucht, fahrzeugseitig mit möglichst hohen Spannungen zu arbeiten. Beispielsweise sind Traktionsnetze bekannt, bei denen die Nennspannung der Traktionsbatterie 800 V beträgt. Dies führt zu Problemen bei der Spannungsfestigkeit der Halbleiterschalter, sodass für derartige Traktionsnetze 3-Level-Wechselrichter vorgeschlagen worden sind, wie beispielsweise in der DE 10 2016 206 945 A1 beschrieben. Ein weiteres Problem stellt die uneinheitliche Ladeinfrastruktur dar, wo einerseits 400 V- als auch 800 V-DC-Ladesäulen vorhanden sind. Je nach verwendeter Topologie kann dabei die maximale Ladeleistung nicht voll ausgeschöpft werden oder aber der Schaltungsaufwand ist sehr hoch.The typical structure of a traction network consists of a traction battery, an inverter and an electric machine. Many different topologies are known as to how the individual components of such a traction network are constructed. In order to reduce the currents, an attempt is made to work with the highest possible voltages on the vehicle side. For example, traction networks are known in which the nominal voltage of the traction battery is 800 V. This leads to problems with the dielectric strength of the semiconductor switches, so that 3-level inverters have been proposed for such traction networks, such as in DE 10 2016 206 945 A1 described. Another problem is the inconsistent charging infrastructure, where both 400 V and 800 V DC charging stations are available. Depending on the topology used, the maximum charging power cannot be fully exploited or the switching effort is very high.

Aus der DE 10 2016 225 513 A1 ist eine Schaltungsanordnung für ein elektrisches Energiespeichersystem mit mindestens zwei elektrischen Energiespeichereinheiten mit jeweils einem ersten Pol und einem zweiten Pol bekannt, umfassend

  • - mindestens einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang zur elektrischen Verbindung mit einer Energiequelle,
  • - mindestens einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang zur elektrischen Verbindung mit einer elektrischen Komponente,
  • - mindestens zwei erste Polanschlüsse und zwei zweite Polanschlüsse, wobei jeweils einer der ersten Polanschlüsse mit dem ersten Pol der elektrischen Energiespeichereinheiten und jeweils einer der zweiten Polanschlüsse mit dem zweiten Pol der elektrischen Energiespeichereinheiten elektrisch leitend verbunden sind,
  • - mindestens zwei erste Schalter, wobei ein erster Anschluss des ersten Schalters mit dem ersten Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit und ein erster Anschluss des ersten Schalters mit dem ersten Eingang elektrisch verbunden ist,
  • - mindestens zwei zweite Schalter, wobei ein erster Anschluss des zweiten Schalters mit dem zweiten Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit und ein erster Anschluss des zweiten Schalters mit dem zweiten Eingang elektrisch verbunden ist,
  • - mindestens einen dritten Schalter, wobei ein erster Anschluss des dritten Schalters mit dem ersten Polanschluss der ersten elektrischen Energiespeichereinheit und ein zweiter Anschluss des dritten Schalters mit dem zweiten Polanschluss der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist, wobei
  • - der erste Ausgang mit jeweils einem zweiten Anschluss der ersten Schalter elektrisch verbunden ist, und
  • - der zweite Ausgang mit jeweils einem zweiten Anschluss der zweiten Schalter elektrisch verbunden ist, und
  • - die ersten Schalter, die zweiten Schalter, der dritte Schalter sowie weitere Schalter derart geschaltet sind, dass in einem Ladebetrieb der Schaltungsanordnung, zum Laden mindestens einer der elektrischen Energiespeichereinheiten mittels einer an den ersten Eingang und den zweiten Eingang angeschlossenen Energiequelle, und/oder in einem Entladebetrieb der Schaltungsanordnung, zum Betreiben der an den ersten Ausgang und den zweiten Ausgang angeschlossenen elektrischen Komponente, die elektrischen Energiespeichereinheiten in Serie oder parallel geschaltet werden.
Vorzugsweise wird die Schaltungsanordnung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug eingesetzt, das einen Elektromotor, einen Wechselrichter, einen DC/DC-Wandler für ein 12V-Bordnetz mit Bordnetzbatterie, einen Zwischenkreiskondensator und einen Klimakompressor als elektrische Komponenten aufweisen kann.From the DE 10 2016 225 513 A1 discloses a circuit arrangement for an electrical energy storage system having at least two electrical energy storage units each having a first pole and a second pole, comprising
  • - at least one first input and one second input for electrical connection to an energy source,
  • - at least one first output and one second output for electrical connection to an electrical component,
  • - at least two first pole connections and two second pole connections, one of the first pole connections being electrically conductively connected to the first pole of the electrical energy storage units and one of the second pole connections to the second pole of the electrical energy storage units,
  • - at least two first switches, wherein a first connection of the first switch is electrically connected to the first pole connection of the first energy storage unit and a first connection of the first switch is electrically connected to the first input,
  • - at least two second switches, wherein a first connection of the second switch is electrically connected to the second pole connection of the first energy storage unit and a first connection of the second switch is electrically connected to the second input,
  • - At least one third switch, wherein a first connection of the third switch is electrically connected to the first pole connection of the first electrical energy storage unit and a second connection of the third switch is electrically connected to the second pole connection of the second electrical energy storage unit, wherein
  • - the first output is electrically connected to a respective second connection of the first switch, and
  • - the second output is electrically connected to a respective second connection of the second switch, and
  • - the first switch, the second switch, the third switch and other switches are connected in such a way that, in a charging operation of the circuit arrangement, for charging at least one of the electrical energy storage units by means of an energy source connected to the first input and the second input, and/or in a discharging operation of the circuit arrangement, for operating the electrical components connected to the first output and the second output, the electrical energy storage units are connected in series or in parallel.
The circuit arrangement is preferably used in an electric or hybrid vehicle which can have an electric motor, an inverter, a DC/DC converter for a 12V vehicle electrical system with vehicle electrical system battery, an intermediate circuit capacitor and an air conditioning compressor as electrical components.

Aus der DE 10 2015 225 574 A1 ist ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Antriebsstranges bekannt, wobei der Antriebsstrang eine Batterie, einen Drei-Level-Wechselrichter und eine elektrische Maschine umfasst, mit den Schritten:

  • - Anschließen einer Wechselstromquelle über einen Brückengleichrichter an den Wechselrichter,
  • - Ansteuern mindestens eines Schaltelements des Wechselrichters und
  • - Öffnen der übrigen Schaltelemente des Wechselrichters.
From the DE 10 2015 225 574 A1 a method for charging a battery of a drive train is known, the drive train comprising a battery, a three-level inverter and an electric machine, with the steps:
  • - connecting an AC source to the inverter through a bridge rectifier,
  • - Driving at least one switching element of the inverter and
  • - Opening of the other switching elements of the inverter.

