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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Betrieb.
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In der gattungsbildenden Schrift
DE 10 2018 000 465 A1 ist ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, umfassend eine Batterie mit zwei unterschiedlichen elektrochemischen Teilbereichen und zwei Inverter, welche jeweils mit einem Teilbereich der Batterie elektrisch koppelbar oder gekoppelt sind, beschrieben. Hierzu umfasst das elektrische Antriebssystem zwei elektrische Drehstrommaschinen, welche mit jeweils einem der Inverter elektrisch koppelbar oder gekoppelt sind, wobei Sternpunkte der elektrischen Drehstrommaschinen mit jeweils einem Ladekontakt eines Gleichstromladeanschlusses des elektrischen Antriebssystems elektrisch koppelbar oder gekoppelt sind.
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Aus der
DE 10 2019 209 786 A1 ist ein System zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers durch ein elektrisches Antriebssystem bekannt. Zur galvanischen Trennung zwischen einer Spannungsquelle und dem aufzuladenden Energiespeicher ist eine induktive Kopplung zwischen Phasenwicklungen beziehungsweise Phasensträngen einer elektrischen Maschine vorgesehen. Hierzu können die Phasenwicklungen der elektrischen Maschine in zwei Gruppen unterteilt sein, wobei jede Gruppe einen separaten Sternpunkt aufweist. Für jeden Sternpunkt ist eine separate Brückenschaltung aus Kondensatoren, Dioden oder Halbleiterschaltern vorgesehen.
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Auch das Dokument
DE 10 2021 003 851 A1 betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit einer elektrischen Drehstrommaschine, einem elektrischen Energiespeicher, einem Wechselrichter der elektrischen Drehstrommaschine und einem Ladeanschluss zum Koppeln des elektrischen Energiespeichers mit einer Ladeeinheit. Eine Schaltvorrichtung weist dabei einen ersten Schaltzustand auf, in welchem der Ladeanschluss mit dem elektrischen Energiespeicher galvanisch verbunden und der Wechselrichter von dem Ladeanschluss und von dem elektrischen Energiespeicher galvanisch getrennt ist. In einen zweiten Schaltzustand der Schaltvorrichtung ist der Ladeanschluss mit dem Wechselrichter und mit dem elektrischen Energiespeicher galvanisch verbunden und in einen dritten Schaltzustand der Schaltvorrichtung ist der Wechselrichter mit dem elektrischen Energiespeicher galvanisch verbunden und der Ladeanschluss von dem elektrischen Energiespeicher und von dem Wechselrichter galvanisch getrennt.
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Des Weiteren sind im Stand der Technik, wie in der
DE 10 2017 009 352 A1 beschrieben, ein Energiekoppler zum elektrischen Koppeln von elektrischen Bordnetzen und ein Verfahren zum elektrischen Koppeln von elektrischen Bordnetzen bekannt. Der Energiekoppler zum elektrischen Koppeln eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten ersten elektrischen Bordnetzes mit einem mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten zweiten elektrischen Bordnetz weist einen ersten und einen zweiten getakteten Energiewandler auf, die jeweils einen Bordnetzanschluss und einen Zwischenkreisanschluss aufweisen. Der Bordnetzanschluss des ersten getakteten Energiewandlers ist an das erste Bordnetz angeschlossen und der Bordnetzanschluss des zweiten getakteten Energiewandlers ist an das zweite Bordnetz angeschlossen. Die Zwischenkreisanschlüsse des ersten und des zweiten getakteten Energiewandlers sind an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen. Ein erstes elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises ist mittels des ersten getakteten Energiewandlers mit einem der elektrischen Potentiale des ersten Bordnetzes elektrisch verbunden. Ein zweites elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises ist mittels des zweiten getakteten Energiewandlers mit einem der elektrischen Potentiale des zweiten Bordnetzes elektrisch verbunden.
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In der
DE 10 2018 009 840 A1 wird eine Schaltungsanordnung für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug beschrieben. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Hochvolt-Batterie zum Speichern von elektrischer Energie, wenigsten eine elektrische Maschine zum Antreiben des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, einen Stromrichter, mittels welchem von der Hochvolt-Batterie bereitstellbare Hochvolt-Gleichspannung in Hochvolt-Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine umwandelbar ist, und einen Ladeanschluss zum Bereitstellen von elektrischer Energie zum Laden der Hochvolt-Batterie. Der Stromrichter ist als ein Drei-Stufen-Stromrichter ausgebildet.
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Aus der
DE 10 2018 009 848 A1 ist eine Schaltungsanordnung für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug bekannt. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Hochvolt-Batterie zum Speichern von elektrischer Energie, wenigstens eine elektrische Maschine zum Antreiben des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, einen Stromrichter, mittels welchem von der Hochvolt-Batterie bereitstellbare Hochvolt-Gleichspannung in Hochvolt-Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine umwandelbar ist, und einen Ladeanschluss zum Bereitstellen von elektrischer Energie zum Laden der Hochvolt-Batterie. Der Stromrichter ist als ein Drei-Stufen-Stromrichter ausgebildet und weist wenigstens eine einer Phase der elektrischen Maschine zugeordnete Schaltereinheit auf, welche zwei in Reihe geschaltete Schaltergruppen umfasst, die jeweils zwei in Reihe geschaltete IGBTs aufweisen, wobei zwischen den IGBTs einer der Schaltergruppen ein Anschluss angeordnet ist, welcher direkt mit einer Leitung des Ladeanschlusses elektrisch verbunden ist.