Aus der DE 10 2016 218 304 B3 ist eine Vorrichtung zur Spannungswandlung in einem Elektrofahrzeug bekannt. Die Vorrichtung zur Spannungswandlung umfasst einen Umrichter und ein Steuergerät, wobei der Umrichter einen zweipoligen Gleichspannungsanschluss zum Anschließen einer Batterie und einen dreipoligen Wechselspannungsanschluss zum Anschließen einer Elektromaschine aufweist. Weiter weist der Umrichter drei Halbbrücken auf, wobei sowohl im oberen als auch im unteren Teil einer jeden Halbbrücke zwei Transistoren mit Freilaufdioden angeordnet sind. Dabei sind die Mittelabgriffe der Halbbrücken mit dem Wechselspannungsanschluss verbindbar oder mit diesem verbunden. Parallel zum Gleichspannungsanschluss ist ein Zwischenkreiskondensator angeordnet, der aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren besteht, wobei der gemeinsame Verbindungspunkt einen Neutralpunkt bildet. Dabei können jeweils mehrere Kondensatoren parallel geschaltet sein, wobei dann die beiden Parallelschaltungen in Reihe geschaltet sind. Weiter sind den Halbbrücken jeweils zwei Dioden zugeordnet, wobei die beiden Dioden in Reihe geschaltet sind und Mittelabgriffe des oberen und unteren Teils der Halbbrücke verbinden. Dabei ist eine Anode einer ersten Diode mit dem Mittelabgriff des unteren Teils und die Kathode der anderen Diode mit dem Mittelabgriff des oberen Teils verbunden. Weiter weist mindestens eine Halbbrücke zwei Schaltelemente auf. Das erste Schaltelement verbindet in einer ersten Schaltstellung den Mittelabgriff zwischen den beiden Dioden mit dem Neutralpunkt und in einer zweiten Schaltstellung den Mittelabgriff zwischen den Dioden mit einem positiven Ladeanschluss für eine externe Gleichspannungsquelle. Das zweite Schaltelement verbindet in einer ersten Schaltstellung den Mittelabgriff der Halbbrücke mit einem Pol des Wechselspannungsanschlusses und in einer zweiten Schaltstellung den Mittelabgriff der Halbbrücke mit dem negativen Pol des Gleichspannungsanschlusses. Das Steuergerät ist dabei derart ausgebildet, die Schaltelemente in Abhängigkeit eines beabsichtigten externen Ladevorganges von der ersten in die zweite Schaltstellung zu steuern. Durch die Verwendung von jeweils vier Transistoren je Halbbrücke kann die Nennspannung der Batterie entsprechend doppelt so groß gewählt werden. Beispielsweise kann eine Batterie mit einer Nennspannung von 800 V gewählt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine 3-Level-Umrichter-Topologie erreicht wird, sodass die günstigeren Eigenschaften bei der Flankensteilheit der Spannung die Anforderung an die maschinenseitigen Wicklungen entspannen. Durch ein entsprechend modifiziertes Pulsmuster können gezielt harmonische Stromkomponenten eliminiert werden, was den Gesamtwirkungsgrad der Elektromaschine verbessert, da Oberwellen in der Regel nicht zur Drehmomentbildung beitragen. Die Ladung der Batterie mit einer externen Gleichspannungsquelle, deren Nennspannung kleiner als die Nennspannung der Batterie ist, erfolgt nun dadurch, dass im Ladebetrieb (zweite Schaltstellung) die Transistoren im oberen Teil der Halbbrücke als DC/DC-Aufwärtswandler betrieben werden. Dadurch kann beispielsweise die Batterie mit einer 800 V Nennspannung durch eine externe Gleichspannungsquelle mit 400 V Nennspannung geladen werden. Dies erlaubt schnelle Ladezeiten bei großer Ladeleistung. Die für den Aufwärtswandler benötigte Induktivität kann dabei beispielsweise durch die externe Gleichspannungsquelle zur Verfügung gestellt werden. Die notwendige Große der Induktivität hängt dabei von der Schaltfrequenz der Transistoren ab, da die Impedanz jωL ist.From the DE 10 2016 218 304 B3 a device for voltage conversion in an electric vehicle is known. The device for voltage conversion includes a converter and a control unit, the converter having a two-pole DC voltage connection for connecting a battery and a three-pole AC voltage connection for connecting an electric machine. The converter also has three half-br cken, with two transistors with freewheeling diodes being arranged both in the upper and in the lower part of each half-bridge. In this case, the center taps of the half-bridges can be connected to the AC voltage connection or are connected to it. An intermediate circuit capacitor, which consists of at least two capacitors connected in series, is arranged in parallel with the DC voltage connection, with the common connection point forming a neutral point. In this case, a plurality of capacitors can be connected in parallel, with the two parallel circuits then being connected in series. Furthermore, two diodes each are assigned to the half-bridges, the two diodes being connected in series and connecting center taps of the upper and lower parts of the half-bridge. An anode of a first diode is connected to the center tap of the lower part and the cathode of the other diode is connected to the center tap of the upper part. Furthermore, at least one half-bridge has two switching elements. In a first switching position, the first switching element connects the center tap between the two diodes to the neutral point and in a second switching position connects the center tap between the diodes to a positive charging connection for an external DC voltage source. In a first switching position, the second switching element connects the center tap of the half-bridge to a pole of the AC voltage connection and in a second switching position connects the center tap of the half-bridge to the negative pole of the DC voltage connection. The control unit is designed in such a way that it controls the switching elements from the first to the second switching position as a function of an intended external charging process. By using four transistors per half-bridge, the nominal voltage of the battery can be selected to be twice as large. For example, a battery with a nominal voltage of 800 V can be chosen. Another advantage is that a 3-level converter topology is achieved, so that the more favorable characteristics with the voltage edge steepness relax the requirement on the machine-side windings. With a correspondingly modified pulse pattern, harmonic current components can be eliminated in a targeted manner, which improves the overall efficiency of the electric machine, since harmonics usually do not contribute to the generation of torque. The battery is charged with an external DC voltage source, the nominal voltage of which is lower than the nominal voltage of the battery, by operating the transistors in the upper part of the half-bridge as a DC/DC step-up converter in charging mode (second switching position). In this way, for example, the battery with a nominal voltage of 800 V can be charged by an external DC voltage source with a nominal voltage of 400 V. This allows fast charging times with high charging power. The inductance required for the step-up converter can be provided by the external DC voltage source, for example. The size of the inductance required depends on the switching frequency of the transistors, since the impedance is jωL.

Aus der DE 10 2018 124 787 A1 ist eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines mit einem elektrischen Antriebsmotor ausgebildeten Kraftfahrzeug bekannt, mit einer Induktivität, einem Antriebsumrichter, der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie für den elektrischen Antriebsmotor wandelt und einen Zwischenkreismittelpunkt aufweist, wobei die Induktivität zusammen mit dem Antriebsumrichter für einen Ladebetrieb der Batterie als Hochsetzsteller dient, wobei der Zwischenkreismittelpunkt über einen Ausgleichsleiter mit einer Eingangsspannung einer Ladungsquelle und/oder der Induktivität permanent oder temporär verschalten ist. Vorzugsweise wird dabei die Induktivität durch mindestens eine Wicklung des elektrischen Antriebmotors gebildet.From the DE 10 2018 124 787 A1 a charging device for charging a battery of a motor vehicle equipped with an electric drive motor is known, with an inductance, a drive converter, which converts the DC voltage of the battery for the electric drive motor during drive operation of the motor vehicle and has an intermediate circuit center point, the inductance together with the drive converter for a charging operation of the battery is used as a step-up converter, the intermediate circuit center point being connected permanently or temporarily via a compensating conductor to an input voltage of a charge source and/or the inductance. The inductance is preferably formed by at least one winding of the electric drive motor.