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In der
DE 10 2019 005 621 A1 wird ein Bordnetz für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug beschrieben. Das Bordnetz umfasst eine Fahrzeugbatterie, eine mehrphasige elektrische Maschine und einen mit der Fahrzeugbatterie elektrisch gekoppelten Wechselrichter, der für jede der Phasen der elektrischen Maschine eine jeweilige Reihenschaltung aus jeweiligen in Reihe geschalteten Schalteinheiten umfasst. Die Schalteinheiten einer jeweiligen der Reihenschaltungen stellen einen jeweiligen Mittelanschluss bereit, an den eine jeweilige Phasenwicklung der elektrischen Maschine angeschlossen ist. Der Wechselrichter ist als 3-Pegel-Wechselrichter ausgebildet, bei dem jede der Schalteinheiten eine Reihenschaltung aus zwei an einem Verbindungspunkt miteinander verbundenen Schaltelementen aufweist. Bei den zwei Schalteinheiten von zumindest einer der Reihenschaltungen ist an den jeweiligen Verbindungspunkten jeweils eine Induktivität mit einem jeweiligen ersten Anschluss angeschlossen. Jeweilige zweite Anschlüsse der Induktivitäten sind mit einem Gleichspannungsladeanschluss des Kraftfahrzeugs elektrisch koppelbar.
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Aus der
DE 10 2018 000 488 A1 werden ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug und ein Verfahren zu dessen Betrieb beschrieben. Das elektrische Antriebssystem umfasst mindestens eine elektrische Drehstrommaschine und eine Batterie zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Drehstrommaschine. Die elektrische Drehstrommaschine ist über einen Inverter mit der Batterie elektrisch koppelbar oder gekoppelt. Ein Sternpunkt der elektrischen Drehstrommaschine ist mit einem Pluspolanschluss eines Gleichstromladeanschlusses des elektrischen Antriebssystems elektrisch koppelbar oder gekoppelt und ein Minuspol der Batterie ist mit einem Minuspolanschluss des Gleichstromladeanschlusses des elektrischen Antriebssystems elektrisch koppelbar oder gekoppelt.
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In der
DE 10 2009 052 680 A1 wird eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines Kraftfahrzeugs mit Tiefsetzsteller beschrieben. Die Ladevorrichtung umfasst eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs und einen Antriebsumrichter, der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie für die elektrische Maschine wandelt. Die elektrische Maschine dient zusammen mit dem Antriebsumrichter für einen Ladebetrieb der Batterie als Hochsetzsteller. Dem Hochsetzsteller ist ein Tiefsetzsteller vorgeschaltet, um eine Eingangsgleichspannung so weit herabzusetzen, dass sie nach dem Hochsetzen durch den Hochsetzsteller eine geeignete Ladespannung für die Batterie darstellt.
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Aus der
DE 10 2018 000 580 A1 ist ein elektrisches Bordnetz mit einem Inverter und mit einem Gleichspannungswandler, welcher ein Energiespeicherelement in einem Minus-Pfad aufweist, bekannt. Das elektrische Bordnetz für ein teilweise oder vollständig elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug umfasst einen elektrischen Inverter, mittels welchem für einen ersten Betriebszustand des Kraftfahrzeugs aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung und für einen zweiten Betriebszustand des Kraftfahrzeugs aus einer Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugbar ist, und zumindest einen galvanisch gekoppelten Gleichspannungswandler, welcher mit dem elektrischen Inverter auf einer Gleichspannungsseite des elektrischen Inverters verschaltet ist. Der zumindest eine Gleichspannungswandler weist ein zu taktendes Energiespeicherelement auf, welches in einem Minus-Pfad des zumindest einen Gleichspanungswandlers verschaltet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Fahrzeug und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Betrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Fahrzeug weist eine elektrische Schaltungsanordnung auf. Diese Schaltungsanordnung umfasst eine Traktionsbatterie, einen elektrischen Anschluss zum elektrischen Koppeln mit einer fahrzeugexternen elektrischen Einheit, ein erstes Hochvoltpotential ein zweites Hochvoltpotential, wobei das erste Hochvoltpotential ein positives Hochvoltpotential ist und das zweite Hochvoltpotential ein negatives Hochvoltpotential ist oder umgekehrt. Unter dem Begriff „Hochvolt“, auch mit HV abgekürzt, ist insbesondere eine elektrische Gleichspannung zu verstehen, die insbesondere größer als etwa 60 V ist. Insbesondere ist der Begriff „Hochvolt“ konform zur Norm ECE R 100 auszulegen.