Eine ähnliche Schaltung mit zwei Wechselrichtern ist aus der WO 2021 / 160 022 A1 bekannt.A similar circuit with two inverters is known from WO 2021/160 022 A1.

Aus der DE 10 2019 201 706 A1 ist eine fahrzeugseitige Ladeschaltung mit einem steuerbaren Gleichrichter, mehreren Energiespeichern und einer Konfigurationsschaltung bekannt, die die Energiespeicher auswählbar in einer seriellen oder parallelen Konfiguration verbindet, wobei die mehreren Energiespeicher über die Konfigurationsschaltung mit dem steuerbaren Gleichrichter verbunden sind, wobei der steuerbare Gleichrichter mindestens eine Schalterzelle aufweist, wobei mindestens eine der Schalterzellen steuerbar ist und jeweils mindestens einen schaltbaren Halbbrückenzweig aufweist.From the DE 10 2019 201 706 A1 discloses an on-board charging circuit with a controllable rectifier, multiple energy stores and a configuration circuit that connects the energy stores in a selectable series or parallel configuration, the multiple energy stores being connected to the controllable rectifier via the configuration circuit, the controllable rectifier having at least one switch cell , wherein at least one of the switch cells is controllable and each has at least one switchable half-bridge branch.

Aus der DE 10 2015 105 833 A1 ist ein Spannungsregler und aus der DE 10 2012 106 866 A1 ist ein Schaltregler bekannt.From the DE 10 2015 105 833 A1 is a voltage regulator and from the DE 10 2012 106 866 A1 a switching regulator is known.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Traktionsnetz zu schaffen, das mit geringem Schaltungsaufwand flexibel an unterschiedlichen DC-Ladesäulen geladen werden kann, sowie ein entsprechendes Ladeverfahren zur Verfügung zu stellen.The invention is therefore based on the technical problem of creating a traction network that can be flexibly charged at different DC charging stations with little circuit complexity, and of providing a corresponding charging method.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Traktionsnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The technical problem is solved by a traction network with the features of claim 1 and a method with the features of claim 10. Further advantageous refinements of the invention result from the dependent claims.

Hier umfasst das Traktionsnetz für ein Elektrofahrzeug eine erste Batterieeinheit und eine zweite Batterieeinheit, einen 3-Level-Wechselrichter, ein Schaltmodul und mindestens eine Steuereinheit. Dabei weisen die erste und zweite Batterieeinheit die gleiche Nennspannung von beispielsweise 400 V auf. Das Schaltmodul ist zwischen den Batterieeinheiten und dem 3-Level-Wechselrichter angeordnet. Das Schaltmodul weist einen Eingang für den positiven und negativen Spannungsanschluss (Batteriepol) der ersten und zweiten Batterieeinheit auf. Weiter weist das Schaltmodul als Ausgang einen positiven Spannungsanschluss, einen negativen Spannungsanschluss und einen Neutralpunkt auf, wobei die Ausgänge mit dem 3-Level-Wechselrichter verbunden sind. Weiter weist das Schaltmodul einen Anschluss für mindestens eine Induktivität auf, wobei die Induktivität zwischen dem Neutralpunkt des 3-Level-Wechselrichters und dem Anschluss des Schaltmoduls angeordnet ist. Weiter sind Gleichspannungsladeanschlüsse vorgesehen, die mit dem positiven Spannungsanschluss und dem negativen Spannungsanschluss am Ausgang des Schaltmoduls verbunden sind. Die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass diese Schaltelemente im Schaltmodul derart ansteuert, dass im Fahrbetrieb die beiden Batterieeinheiten in Reihe geschaltet sind. Ebenso werden die beiden Batterieeinheiten in Reihe geschaltet, wenn mit einer Ladespannung geladen wird, die der doppelten Nennspannung der Batterieeinheiten entspricht. Die Ladespannung ist also gleich der Summe der Nennspannungen der Batterieeinheiten. Im Ladebetrieb mit einer Ladespannung gleich der Nennspannung der Batterieeinheiten werden die beiden Batterieeinheiten über das Schaltmodul parallelgeschaltet. Dabei ist die Steuereinheit derart ausgebildet, vor dem Parallelschalten die aktuelle Spannungslage der beiden Batterieeinheiten zu prüfen. Ist die Spannungslage gleich oder weicht nur gering ab, so können die beiden Batterieeinheiten parallelgeschaltet werden. Ist die Abweichung hingegen größer als ein Schwellwert, wird zunächst die Batterieeinheit mit der höheren Spannungslage mit den Gleichspannungsladeanschlüssen verbunden und geladen, vorzugsweise aber noch nicht mit der maximal möglichen Leistung. Der positive Spannungsanschluss der Batterieeinheit mit der niedrigeren Spannung wird hingegen mit der Induktivität verbunden. Die Steuereinheit steuert dann mindestens eine Halbbrücke des Wechselrichters derart an, dass diese mit der Induktivität als Hochsetzsteller arbeitet, um die Spannungslagen der beiden Batterieeinheiten anzugleichen, wobei nach Angleichung der Spannungslagen die Steuereinheit die beiden Batterieeinheiten parallelschaltet. Der Vorteil ist, dass dieses aktive Balancing der Batterieeinheiten sehr schnell geht und keine wesentlichen Verluste auftreten, wobei sich der schaltungstechnische Mehraufwand auf die Induktivität und die Schaltelemente im Schaltmodul beschränkt. Hierdurch wird vermieden, dass die gegebenenfalls um einige 10 V bis 20 V in der Spannungslage differierenden Batterieeinheiten sofort parallelgeschaltet werden müssen, was extreme Ausgleichsströme hervorrufen würde, die die Alterung der Batterieeinheiten beschleunigen und andere thermische Probleme hervorrufen könnten.Here, the traction network for an electric vehicle comprises a first battery unit and a second battery unit, a 3-level inverter Switching module and at least one control unit. The first and second battery units have the same nominal voltage of 400 V, for example. The switching module is placed between the battery units and the 3-level inverter. The switching module has an input for the positive and negative voltage connection (battery pole) of the first and second battery unit. The switching module also has a positive voltage connection, a negative voltage connection and a neutral point as an output, with the outputs being connected to the 3-level inverter. The switching module also has a connection for at least one inductance, the inductance being arranged between the neutral point of the 3-level inverter and the connection of the switching module. DC voltage charging connections are also provided, which are connected to the positive voltage connection and the negative voltage connection at the output of the switching module. The control unit is designed in such a way that it activates the switching elements in the switching module in such a way that the two battery units are connected in series when the vehicle is being driven. Likewise, the two battery units are connected in series when charging with a charging voltage that corresponds to twice the nominal voltage of the battery units. The charging voltage is therefore equal to the sum of the nominal voltages of the battery units. In charging mode with a charging voltage equal to the nominal voltage of the battery units, the two battery units are connected in parallel via the switching module. In this case, the control unit is designed in such a way that it checks the current voltage level of the two battery units before the parallel connection. If the voltage level is the same or differs only slightly, the two battery units can be connected in parallel. If, on the other hand, the deviation is greater than a threshold value, the battery unit with the higher voltage level is first connected to the DC voltage charging connections and charged, but preferably not yet with the maximum possible power. On the other hand, the positive voltage terminal of the battery pack with the lower voltage is connected to the inductor. The control unit then controls at least one half-bridge of the inverter in such a way that it works with the inductance as a step-up converter in order to align the voltage levels of the two battery units, with the control unit connecting the two battery units in parallel after the voltage levels have been equalized. The advantage is that this active balancing of the battery units is very fast and no significant losses occur, with the additional circuitry complexity being limited to the inductance and the switching elements in the switching module. This avoids the situation where the battery units, which may differ by a few 10 V to 20 V in the voltage level, have to be connected in parallel immediately, which would cause extreme equalizing currents that could accelerate the aging of the battery units and cause other thermal problems.