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Erfindungsgemäß umfasst die Schaltungsanordnung zwei elektrische Antriebseinheiten mit jeweils einem Inverter und einer damit elektrisch gekoppelten elektrischen Drehstrommaschine zum Antrieb des Fahrzeugs. Die Traktionsbatterie ist insbesondere zur elektrischen Energieversorgung dieser Antriebseinheiten zum Antrieb des Fahrzeugs vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist die elektrische Schaltungsanordnung derart ausgebildet, dass die beiden elektrischen Antriebseinheiten zwischen dem elektrischen Anschluss und der Traktionsbatterie derart elektrisch in Reihe schaltbar sind, dass die erste elektrische Antriebseinheit das erste Hochvoltpotential und die zweite elektrische Antriebseinheit das zweite Hochvoltpotential vom elektrischen Anschluss zur Traktionsbatterie erhöht. In umgekehrte Richtung, d. h. von der Traktionsbatterie zum elektrischen Anschluss, reduziert entsprechend die erste elektrische Antriebseinheit das erste Hochvoltpotential und die zweite elektrische Antriebseinheit das zweite Hochvoltpotential. Die erfindungsgemäße Lösung stellt somit zwischen dem elektrischen Anschluss und der Traktionsbatterie einen durch die beiden elektrischen Antriebseinheiten, d. h. durch deren beschriebene Verschaltung, gebildeten und auf die beschriebene Weise arbeitenden Gleichspannungswandler bereit. Die Begriffe Erhöhen und Reduzieren beziehen sich dabei jeweils auf einen Absolutbetrag einer jeweiligen Potentialspannung zu einem Bezugspotential, insbesondere Massepotential, d. h. ohne Berücksichtigung von Vorzeichen.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird es somit ermöglicht, die ohnehin bereits im Fahrzeug vorhandenen elektrischen Antriebseinheiten als Gleichspannungswandler zu verwenden und somit einem zusätzlichen Verwendungszweck zuzuführen. Es wird dadurch insbesondere ermöglicht, die Traktionsbatterie durch eine mit dem elektrischen Anschluss elektrisch gekoppelte als Gleichstromladestation ausgebildete fahrzeugexterne elektrische Einheit zu laden, deren Ladespannung geringer ist als eine Nennspannung der Traktionsbatterie. Des Weiteren wird ebenso eine entgegengesetzte Energieversorgung ermöglicht, auch als Buck-Betrieb bezeichnet. Hierbei wird elektrische Energie durch die Traktionsbatterie an eine mit dem elektrischen Anschluss elektrisch gekoppelte fahrzeugexterne elektrische Einheit bereitgestellt, beispielsweise zum Einspeisen elektrischer Energie der Traktionsbatterie, insbesondere über eine mit dem elektrischen Anschluss elektrisch gekoppelte Gleichstromladestation, in ein öffentliches Energieversorgungsnetz oder in ein Energieversorgungsnetz eines Gebäudes. Diese Energieversorgung in beide Richtungen wird auch als bidirektionales Laden bezeichnet. Durch die erfindungsgemäße Lösung muss hierfür kein zusätzlicher Gleichspannungswandler im Fahrzeug vorgesehen werden, wodurch entsprechend eine Bauraum-, Gewichts- und Kosteneinsparung erreicht wird. Auch andere Lösungen, um das Laden der Traktionsbatterie mit einer geringeren Ladespannung zu ermöglichen, beispielsweise eine Ausgestaltung der Traktionsbatterie als Umschaltbatterie, um das Laden durch eine geänderte Schaltung von Batteriemodulen der Traktionsbatterie zu ermöglichen, sind durch die erfindungsgemäße Lösung nicht erforderlich.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb des Fahrzeugs ist entsprechend vorgesehen, dass für das Laden der Traktionsbatterie durch eine mit dem elektrischen Anschluss elektrisch gekoppelte als Gleichstromladestation ausgebildete fahrzeugexterne elektrische Einheit, deren Ladespannung geringer ist als die Nennspannung der Traktionsbatterie, und/oder für die Bereitstellung elektrischer Energie durch die Traktionsbatterie an eine mit dem elektrischen Anschluss elektrisch gekoppelte fahrzeugexterne elektrische Einheit die beiden elektrischen Antriebseinheiten zwischen dem elektrischen Anschluss und der Traktionsbatterie elektrisch in Reihe geschaltet werden.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird es beispielsweise ermöglicht, eine 800V-Traktionsbatterie an einer Gleichstromladestation mit einer Ladespannung von beispielsweise 400V oder 500V zu laden.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht zudem eine Erfüllung von Sicherheitsanforderungen hinsichtlich einer Überlastung einer Isolation in der Gleichstromladestation, eine uneingeschränkte Funktion eines Isolationswächters und eine Abschaltung eines durch einen Isolationsfehler im Fahrzeug verursachten entstehenden Kurzschlusses der Traktionsbatterie.
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Erfindungsgemäß weisen die Inverter jeweils einen Kondensator zwischen einer Potentialleitung des ersten Hochvoltpotentials und einer Potentialleitung des zweiten Hochvoltpotentials auf. Die Schaltungsanordnung ist dabei derart ausgebildet, dass die zweite elektrische Antriebseinheit mit dem Kondensatoranschluss der ersten elektrischen Antriebseinheit elektrisch in Reihe schaltbar ist.
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In einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine der Potentialleitungen des Inverters der zweiten elektrischen Antriebseinheit mit einem das gleiche Hochvoltpotential aufweisenden Kondensatoranschlusskontakt des Kondensatoranschlusses des Inverters der ersten elektrischen Antriebseinheit elektrisch verbunden ist. Um die oben beschriebene elektrische Reihenschaltung der beiden Antriebseinheiten zu ermöglichen, ist dann beispielsweise vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung derart ausgebildet ist, dass ein Sternpunkt der elektrischen Drehstrommaschine der zweiten elektrischen Antriebseinheit mit dem anderen Kondensatoranschlusskontakt des Kondensatoranschlusses des Inverters der ersten elektrischen Antriebseinheit elektrisch verbindbar ist, die mit diesem Kondensatoranschlusskontakt elektrisch verbundene Potentialleitung dieses Inverters mit einem das gleiche Hochvoltpotential aufweisenden Anschlusskontakt des elektrischen Anschlusses elektrisch verbindbar ist und ein Sternpunkt der elektrischen Drehstrommaschine der ersten elektrischen Antriebseinheit mit dem anderen Anschlusskontakt des elektrischen Anschlusses elektrisch verbindbar ist. Alternativ ist, um die oben beschriebene elektrische Reihenschaltung der beiden Antriebseinheiten zu ermöglichen, beispielsweise vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung derart ausgebildet ist, dass ein Wicklungsanschluss der elektrischen Drehstrommaschine der zweiten elektrischen Antriebseinheit mit dem anderen Kondensatoranschlusskontakt des Kondensatoranschlusses des Inverters der ersten elektrischen Antriebseinheit elektrisch verbindbar ist, die mit diesem Kondensatoranschlusskontakt elektrisch verbundene Potentialleitung dieses Inverters mit einem das gleiche Hochvoltpotential aufweisenden Anschlusskontakt des elektrischen Anschlusses elektrisch verbindbar ist und ein Wicklungsanschluss der elektrischen Drehstrommaschine der ersten elektrischen Antriebseinheit mit dem anderen Anschlusskontakt des elektrischen Anschlusses elektrisch verbindbar ist.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Traktionsbatterie mit dem Kondensatoranschluss der zweiten elektrischen Antriebseinheit elektrisch verbunden ist. Insbesondere um die Grundfunktion der elektrischen Antriebseinheiten, d. h. den Antrieb des Fahrzeugs, weiterhin zu ermöglichen, ist des Weiteren vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung derart ausgebildet ist, dass die Traktionsbatterie mit dem Kondensatoranschluss der ersten elektrischen Antriebseinheit elektrisch verbindbar ist. Dadurch sind die beiden elektrischen Antriebseinheiten durch die Traktionsbatterie mit elektrischer Energie versorgbar. Im Verfahren zum Betrieb des Fahrzeugs ist daher vorgesehen, dass für einen Fahrbetrieb des Fahrzeugs beide Inverter jeweils direkt mit der Traktionsbatterie verbunden werden.