In einer Ausführungsform weist das Schaltmodul drei Schaltelemente auf, wobei das erste Schaltelement derart ausgebildet ist, dass in einer ersten Schaltstellung der positive Spannungsanschluss der zweiten Batterieeinheit mit der Induktivität verbunden ist, in einer zweiten Schaltstellung mit dem positiven Spannungsanschluss am Ausgang des Schaltmoduls verbunden ist und in einer dritten Schaltstellung mi dem negativen Spannungsanschluss der ersten Batterieeinheit verbunden ist. Das zweite Schaltelement ist derart ausgebildet, dass in einer ersten Schaltstellung der positive Spannungsanschluss der ersten Batterieeinheit mit der Induktivität verbunden ist und in einer zweiten Schaltstellung mit dem positiven Spannungsanschluss am Ausgang des Schaltmoduls verbunden ist. Das dritte Schaltmodul ist derart ausgebildet, den negativen Gleichspannungsladeanschluss mit dem Neutralpunkt am Ausgang des Schaltmoduls zu verbinden oder zu trennen.In one embodiment, the switching module has three switching elements, with the first switching element being designed in such a way that in a first switching position the positive voltage connection of the second battery unit is connected to the inductor, in a second switching position it is connected to the positive voltage connection at the output of the switching module and is connected in a third switch position mi to the negative voltage connection of the first battery unit. The second switching element is designed such that in a first switching position the positive voltage connection of the first battery unit is connected to the inductor and in a second switching position it is connected to the positive voltage connection at the output of the switching module. The third switching module is designed in such a way that the negative DC voltage charging connection is connected to or disconnected from the neutral point at the output of the switching module.

Vorzugsweise sind die Schaltelemente als Relais ausgebildet, um eine sichere galvanische Trennung zu realisieren.The switching elements are preferably in the form of relays in order to implement reliable galvanic isolation.

Das Schaltmodul und die beiden Batterieeinheiten sind vorzugsweise in einem Batteriemodul integriert. Vorzugsweise wird auch die Induktivität in das Batteriemodul integriert.The switching module and the two battery units are preferably integrated in a battery module. The inductance is preferably also integrated into the battery module.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Traktionsnetz zusätzlich Wechselspannungsladeanschlüsse auf, wobei an den Wechselspannungsladeanschlüssen ein uni- oder bidirektionaler Gleichrichter mit mindestens einem nachgeschalteten DC/DC-Wandler angeordnet ist. Der Vorteil eines bidirektionalen Gleichrichters ist, dass dann das Traktionsnetz als Energiequelle für externe Geräte verwendet werden kann, wobei dies jedoch den Schaltungsaufwand im Vergleich zu unidirektionalen Ausführungsformen erhöht.In a further embodiment, the traction network also has AC voltage charging connections, with a unidirectional or bidirectional rectifier with at least one downstream DC/DC converter being arranged at the AC voltage charging connections. The advantage of a bidirectional rectifier is that the traction network can then be used as a power source for external devices, although this increases the circuit complexity compared to unidirectional embodiments.

Vorzugsweise ist der Gleichrichter als Vienna-Gleichrichter mit einer Leistungsfaktorkorrektur ausgebildet. Der Vorteil von Vienna-Gleichrichtern sind die geringen Schaltverluste, geringe Störstrahlung und einfache Steuerung sowie eine große Zuverlässigkeit.The rectifier is preferably designed as a Vienna rectifier with a power factor correction. The advantage of Vienna rectifiers are the low switching losses, low interference radiation and simple control as well as high reliability.

In einer weiteren Ausführungsform sind zwei DC/DC-Wandler in Reihe geschaltet. Der Vorteil ist, dass dann die gleichgerichtete Spannung am Ausgang des Gleichrichters aufgeteilt werden kann, sodass die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der Transistoren in den DC/DC-Wandler reduziert sind.In a further embodiment, two DC/DC converters are connected in series. The advantage is that the rectified voltage at the output of the rectifier can then be divided, so that the requirements for the voltage strength are met capability of the transistors in the DC/DC converter are reduced.

In einer weiteren Ausführungsform weist der DC/DC-Wandler mehrere Halbbrücken auf, an deren Mittelabgriff jeweils eine Induktivität angeschlossen ist, wobei die Induktivitäten an einem gemeinsamen Punkt verbunden sind. Dabei sei angemerkt, dass, wenn zwei DC/DC-Wandler vorhanden sind, die Anzahl der Halbbrücken in beiden DC/DC-Wandlern gleich sein sollte. Durch die Anzahl der Halbbrücken ist das Traktionsnetz einfach an die möglichen bzw. gewünschten Ladeleistungen skalierbar. Kann beispielsweise eine Halbbrücke 3,6 kW-Leistung übertragen, so benötigt man entsprechend drei Halbbrücken für 11 kW, entsprechend sechs Halbbrücken für 22 kW und zwölf Halbbrücken für 43 kW.In a further embodiment, the DC/DC converter has a plurality of half-bridges, each of which has an inductance connected to its center tap, with the inductances being connected at a common point. It should be noted that if there are two DC/DC converters, the number of half-bridges in both DC/DC converters should be the same. Due to the number of half-bridges, the traction network can easily be scaled to the possible or desired charging capacity. For example, if a half-bridge can transmit 3.6 kW of power, then three half-bridges are required for 11 kW, correspondingly six half-bridges for 22 kW and twelve half-bridges for 43 kW.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Transistoren des Traktionsnetzes als GaN-Transistoren (Gallium Nitrid) ausgebildet, die besonders verlustarm sind. Dabei sind auch Ausführungsformen möglich, wo einzelne Transistoren in anderer Technologie (z.B. SiC) verwendet werden, um die Anzahl der Bauteile zu reduzieren.In a further embodiment, the transistors of the traction network are designed as GaN transistors (gallium nitride), which have particularly low losses. In this case, embodiments are also possible where individual transistors are used in a different technology (e.g. SiC) in order to reduce the number of components.

Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.With regard to the procedural design of the invention, reference is made in full to the preceding statements.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Die einzelnen Figuren zeigen:

  • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Traktionsnetzes,
  • 2 eine Darstellung einer Schalterkonfiguration zum Angleichen in einer ersten Konfiguration,
  • 3 eine Darstellung einer Schalterkonfiguration zum Ausgleichen in einer zweiten Konfiguration,
  • 4 ein erweitertes schematisches Blockschaltbild eines Traktionsnetzes,
  • 5 eine mögliche schaltungstechnische Darstellung eines Traktionsnetzes,
  • 6 eine alternative schaltungstechnische Darstellung eines Traktionsnetzes gemäß 4 mit einem unidirektionalen Gleichrichter,
  • 7 eine alternative schaltungstechnische Darstellung eines Traktionsnetzes und
  • 8 eine weitere alternative schaltungstechnische Darstellung eines Traktionsnetzes.
The invention is explained in more detail below with reference to preferred embodiments. The individual figures show:
  • 1 a schematic block diagram of a traction network,
  • 2 a representation of a switch configuration for matching in a first configuration,
  • 3 a representation of a switch configuration for balancing in a second configuration,
  • 4 an extended schematic block diagram of a traction network,
  • 5 a possible circuit representation of a traction network,
  • 6 an alternative circuit representation of a traction network according to 4 with a unidirectional rectifier,
  • 7 an alternative circuit representation of a traction network and
  • 8th Another alternative circuit representation of a traction network.