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In einer möglichen Ausführungsform des Fahrzeugs ist vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung derart ausgebildet ist, dass der elektrische Anschluss direkt mit der Traktionsbatterie elektrisch verbindbar ist. Dadurch wird auch ein Laden der Traktionsbatterie durch eine mit dem elektrischen Anschluss elektrisch gekoppelte als Gleichstromladestation ausgebildete fahrzeugexterne elektrische Einheit ermöglicht, deren Ladespannung mindestens so groß ist wie die Nennspannung der Traktionsbatterie. Im Verfahren zum Betrieb des Fahrzeugs ist entsprechend vorgesehen, dass für das Laden der Traktionsbatterie durch eine mit dem elektrischen Anschluss elektrisch gekoppelte als Gleichstromladestation ausgebildete fahrzeugexterne elektrische Einheit, deren Ladespannung mindestens so groß ist wie die Nennspannung der Traktionsbatterie, der elektrische Anschluss direkt mit der Traktionsbatterie elektrisch verbunden wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine Ausführungsform eines Fahrzeugs mit einer Schalteinrichtung,
- 2 schematisch einen Aufbau des Stroms in der Schalteinrichtung gemäß 1 in einem Ladebetrieb,
- 3 schematisch einen Freilauf des Stroms in der Schalteinrichtung gemäß 1 in einem Ladebetrieb,
- 4 schematisch einen Aufbau des Stroms in der Schalteinrichtung gemäß 1 in einem Buck-Betrieb,
- 5 schematisch einen Freilauf des Stroms in der Schalteinrichtung gemäß 1 in einem Buck-Betrieb,
- 6 schematisch eine weitere Ausführungsform eines Fahrzeugs mit einer Schalteinrichtung,
- 7 schematisch einen Aufbau des Stroms in der Schalteinrichtung gemäß 6 in einem Ladebetrieb,
- 8 schematisch einen Freilauf des Stroms in der Schalteinrichtung gemäß 6 in einem Ladebetrieb,
- 9 schematisch einen Aufbau des Stroms in der Schalteinrichtung gemäß 6 in einem Buck-Betrieb,
- 10 schematisch einen Freilauf des Stroms in der Schalteinrichtung gemäß 6 in einem Buck-Betrieb,
- 11 schematisch ein Beispiel einer Gleichspannungswandlung mittels der Schalteinrichtung,
- 12 schematisch ein weiteres Beispiel einer Gleichspannungswandlung mittels der Schalteinrichtung,
- 13 schematisch ein weiteres Beispiel einer Gleichspannungswandlung mittels der Schalteinrichtung,
- 14 schematisch die Ausführungsform gemäß 1 bei einem Kurzschluss im Fahrzeug, und
- 15 schematisch die Ausführungsform gemäß 6 bei einem Kurzschluss im Fahrzeug.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 und 6 zeigen beispielhaft zwei Ausführungsformen eines Fahrzeugs 1 mit einer elektrischen Schaltungsanordnung 2. Das Fahrzeug 1 ist dabei in beiden dargestellten Ausführungsformen mit einer als eine Gleichstromladestation ausgebildeten fahrzeugexternen elektrischen Einheit 3 elektrisch gekoppelt. Dargestellt ist hier auch jeweils ein Innenwiderstand Rg der Gleichstromladestation.
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Die Schaltungsanordnung 2 umfasst eine Traktionsbatterie 4, wobei hier auch jeweils ein Innenwiderstand Rb der Traktionsbatterie 4 dargestellt ist, und des Weiteren einen elektrischen Anschluss 5 zum elektrischen Koppeln mit der fahrzeugexternen elektrischen Einheit 3, ein erstes Hochvoltpotential P1 und ein zweites Hochvoltpotential P2. In den dargestellten Ausführungsformen ist das erste Hochvoltpotential P1 ein positives Hochvoltpotential und das zweite Hochvoltpotential P2 ein negatives Hochvoltpotential. In anderen Ausführungsformen kann dies auch umgekehrt sein.
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Die Schaltungsanordnung 2 umfasst des Weiteren zwei elektrische Antriebseinheiten A1, A2 mit jeweils einem Inverter I1, I2 und einer damit elektrisch gekoppelten elektrischen Drehstrommaschine M1, M2 zum Antrieb des Fahrzeugs 1.
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In beiden Ausführungsformen ist die Schaltungsanordnung 2 derart ausgebildet, dass die beiden elektrischen Antriebseinheiten A1, A2 zwischen dem elektrischen Anschluss 5 und der Traktionsbatterie 4 derart elektrisch in Reihe schaltbar sind, dass die erste elektrische Antriebseinheit A1 das erste Hochvoltpotential P1 und die zweite elektrische Antriebseinheit A2 das zweite Hochvoltpotential P2 vom elektrischen Anschluss 5 zur Traktionsbatterie 4 erhöht bzw. in entgegengesetzter Richtung reduziert. Durch diese Lösung wird durch die auf diese Weise verschalteten Antriebseinheiten A1, A2 ein Gleichspannungswandler ausgebildet, welcher ein so genanntes bidirektionales Laden ermöglicht, d. h. in die eine Richtung das Laden der Traktionsbatterie 4 durch eine mit dem elektrischen Anschluss 5 elektrisch gekoppelte als Gleichstromladestation ausgebildete fahrzeugexterne elektrische Einheit 3, deren Ladespannung geringer ist als eine Nennspannung der Traktionsbatterie 4, und in die andere Richtung eine Bereitstellung elektrischer Energie durch die Traktionsbatterie 4 an eine mit dem elektrischen Anschluss 5 elektrisch gekoppelte fahrzeugexterne elektrische Einheit 3.
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Die Inverter I1, I2 weisen jeweils eine Inverterschaltung IS1, IS2 auf, umfassend insbesondere mehrere Inverterschalteinheiten IE1 bis IE12, insbesondere Halbleiterschalteinheiten, insbesondere Transistoren, insbesondere Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, insbesondere in Kombination mit jeweils einer insbesondere als Freilauf-Bodydiode ausgebildeten Diode, wie hier dargestellt. Die Inverterschaltung IS1, IS2 ist insbesondere zwischen einer Potentialleitung PL1 des ersten Hochvoltpotentials P1 und einer Potentialleitung PL2 des zweiten Hochvoltpotentials P2 des jeweiligen Inverters I1, I2 angeordnet. Die Drehstrommaschine M1, M2 der jeweiligen Antriebseinheit A1, A2 weist drei Motorwicklungen U1, V1, W1, U2, V2, W2 in einer Sternschaltung auf, welche mit dem Inverter 11, 12 der Antriebseinheit A1, A2 auf die dargestellte Weise gekoppelt sind.
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Die Inverter I1, I2 weisen des Weiteren jeweils einen Kondensator C1, C2 zwischen ihren beiden Potentialleitungen PL1, PL2 auf. Für die oben beschriebene elektrische Reihenschaltung der beiden Antriebseinheiten A1, A2 ist die Schaltungsanordnung 2 derart ausgebildet, dass die zweite elektrische Antriebseinheit A2 mit dem Kondensatoranschluss der ersten elektrischen Antriebseinheit A1 elektrisch in Reihe schaltbar ist. Hierfür ist eine der Potentialleitungen, hier die erste Potentialleitung PL1, des Inverters I2 der zweiten elektrischen Antriebseinheit A2 mit einem das gleiche Hochvoltpotential, hier das erste Hochvoltpotential P1, aufweisenden Kondensatoranschlusskontakt des Kondensatoranschlusses des Inverters I1 der ersten elektrischen Antriebseinheit A1 elektrisch verbunden.
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Des Weiteren ist in der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform die Schaltungsanordnung 2 derart ausgebildet, dass ein Sternpunkt SP2 der elektrischen Drehstrommaschine M2 der zweiten elektrischen Antriebseinheit A2 mit dem anderen Kondensatoranschlusskontakt des Kondensatoranschlusses des Inverters I1 der ersten elektrischen Antriebseinheit A1 elektrisch verbindbar ist, hier durch Schließen eines ersten Schalters S1, die mit diesem Kondensatoranschlusskontakt elektrisch verbundene Potentialleitung PL2 dieses Inverters I1 mit einem das gleiche Hochvoltpotential P2 aufweisenden Anschlusskontakt des elektrischen Anschlusses 5 elektrisch verbindbar ist, hier durch Schließen eines zweiten Schalters S2, und ein Sternpunkt SP1 der elektrischen Drehstrommaschine M1 der ersten elektrischen Antriebseinheit A1 mit dem anderen Anschlusskontakt des elektrischen Anschlusses 5 elektrisch verbindbar ist, hier durch Schließen eines dritten Schalters S3.
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In der in 6 dargestellten anderen Ausführungsform ist alternativ vorgesehen, dass ein Wicklungsanschluss der elektrischen Drehstrommaschine M2 der zweiten elektrischen Antriebseinheit A2 mit dem anderen Kondensatoranschlusskontakt des Kondensatoranschlusses des Inverters I1 der ersten elektrischen Antriebseinheit A1 elektrisch verbindbar ist, hier durch Schließen des ersten Schalters S1, die mit diesem Kondensatoranschlusskontakt elektrisch verbundene Potentialleitung PL2 dieses Inverters I1 mit dem das gleiche Hochvoltpotential P2 aufweisenden Anschlusskontakt des elektrischen Anschlusses 5 elektrisch verbindbar ist, hier durch Schließen des zweiten Schalters S2, und ein Wicklungsanschluss der elektrischen Drehstrommaschine M1 der ersten elektrischen Antriebseinheit A1 mit dem anderen Anschlusskontakt des elektrischen Anschlusses 5 elektrisch verbindbar ist, hier durch Schließen des dritten Schalters S3.