In der 1 ist stark vereinfacht ein Traktionsnetz 1 dargestellt. Das Traktionsnetz 1 weist eine erste Batterieeinheit 2 und eine zweite Batterieeinheit 3 auf, die beide baugleich sind. Dabei ist die Spannung an der ersten Batterieeinheit 2 V_A und die Spannung an der zweiten Batterieeinheit 3 V_B (siehe 2 und 3). Nachfolgend soll davon ausgegangen werden, dass die Nennspannung der beiden Batterieeinheiten 2, 3 400 V beträgt. Weiter weist das Traktionsnetz 1 ein Schaltmodul 4, eine Induktivität L, einen 3-Level-Wechselrichter 5 und eine Elektromaschine 6 auf. Das Schaltmodul 4 weist eingangsseitig jeweils einen Eingang für den positiven Spannungsanschluss A+ und den negativen Spannungsanschluss A- der ersten Batterieeinheit 2 und einen positiven Spannungsanschluss B+ und negativen Spannungsanschluss B- für die zweite Batterieeinheit 3 auf. Weiter weist das Schaltmodul 4 einen positiven Spannungsanschluss DC+, einen negativen Spannungsanschluss DC- und einen Neutralpunkt N als Ausgang auf. Schließlich weist das Schaltmodul 4 noch einen Anschluss L+ für die Induktivität L auf, wobei das andere Ende der Induktivität L mit dem Neutralpunkt N verbunden ist. An den Ausgängen für den positiven Spannungsanschluss DC+ und den negativen Spannungsanschluss DC- sind Gleichspannungsladeanschlüsse 7 angeordnet.In the 1 a traction network 1 is shown in a highly simplified manner. The traction network 1 has a first battery unit 2 and a second battery unit 3, both of which are structurally identical. The voltage at the first battery unit is 2 V_A and the voltage at the second battery unit is 3 V_B (see Fig 2 and 3 ). In the following it should be assumed that the nominal voltage of the two battery units is 2, 3 400 V. The traction network 1 also has a switching module 4 , an inductance L, a 3-level inverter 5 and an electric machine 6 . On the input side, the switching module 4 has an input for the positive voltage connection A+ and the negative voltage connection A− of the first battery unit 2 and a positive voltage connection B+ and negative voltage connection B− for the second battery unit 3 . Furthermore, the switching module 4 has a positive voltage connection DC+, a negative voltage connection DC- and a neutral point N as an output. Finally, the switching module 4 also has a connection L+ for the inductance L, the other end of the inductance L being connected to the neutral point N. DC voltage charging connections 7 are arranged at the outputs for the positive voltage connection DC+ and the negative voltage connection DC-.

Die Arbeitsweise des Schaltmoduls 4 soll nun anhand der 2 und 3 näher erläutert werden. Dabei weist das Schaltmodul 4 drei Schaltelemente S1-S3 auf. Das erste Schaltelement S1 hat drei Schaltpositionen. In der ersten Schaltposition (wie in 2 dargestellt) ist der positive Spannungsanschluss der zweiten Batterieeinheit 2 mit der Induktivität L verbunden. In der zweiten Schaltposition ist der positive Spannungsanschluss mit dem positiven Spannungsanschluss DC+ und in der dritten Schaltposition mit dem negativen Spannungsanschluss der ersten Batterieeinheit 2 verbunden. Das zweite Schaltelement S2 weist zwei Schaltpositionen auf, wobei in einer ersten Schaltposition der positive Spannungsanschluss der ersten Batterieeinheit 2 mit der Induktivität L verbunden ist und in der zweiten Schaltposition mit dem positiven Spannungsanschluss DC+. Mittels des dritten Schaltelements S3 kann der Neutralpunkt N unterbrochen werden.The operation of the switching module 4 is now based on the 2 and 3 be explained in more detail. The switching module 4 has three switching elements S1-S3. The first switching element S1 has three switching positions. In the first switch position (as in 2 shown), the positive voltage terminal of the second battery unit 2 is connected to the inductance L. In the second switching position, the positive voltage connection is connected to the positive voltage connection DC+ and in the third switching position to the negative voltage connection of the first battery unit 2 . The second switching element S2 has two switching positions, with the positive voltage connection of the first battery unit 2 being connected to the inductor L in a first switching position and to the positive voltage connection DC+ in the second switching position. The neutral point N can be interrupted by means of the third switching element S3.

Im Fahrbetrieb sollen die beiden Batterieeinheiten 2, 3 in Reihe geschaltet werden, sodass 800 V zur Verfügung stehen. Hierzu wird das erste Schaltelement S1 in die dritte Schaltposition geschaltet, das zweite Schaltelement S2 in die zweite Schaltposition und das dritte Schaltelement S3 geschlossen. In dieser Schalterstellung kann auch über die Gleichspannungsladeanschlüsse 7 mit 800 V geladen werden. Die Schaltelemente S1-S3 werden von einer Steuereinheit 8 angesteuert, die nur in 2 schematisch dargestellt ist und ansonsten aus Übersichtsgründen nicht mehr dargestellt wird, wobei die Steuereinheit 8 in ein Batterie-Management-Steuergerät integriert sein kann.When driving, the two battery units 2, 3 are to be connected in series so that 800 V are available. For this purpose, the first switching element S1 is switched to the third switching position, the second switching element S2 is switched to the second switching position and the third switching element S3 is closed. In this switch position, 800 V can also be charged via the DC voltage charging connections 7 . The switching elements S1-S3 are controlled by a control unit 8, which is only in 2 is shown schematically and is otherwise no longer shown for reasons of clarity, the control unit 8 can be integrated into a battery management control unit.

Soll hingegen an einer 400 V-Ladesäule geladen werden, so sind drei Fälle zu unterscheiden, nämlich V_A = V_B, V_A > V_B und V_A < V_B. Im ersten Fall können die beiden Batterieeinheiten 2, 3 einfach parallelgeschaltet werden, wozu das erste Schaltelement S1 in die zweite Schaltposition geschaltet wird. Das dritte Schaltelement S3 kann geöffnet werden. Sind hingegen die Spannungslagen unterschiedlich, so würde ein unmittelbares Parallelschalten zu Ausgleichströmen führen, die zu vermeiden sind.If, on the other hand, charging is to be carried out at a 400 V charging station, three cases must be distinguished, namely V_A = V_B, V_A > V_B and V_A < V_B. In the first case, the two battery units 2, 3 can simply be connected in parallel, for which purpose the first switching element S1 is switched to the second switching position. The third switching element S3 can be opened. If, on the other hand, the voltage levels are different, direct parallel switching would lead to compensating currents, which should be avoided.

Dabei ist in 2 die Schaltungskonfiguration für den Fall U_A > U_B und in 3 für U_A < U_B dargestellt. Ausgehend vom Fahrbetrieb wird in 2 das erste Schaltelement S1 von der dritten Schaltposition in die erste Schaltposition geschaltet und das dritte Schaltelement S3 geöffnet. In dieser Schaltposition liegt die erste Batterieeinheit 2 an den Gleichspannungsladeanschlüssen 7 an und kann moderat mit 400 V geladen werden. Die zweite Batterieeinheit 3 ist hingegen mit der Induktivität L verbunden, die zusammen mit den Halbbrücken HB des 3-Level-Wechselrichters 5 als Hochsetzsteller betrieben werden kann. Dabei ist in 2 und 3 jeweils eine Halbbrücke HB des 3-Level-Wechselrichters 5 dargestellt, wobei grundsätzlich auch nur eine entsprechend angesteuerte Halbbrücke HB ausreichend ist. Über den Hochsetzsteller wird die zweite Batterieeinheit 3 quasi geboostet und auf die Spannungslage der ersten Batterieeinheit 2 angeglichen. Ist die Spannungsgleichheit erreicht und das erste Schaltelement S1 in die zweite Schaltposition geschaltet, dann kann die Ladeleistung an den Gleichspannungsladeanschlüssen 7 auf maximale Ladeleistung geregelt werden.where is in 2 the circuit configuration for the case U_A > U_B and in 3 shown for U_A < U_B. Based on driving operations, in 2 the first switching element S1 is switched from the third switching position to the first switching position and the third switching element S3 is opened. In this switch position, the first battery unit 2 is in contact with the DC voltage charging connections 7 and can be charged with a moderate 400 V. The second battery unit 3, on the other hand, is connected to the inductor L, which can be operated together with the half-bridges HB of the 3-level inverter 5 as a step-up converter. where is in 2 and 3 one half-bridge HB of the 3-level inverter 5 is shown in each case, with only one correspondingly controlled half-bridge HB being sufficient in principle. The second battery unit 3 is virtually boosted via the step-up converter and adjusted to the voltage level of the first battery unit 2 . If the voltages are equal and the first switching element S1 is switched to the second switching position, then the charging power at the DC voltage charging connections 7 can be regulated to maximum charging power.

In der 3 ist die Schaltsequenz aus dem Fahrbetrieb entsprechend, wobei das erste Schaltelement S1 von der dritten Schaltposition in die zweite Schaltposition geschaltet wird. Das zweite Schaltelement S2 wird von der zweiten Schaltposition in die erste Schaltposition geschaltet und das dritte Schaltelement S3 wieder geöffnet. Die zweite Batterieeinheit 3 kann dann moderat mit 400V aus der Ladesäule geladen werden, wobei die erste Batterieeinheit 2 über den Hochsetzsteller geboostet wird, bis die Spannungslage der zweiten Batterieeinheit 3 erreicht ist. Dann wird das zweite Schaltelement S2 in die zweite Schaltposition geschaltet. Hierdurch kann sehr einfach das Traktionsnetz 1 angepasst werden und die maximalen Ladeleistungen sowohl an 800 V- als auch an 400 V-Ladesäulen abgerufen werden.In the 3 the switching sequence from the driving mode is corresponding, with the first switching element S1 being switched from the third switching position to the second switching position. The second switching element S2 is switched from the second switching position to the first switching position and the third switching element S3 is opened again. The second battery unit 3 can then be charged moderately with 400V from the charging station, with the first battery unit 2 being boosted via the step-up converter until the voltage level of the second battery unit 3 is reached. Then the second switching element S2 is switched to the second switching position. As a result, the traction network 1 can be adapted very easily and the maximum charging power can be called up both at 800 V and at 400 V charging stations.

In der 4 ist ein erweitertes Traktionsnetz 1 dargestellt, das zusätzlich ein Laden aus einer Wechselspannungsquelle 9 ermöglicht. Hierzu weist das Traktionsnetz 1 einen Gleichrichter 10 auf, an dessen Eingang drei Induktivitäten L1-L3 vorgeschaltet sind. Der Gleichrichter 10 kann dabei bidirektional oder unidirektional ausgebildet sein und ist vorzugsweise als Vienna-Gleichrichter mit einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC) ausgebildet. Dabei wird ein Neutralpunkt N vom Gleichrichter 10 zum Schaltmodul 4 durchgeschleift. Am Ausgang des Gleichrichters 10 sind zwei DC/DC-Wandler 11 angeordnet, sodass die Ausgangsspannung des Gleichrichters 10 aufgeteilt werden kann, was die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der verwendeten Leistungshalbleiter in den DC/DC-Wandler 11 reduziert.In the 4 an extended traction network 1 is shown, which also enables charging from an AC voltage source 9 . For this purpose, the traction network 1 has a rectifier 10, at the input of which three inductances L1-L3 are connected upstream. The rectifier 10 can be bidirectional or unidirectional and is preferably embodied as a Vienna rectifier with a power factor correction circuit (PFC). A neutral point N is looped through from the rectifier 10 to the switching module 4 . Two DC/DC converters 11 are arranged at the output of the rectifier 10, so that the output voltage of the rectifier 10 can be divided, which reduces the requirements for the dielectric strength of the power semiconductors used in the DC/DC converter 11.

In der 5 ist eine mögliche konkrete Schaltungskonfiguration des Traktionsnetzes 1 gemäß 4 dargestellt. Dabei ist der 3-Level-Wechselrichter 5 als 3L-ANPC-Wechselrichter ausgebildet, bei dem das Ausbalancieren des Neutralpunktes N aktiv durch die Transistoren erfolgt. Weiter ist dargestellt, wie das Schaltmodul 4 und die Batterieeinheiten 2, 3 in einem Batteriemodul 12 integriert werden können. In diesem Batteriemodul 12 können dann auch die Hauptschütze zum galvanischen Trennen der Batterieeinheiten 2, 3 als auch ein Batterie-Management-Steuergerät bzw. die Steuereinheit 8 (siehe 2) integriert sein. Aus Übersichtsgründen ist die Induktivität L nachfolgend nicht mehr dargestellt. Der Gleichrichter 10 ist als bidirektionaler Vienna-Gleichrichter mit PFC ausgebildet. Die beiden DC/DC-Wandler 11 umfassen jeweils Halbbrückenschaltungen, an deren Mittelabgriff eine Induktivität LDC/DC angeordnet ist, wobei die anderen Enden an einem gemeinsamen Punkt P miteinander verbunden sind. Aus Übersichtsgründen ist jeweils nur die obere Induktivität LDC/DC mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet. Über die Anzahl der Halbbrückenschaltungen kann dabei die Leistungsaufnahme skaliert werden.In the 5 is a possible specific circuit configuration of the traction network 1 according to 4 shown. The 3-level inverter 5 is designed as a 3L-ANPC inverter, in which the neutral point N is actively balanced by the transistors. It is also shown how the switching module 4 and the battery units 2, 3 can be integrated in a battery module 12. In this battery module 12, the main contactors for galvanic isolation of the battery units 2, 3 and a battery management control device or the control unit 8 (see 2 ) to be integrated. For reasons of clarity, the inductance L is no longer shown below. The rectifier 10 is designed as a bidirectional Vienna rectifier with PFC. The two DC/DC converters 11 each comprise half-bridge circuits, at the center tap of which an inductance L DC/DC is arranged, with the other ends being connected to one another at a common point P. For reasons of clarity, in each case only the upper inductance L DC/DC is identified with a reference symbol. The power consumption can be scaled via the number of half-bridge circuits.