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Zudem ist in beiden Ausführungsformen vorgesehen, dass die Traktionsbatterie 4 mit dem Kondensatoranschluss der zweiten elektrischen Antriebseinheit A2 elektrisch verbunden ist. Dadurch werden einerseits das oben beschriebene Laden der Traktionsbatterie 4 und andererseits ein Fahrbetrieb des Fahrzeugs 1 ermöglicht. Zur Durchführung des Fahrbetriebs ist zudem vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung 2 derart ausgebildet ist, dass die Traktionsbatterie 4 mit dem Kondensatoranschluss der ersten elektrischen Antriebseinheit A1 elektrisch verbindbar ist, hier durch Schließen eines vierten Schalters S4, durch welchen in den dargestellten Beispielen die zweite Potentialleitung PL2 des Inverters I1 der ersten elektrischen Antriebseinheit A1 mit dem zweiten Hochvoltpotential P2 der Traktionsbatterie 4 verbunden wird.
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Die Schaltungsanordnung 2 ermöglicht zudem ein Laden der Traktionsbatterie 4 durch eine mit dem elektrischen Anschluss 5 elektrisch gekoppelte als Gleichstromladestation ausgebildete fahrzeugexterne elektrische Einheit 3, deren Ladespannung mindestens so groß ist wie die Nennspannung der Traktionsbatterie 4. Hierfür ist vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung 2 derart ausgebildet ist, dass der elektrische Anschluss 5 direkt mit der Traktionsbatterie 4 elektrisch verbindbar ist, in den beiden Ausführungsformen durch Schließen eines fünften und sechsten Schalters S5, S6, wodurch die Hochvoltpotentiale P1, P2 von Traktionsbatterie 4 und fahrzeugexterner elektrischer Einheit 3 durch entsprechende durchgehende Potentialleitungen PL1, PL2 direkt miteinander verbunden sind.
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Die Schalter S1 bis S6 sind beispielsweise jeweils als Schütz ausgebildet.
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Bei den beiden Ausführungsformen gemäß den 1 und 6 können zusätzlich noch hier nicht dargestellte EMV-Ausgangsfilter (EMV = Elektromagnetische Verträglichkeit) vom Fahrzeug 1 zur Gleichstromladestation vorgesehen sein.
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Für das Laden der Traktionsbatterie 4 durch eine mit dem elektrischen Anschluss 5 elektrisch gekoppelte als Gleichstromladestation ausgebildete fahrzeugexterne elektrische Einheit 3, deren Ladespannung geringer ist als die Nennspannung der Traktionsbatterie 4, und/oder für die Bereitstellung elektrischer Energie durch die Traktionsbatterie 4 an eine mit dem elektrischen Anschluss 5 elektrisch gekoppelte fahrzeugexterne elektrische Einheit 3 werden die beiden elektrischen Antriebseinheiten A1, A2 zwischen dem elektrischen Anschluss 5 und der Traktionsbatterie 4 elektrisch in Reihe geschaltet. Hierfür werden in den dargestellten Ausführungsformen gemäß den 1 und 6 die Schalter S1, S2 und S3 geschlossen und die Schalter S4, S5 und S6 geöffnet.
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Für das Laden der Traktionsbatterie 4 durch eine mit dem elektrischen Anschluss 5 elektrisch gekoppelte als Gleichstromladestation ausgebildete fahrzeugexterne elektrische Einheit 3, deren Ladespannung mindestens so groß ist wie die Nennspannung der Traktionsbatterie 4, wird der elektrische Anschluss 5 direkt mit der Traktionsbatterie 4 elektrisch verbunden. Hierfür werden in den dargestellten Ausführungsformen gemäß den 1 und 6 die Schalter S5 und S6 geschlossen. Die Schaltstellung der anderen Schalter S1 bis S4 ist hierbei unerheblich, d. h. sie können jeweils geöffnet oder geschlossen sein.
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Für den Fahrbetrieb des Fahrzeugs 1 werden beide Inverter I1, I2 jeweils direkt mit der Traktionsbatterie 4 verbunden. Hierfür wird in den dargestellten Ausführungsformen gemäß den 1 und 6 der Schalter S4 geschlossen und die anderen Schalter S1, S2, S3, S5, S6 werden geöffnet.
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Die 2 und 7 zeigen für die jeweilige Ausführungsform gemäß 1 bzw. 6 für das Laden der Traktionsbatterie 4 durch eine mit dem elektrischen Anschluss 5 elektrisch gekoppelte als Gleichstromladestation ausgebildete fahrzeugexterne elektrische Einheit 3, deren Ladespannung geringer ist als die Nennspannung der Traktionsbatterie 4, einen Aufbau AB1 des Stroms in den Motorwicklungen U1, V1, W1 der ersten elektrischen Antriebseinheit A1 mittels durchgezogener Pfeile und einen Aufbau AB2 des Stroms in den Motorwicklungen U2, V2, W2 der zweiten elektrischen Antriebseinheit A2 mittels gestrichelter Pfeile.
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Die 3 und 8 zeigen für die jeweilige Ausführungsform gemäß 1 bzw. 6 für das Laden der Traktionsbatterie 4 durch eine mit dem elektrischen Anschluss 5 elektrisch gekoppelte als Gleichstromladestation ausgebildete fahrzeugexterne elektrische Einheit 3, deren Ladespannung geringer ist als die Nennspannung der Traktionsbatterie 4, einen Freilauf FL1 des Stroms in den Motorwicklungen U1, V1, W1 der ersten elektrischen Antriebseinheit A1 mittels durchgezogener Pfeile und einen Freilauf FL2 des Stroms in den Motorwicklungen U2, V2, W2 der zweiten elektrischen Antriebseinheit A2 mittels gestrichelter Pfeile.