In der 6 ist eine alternative Ausführungsform des Traktionsnetzes 1 dargestellt, wobei im Unterschied zu 5 der Gleichrichter 10 als unidirektionaler Vienna-Gleichrichter 10 ausgebildet ist, der erheblich weniger Transistoren, nämlich nur drei, benötigt. Der 3-Level-Wechselrichter 5 ist dabei als 3L-NPC-Wechselrichter 5 ausgebildet, bei dem das Ausbalancieren passiv durch die Dioden D erfolgt.In the 6 an alternative embodiment of the traction network 1 is shown, in contrast to 5 the rectifier 10 is designed as a unidirectional Vienna rectifier 10, which requires considerably fewer transistors, namely only three. The 3-level inverter 5 is in the form of a 3L-NPC inverter 5 in which the diodes D carry out the passive balancing.

In der 7 ist eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt, wobei der Gleichrichter 10 wieder als bidirektionaler Vienna-Gleichrichter 10 ausgebildet ist und der 3-Level-Wechselrichter 5 als 3L-NPC-Wechselrichter 5 ausgebildet ist.In the 7 a further alternative embodiment is shown, with the rectifier 10 again being in the form of a bidirectional Vienna rectifier 10 and the 3-level inverter 5 being in the form of a 3L-NPC inverter 5 .

In der 8 ist eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt, wobei in Abweichung zu den vorangegangenen Ausführungsformen nur ein DC/DC-Wandler 11 zwischen dem Gleichrichter 10 und dem Batteriemodul 12 angeordnet ist. Dabei sind dessen Transistoren vorzugsweise als SiC-Transistoren ausgebildet, die eine Spannungsfestigkeit von 1.200 V aufweisen können. Der 3-Level.Wechselrichter 5 ist als 3L-T-Wechselrichter ausgebildet, wobei die Transistoren der Halbbrücken ebenfalls als SiC-Transistoren ausgebildet sind. Der Vorteil ist, dass dadurch die Anzahl der Transistoren insgesamt gesenkt werden kann, wobei jedoch die Kosten gegenüber GaN-Transistoren höher sind.In the 8th a further alternative embodiment is shown, in which, in contrast to the previous embodiments, only one DC/DC converter 11 is arranged between the rectifier 10 and the battery module 12 . Included its transistors are preferably designed as SiC transistors, which can have a dielectric strength of 1,200 V. The 3-level inverter 5 is designed as a 3L-T inverter, with the transistors of the half bridges also being designed as SiC transistors. The advantage is that this can reduce the total number of transistors, but the cost is higher than that of GaN transistors.

BezugszeichenlisteReference List

11
Traktionsnetztraction network
22
erste Batterieeinheitfirst battery unit
33
zweite Batterieeinheitsecond battery unit
44
Schaltmodulswitching module
55
3-Level-Wechselrichter3 level inverter
66
Elektromaschineelectric machine
77
GleichspannungsladeanschlussDC charging port
88th
Steuereinheitcontrol unit
99
WechselspannungsquelleAC power source
1010
Gleichrichterrectifier
1111
DC/DC-WandlerDC/DC converter
1212
Batteriemodulbattery module
LL
Induktivitätinductance
L1-L3L1-L3
Induktivitätinductance
LDC/DCLDC/DC
Induktivitätinductance
DD
Diodediode
PP
PunktPoint
NN
Neutralpunktneutral point

Claims (10)

Traktionsnetz (1) für ein Elektrofahrzeug, umfassend eine erste Batterieeinheit (2) und eine zweite Batterieeinheit (3), einen 3-Level-Wechselrichter (5), ein Schaltmodul (4) und mindestens eine Steuereinheit (8), wobei die erste Batterieeinheit (2) und die zweite Batterieeinheit (3) die gleiche Nennspannung aufweisen, wobei das Schaltmodul (4) zwischen den Batterieeinheiten (2, 3) und dem 3-Level-Wechselrichter (5) angeordnet ist, wobei das Schaltmodul (4) einen Eingang für den positiven Spannungsanschluss (A+) und den negativen Spannungsanschluss (A-) der ersten Batterieeinheit (2) und einen Eingang für den positiven Spannungsanschluss (B+) und den negativen Spannungsanschluss (B-) der zweiten Batterieeinheit (3) aufweist, wobei das Schaltmodul (4) weiter einen positiven Spannungsanschluss (DC+), einen negativen Spannungsanschluss (DC-) und einen Neutralpunkt (N) als Ausgang aufweist, wobei die Ausgänge mit dem 3-Level-Wechselrichter (5) verbunden sind, wobei das Schaltmodul (4) weiter einen Anschluss für mindestens eine Induktivität (L) aufweist, wobei die Induktivität (L) zwischen dem Neutralpunkt (N) des 3-Level-Wechselrichters (5) und dem Anschluss des Schaltmoduls (4) angeordnet ist, wobei zwei Gleichspannungsladeanschlüsse (7) vorgesehen sind, die mit dem positiven Spannungsanschluss (DC+) und dem negativen Spannungsanschluss (DC-) am Ausgang des Schaltmoduls (4) verbunden sind, wobei die Steuereinheit (8) derart ausgebildet ist, dass diese Schaltelemente (S1-S3) im Schaltmodul (4) derart ansteuert, dass im Fahrbetrieb die beiden Batterieeinheiten (2, 3) in Reihe geschaltet sind, dass im Ladebetrieb mit einer Ladespannung mit der doppelten Nennspannung die beiden Batterieeinheiten (2, 3) in Reihe geschaltet sind, wobei im Ladebetrieb mit einer Ladespannung gleich der Nennspannung der Batterieeinheiten (2, 3) diese parallel geschaltet werden, wobei die Steuereinheit (8) weiter derart ausgebildet ist, vor dem Parallelschalten die aktuelle Spannungslage der beiden Batterieeinheiten (2, 3) zu prüfen, wobei die Batterieeinheit (2, 3) mit der höheren Spannungslage zunächst mit den Gleichspannungsladeanschlüssen (7) verbunden wird, wohingegen der positive Spannungsanschluss der Batterieeinheit (2, 3) mit der niedrigeren Spannung mit der Induktivität (L) verbunden wird, wobei die Induktivität (L) und mindestens eine Halbbrücke (HB) des 3-Level-Wechselrichters (5) als Hochsetzsteller arbeiten, um die Spannungslagen der beiden Batterieeinheiten (2, 3) anzugleichen, wobei nach Angleichung der Spannungslagen die Steuereinheit (8) die beiden Batterieeinheiten (2, 3) parallel schaltet.Traction network (1) for an electric vehicle, comprising a first battery unit (2) and a second battery unit (3), a 3-level inverter (5), a switching module (4) and at least one control unit (8), the first battery unit (2) and the second battery unit (3) have the same nominal voltage, the switching module (4) being arranged between the battery units (2, 3) and the 3-level inverter (5), the switching module (4) having an input for the positive voltage connection (A+) and the negative voltage connection (A-) of the first battery unit (2) and an input for the positive voltage connection (B+) and the negative voltage connection (B-) of the second battery unit (3), the switching module (4) further has a positive voltage terminal (DC+), a negative voltage terminal (DC-) and a neutral point (N) as an output, the outputs being connected to the 3-level inverter (5), the switching module (4) far it has a connection for at least one inductance (L), with the inductance (L) being arranged between the neutral point (N) of the 3-level inverter (5) and the connection of the switching module (4), with two DC voltage charging connections (7) are provided, which are connected to the positive voltage connection (DC+) and the negative voltage connection (DC-) at the output of the switching module (4), the control unit (8) being designed in such a way that these switching elements (S1-S3) in the switching module ( 4) controlled in such a way that when driving, the two battery units (2, 3) are connected in series, that when charging with a charging voltage of twice the nominal voltage, the two battery units (2, 3) are connected in series, with charging with a charging voltage equal to the nominal voltage of the battery units (2, 3), these are connected in parallel, the control unit (8) being further designed in such a way that the current voltage level of the at the battery units (2, 3), whereby the battery unit (2, 3) with the higher voltage level is first connected to the DC voltage charging connections (7), whereas the positive voltage connection of the battery unit (2, 3) with the lower voltage is connected to the inductance (L) is connected, with the inductance (L) and at least one half-bridge (HB) of the 3-level inverter (5) working as a step-up converter in order to align the voltage levels of the two battery units (2, 3), after the leveling of the voltage levels the control unit (8) connects the two battery units (2, 3) in parallel. Traktionsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmodul (4) drei Schaltelemente (S1-S3) aufweist, wobei das erste Schaltelement (S1) derart ausgebildet ist, dass in einer ersten Schaltstellung der positive Spannungsanschluss (B+) der zweiten Batterieeinheit (3) mit der Induktivität (L) verbunden ist, in der zweiten Schaltstellung mit dem positiven Spannungsanschluss (DC+) am Ausgang des Schaltmoduls (4) verbunden ist und in der dritten Schaltstellung mit dem negativen Spannungsanschluss (A-) der ersten Batterieeinheit (2) verbunden ist, wobei das zweite Schaltelement (S2) derart ausgebildet ist, dass in einer ersten Schaltstellung der positive Spannungsanschluss (A+) der ersten Batterieeinheit (2) mit der Induktivität (L) verbunden ist und in einer zweiten Schaltstellung mit dem positiven Spannungsanschluss (DC+) am Ausgang des Schaltmoduls (4) verbunden ist, wobei das dritte Schaltelement (S3) derart ausgebildet ist, den negativen Gleichspannungsanschluss (7) mit dem Neutralpunkt (N) am Ausgang des Schaltmoduls (4) zu verbinden oder zu trennen.traction network claim 1 , characterized in that the switching module (4) has three switching elements (S1-S3), the first switching element (S1) being designed such that in a first switching position the positive voltage connection (B+) of the second battery unit (3) with the inductance (L), is connected to the positive voltage connection (DC+) at the output of the switching module (4) in the second switching position and is connected to the negative voltage connection (A-) of the first battery unit (2) in the third switching position, with the second switching element (S2) is designed in such a way that in a first switching position the positive voltage connection (A+) of the first battery unit (2) is connected to the inductance (L) and in a second switching position to the positive voltage connection (DC+) at the output of the switching module (4) is connected, the third switching element (S3) being designed in such a way that the negative DC voltage connection (7) is connected to the neutral point (N) at the output ng of the switching module (4) to connect or disconnect. Traktionsnetz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (S1-S3) des Schaltmoduls (4) als Relais ausgebildet sind.traction network claim 1 or 2 , characterized in that the switching elements (S1-S3) of the switching module (4) are designed as relays. Traktionsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmodul (4) und die beiden Batterieeinheiten (2, 3) in einem Batteriemodul (12) integriert sind.Traction network according to one of the preceding claims, characterized in that the switching module (4) and the two battery units (2, 3) are integrated in one battery module (12). Traktionsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Traktionsnetz (1) zusätzlich Wechselspannungsladeanschlüsse aufweist, wobei an den Wechselspannungsladeanschlüssen ein uni- oder bidirektionaler Gleichrichter (10) mit mindestens einem nachgeschalteten DC/DC-Wandler (11) angeordnet ist.Traction network according to one of the preceding claims, characterized in that the traction network (1) additionally has AC voltage charging connections, a unidirectional or bidirectional rectifier (10) with at least one downstream DC/DC converter (11) being arranged at the AC voltage charging connections. Traktionsnetz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (10) als Vienna-Gleichrichter ausgebildet ist.traction network claim 5 , characterized in that the rectifier (10) is designed as a Vienna rectifier. Traktionsnetz nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei DC/DC-Wandler (11) in Reihe geschaltet sind.Traction network according to one of Claims 5 or 6 , characterized in that two DC/DC converters (11) are connected in series. Traktionsnetz nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (11) mehrere Halbbrücken aufweist, an deren Mittelabgriff jeweils eine Induktivität (LDC/DC) angeschlossen ist, wobei die Induktivitäten an einem Punkt (P) verbunden sind.Traction network according to one of Claims 5 until 7 , characterized in that the DC / DC converter (11) has a plurality of half-bridges, at whose center tap in each case an inductance (L DC / DC ) is connected, the inductances at a point (P) are connected. Traktionsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren des Traktionsnetzes (1) als GaN-Transistoren ausgebildet sind.Traction network according to one of the preceding claims, characterized in that the transistors of the traction network (1) are designed as GaN transistors. Verfahren zum Laden eines Traktionsnetzes (1) mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei beim Gleichspannungsladen mit einer Ladespannung gleich der Nennspannung der Batterieeinheiten die aktuelle Spannungslage der Batterieeinheiten (2, 3) geprüft wird, wobei die Batterieeinheit (2, 3) mit der höheren Spannungslage zunächst mit den Gleichspannungsladeanschlüssen (7) verbunden wird, wohingegen der positive Spannungsanschluss der Batterieeinheit (3, 2) mit der niedrigeren Spannung mit der Induktivität (L) verbunden wird, wobei die Steuereinheit (8) mindestens eine Halbbrücke (HB) des 3-Level-Wechselrichters (5) als Hochsetzsteller ansteuert, der die Batterieeinheit (3, 2) mit der niedrigeren Spannung solange lädt, bis die Spannungslage der beiden Batterieeinheiten (2, 3) gleich ist, wobei dann die beiden Batterieeinheiten (2, 3) parallel geschaltet werden und der Ladevorgang fortgesetzt wird.Method for loading a traction network (1) with the features of claim 1 , whereby the current voltage level of the battery units (2, 3) is checked during DC voltage charging with a charging voltage equal to the nominal voltage of the battery units, the battery unit (2, 3) with the higher voltage level being first connected to the DC voltage charging connections (7), whereas the positive one is connected Voltage connection of the battery unit (3, 2) with the lower voltage is connected to the inductance (L), the control unit (8) driving at least one half-bridge (HB) of the 3-level inverter (5) as a step-up converter, which the battery unit ( 3, 2) with the lower voltage until the voltage level of the two battery units (2, 3) is the same, in which case the two battery units (2, 3) are connected in parallel and the charging process is continued.
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