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Die 4 und 9 zeigen für die jeweilige Ausführungsform gemäß 1 bzw. 6 für die Bereitstellung elektrischer Energie durch die Traktionsbatterie 4 an eine mit dem elektrischen Anschluss 5 elektrisch gekoppelte fahrzeugexterne elektrische Einheit 3 den Aufbau AB1 des Stroms in den Motorwicklungen U1, V1, W1 der ersten elektrischen Antriebseinheit A1 mittels durchgezogener Pfeile und den Aufbau AB2 des Stroms in den Motorwicklungen U2, V2, W2 der zweiten elektrischen Antriebseinheit A2 mittels gestrichelter Pfeile.
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Die 5 und 10 zeigen für die jeweilige Ausführungsform gemäß 1 bzw. 6 für die Bereitstellung elektrischer Energie durch die Traktionsbatterie 4 an eine mit dem elektrischen Anschluss 5 elektrisch gekoppelte fahrzeugexterne elektrische Einheit 3 den Freilauf FL1 des Stroms in den Motorwicklungen U1, V1, W1 der ersten elektrischen Antriebseinheit A1 mittels durchgezogener Pfeile und den Freilauf FL2 des Stroms in den Motorwicklungen U2, V2, W2 der zweiten elektrischen Antriebseinheit A2 mittels gestrichelter Pfeile.
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Durch die beschriebene Lösung werden zudem Nachteile eines galvanisch gekoppelten Gleichspannungswandlers vermieden, denn dieser bewirkt eine Potentialverschiebung in nur einem Hochvoltpotential P1, P2, während das andere Hochvoltpotential P2, P1 von der Gleichstromladestation zum Fahrzeug 1 durchverbunden ist. Dies kann während des Ladevorgangs zu einer Überlastung der Isolation führen. Auslöser kann eine unsymmetrische Isolationswiderstandsverteilung in der Gleichstromladestation und/oder im Fahrzeug 1 sein. Zudem führt auch ein Isolationswächter zu einer Potentialverschiebung, die zu einer Isolationsüberlastung in der Gleichstromladestation führen kann.
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Im Gegensatz dazu kann bei der hier beschriebenen Lösung die Potentialverschiebung beider Potentiale P1, P2 gesteuert werden, wie in den 11 bis 13 beispielhaft gezeigt. Hier ist jeweils das Laden der Traktionsbatterie 4 mit einer Nennspannung von 800V an einer Gleichstromladestation mit einer Ladespannung von 400V gezeigt. Dargestellt sind jeweils die beiden Potentiale P1, P2 von der Gleichstromladestation links zur Traktionsbatterie 4 rechts und ein Bezugspotential M, insbesondere Massepotential, mit 0V.
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Im Beispiel gemäß 11 führt die Potentialverteilung im Fahrzeug 1 nicht zu einer Überlastung der Isolation an der schwächer isolierten Gleichstromladestation. Die Antriebseinheiten A1, A2 sind daher frei in der Wahl des Übersetzungsverhältnisses.
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Im Beispiel gemäß 12 würde die Potentialverteilung im Fahrzeug 1 zu einer Überlastung der Isolation an der schwächer isolierten Gleichstromladestation im ersten Hochvoltpotential P1 führen. Daher erhöht die zweite Antriebseinheit A2 das zweite Hochvoltpotential P2 mit einem geringeren Übersetzungsverhältnis oder ist passiv durchgeschaltet, wie hier dargestellt. Die erste Antriebseinheit A1 erhöht das erste Hochvoltpotential P1 in einem höheren Übersetzungsverhältnis.
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Im Beispiel gemäß 13 würde die Potentialverteilung im Fahrzeug 1 zu einer Überlastung der Isolation an der schwächer isolierten Gleichstromladestation im zweiten Hochvoltpotential P2 führen. Daher erhöht die erste Antriebseinheit A1 das erste Hochvoltpotential P1 mit einem geringeren Übersetzungsverhältnis oder ist passiv durchgeschaltet, wie hier dargestellt. Die zweite Antriebseinheit A2 erhöht das zweite Hochvoltpotential P2 in einem höheren Übersetzungsverhältnis.
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Die Reaktion der Schaltungsanordnung 2, insbesondere der beiden auf die oben beschriebene Weise elektrisch in Reihe geschalteten Antriebseinheiten A1, A2, auf eine unsymmetrische Potentialverteilung kann beispielsweise erfolgen wie in der
DE 10 2017 009 352 A1 beschrieben, insbesondere durch eine Steuerung und/oder Regelung der Inverter I1, I2, insbesondere von deren Inverterschaltungen IS1, IS2.
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Die Einhaltung der Isolationsfestigkeit in der Ladesäule ist gegeben für den oben beschriebenen Ladebetrieb, insbesondere bei einer dabei erfolgenden Potentialverschiebung durch Isolationswächter, sowie bei unsymmetrischen Isolationswiderständen und/oder bei langsam eintretenden Isolationsfehlern.
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Die Kompatibilität mit dem Isolationswächter ist sichergestellt beispielsweise gemäß dem Verfahren, das in folgender Veröffentlichung beschrieben wird: PCIM 2021, Quasi-Isolated HV/HV-DC/DC-Converter for Electric Driven Vehicles with Multiple High-Voltage Levels, Andre Haspel, Urs Böhme, Mercedes-Benz AG, Germany.
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Ein weiterer Nachteil eines galvanisch gekoppelten Gleichspannungswandlers, welches durch die beschriebene Lösung vermieden wird, ist, dass bei dem galvanisch gekoppelten Gleichspannungswandler im Falle eines Isolationsfehlers im Fahrzeug 1 als direkte Folge ein weiterer Isolationsfehler im gegengesetzten Hochvoltpotential P2, P1 auf Seiten der Gleichstromladestation eintreten kann. Dadurch wird ein Kurzschluss der Traktionsbatterie 4 erzeugt, der im so genannten CHAdeMO-Ladestandard zu einer Zerstörung einer Massepotentialleitung ML in einem Ladekabel 6 führen wird, mittels welchem der elektrische Anschluss 5 des Fahrzeugs 1 mit der Gleichstromladestation elektrisch gekoppelt ist, denn diese Massepotentialleitung ML im Ladekabel 6 ist nur sehr dünn ausgeführt.
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14 zeigt die Lösung dieses Problems mit der Ausführungsform gemäß 1 und 15 mit der Ausführungsform gemäß 6. Dargestellt ist jeweils das Fahrzeug 1, hier insbesondere ein Chassis 7 des Fahrzeugs 1, mit der Schaltungsanordnung 2 und die als Gleichstromladestation ausgebildete fahrzeugexterne Einheit 3, hier insbesondere mit einem Metallgehäuse 8. Die Gleichstromladestation weist beispielsweise eine Auslegungsspannung und/oder Ladespannung von 500V auf. Die Traktionsbatterie 4 weist beispielsweise eine Nennspannung von 800V auf.
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Es tritt ein Isolationsfehler F1 im Fahrzeug 1 auf. Als direkte Folge und einer damit resultierenden Überlastung der Isolation in der Gleichstromladestation aufgrund der anliegenden Spannung von 800V der Traktionsbatterie 4 tritt hier ebenfalls ein Isolationsfehler F2 auf. Mittels Pfeilen ist der dadurch aufkommende Batteriekurzschlussstrom KS dargestellt.
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Dargestellt ist hier jeweils ein kritischer Betriebszustand während des Buck-Betriebs, d. h. während der Einspeisung elektrischer Energie von der Traktionsbatterie 4 in die als Gleichstromladestation ausgebildete fahrzeugexterne elektrische Einheit 3, beispielsweise zum Einspeisen in das öffentliche Energieversorgungsnetz. Der Isolationsfehler F1 im Fahrzeug 1 liegt vom ersten Hochvoltpotential P1 zum Bezugspotential M, insbesondere Massepotential, vor, d. h. insbesondere zum Chassis 7 des Fahrzeugs 1. Der Kurzschlussstromanstieg wird dann durch die Motorwicklungen U2, V2 und W2 der zweiten Antriebseinheit A2 verlangsamt, so dass einem Überwachungssystem, beispielsweise mittels Strommessung und/oder Spannungsmessung genügend Zeit bleibt, den Fehlerfall zu erkennen, ohne dass eine Überlastung/Zerstörung der Massepotentialleitung ML im Ladekabel 6, der Gleichstromladestation oder von Teilen des Fahrzeugs 1 eingetreten ist. Der Buck-Betrieb ist zu stoppen durch ein Öffnen der insbesondere als Halbleiterschalteinheiten ausgebildeten Inverterschalteinheiten IE8, IE10, IE12. Der eingeprägte Strom in den Motorwicklungen U2, V2 und W2 wird über die Freilauf-Bodydioden der Inverterschalteinheiten IE7, IE9, IE11 weitergeführt und die Energie der Induktivitäten, inklusive der Induktivität der Zuleitungen, wird im Kondensator C1 umgeladen. Im Anschluss ist der Kurzschlussstrom komplett zu 0A abgebaut.
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Ein Isolationsfehler vom zweiten Hochvoltpotential P2 HV- zum Bezugspotential M, insbesondere Massepotential, im Fahrzeug 1 würde entsprechend zu einer Überlastung des ersten Hochvoltpotentials P1 zum Bezugspotential M, insbesondere Massepotential, in der Gleichstromladestation führen. Auch dieser Strom kann nach dem gleichen Prinzip unterbrochen werden, wobei dann die entsprechenden Bauteile der ersten Antriebseinheit A1 betroffen sind.
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Eine Reaktionsmöglichkeit auf einen entstehenden Kurzschluss aufgrund eines Isolationsfehlers F1 im Fahrzeug 1 ist somit gegeben durch die Verlangsamung des Stromanstiegs durch die Motorinduktivitäten. Dadurch entsteht genügend Zeit zur eindeutigen Erkennung des Fehlerfalls und zum Unterbrechen des Stromflusses. Der eingeprägte Strom in den Motorinduktivitäten kann über Freilauf-/Bodydioden auf eine Kapazität umgeladen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Schaltungsanordnung
- 3
- fahrzeugexterne elektrische Einheit
- 4
- Traktionsbatterie
- 5
- Anschluss
- 6
- Ladekabel
- 7
- Chassis
- 8
- Metallgehäuse
- A1, A2
- Antriebseinheit
- AB1, AB2
- Aufbau Strom
- C1, C2
- Kondensator
- F1, F2
- Isolationsfehler
- FL1, FL2
- Freilauf Strom
- I1, I2
- Inverter
- IE1 bis IE12
- Inverterschalteinheit
- IS1, IS2
- Inverterschaltung
- KS
- Batteriekurzschlussstrom
- M
- Bezugspotential
- M1, M2
- Drehstrommaschine
- ML
- Massepotentialleitung
- P1, P2
- Hochvoltpotential
- PL1, PL2
- Potentialleitung
- Rb
- Innenwiderstand Traktionsbatterie
- Rg
- Innenwiderstand Gleichstromladestation
- S1 bis S6
- Schalter
- SP1, SP2
- Sternpunkt
- U1, V1, W1
- Motorwicklung
- U2, V2, W2
- Motorwicklung
