DE102022202154B3 - Traktionsnetz für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Traktionsnetz (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Traktionsnetz (1) mindestens eine Hochvoltbatterie (2), einen Wechselrichter (6), eine Elektromaschine (7), einen Gleichspannungsladeanschluss (11) und einen Wechselspannungsladeanschluss aufweist, wobei zwischen dem Wechselspannungsladeanschluss und der Hochvoltbatterie (2) ein Gleichrichter (8) und ein DC/DC-Wandler (9) angeordnet sind, wobei zwischen der Hochvoltbatterie (2) und dem Wechselrichter (6) ein DC/DC-Wandler (5) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Traktionsnetz für ein Kraftfahrzeug.
  • 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.
  • Weiter besteht häufig der Wunsch, dass auch ein Laden mit Wechselspannung möglich ist. In diesem Fall ist zwischen dem Wechselspannungsladeanschluss und der Hochvoltbatterie ein Gleichrichter angeordnet, der die Wechselspannung in eine Gleichspannung wandelt. Dabei kann zusätzlich ein DC/DC-Wandler vorgesehen sein, der die gleichgerichtete Spannung an das Spannungsniveau der Hochvoltbatterie anpasst.
  • Aus der DE 10 2019 106 485 A1 ist eine Weissach-Gleichrichteranordnung bekannt, die sich an verschiedene Konfigurationen auf der Wechselspannungsladeseite anpassen lässt.
  • Aus der DE 10 2019 209 654 A1 ist ein gattungsgemäßes Traktionsnetz bekannt. Ähnliche Traktionsnetze sind aus der DE 10 2015 219 863 A1 sowie der DE 10 2015 207 413 A1 bekannt.
  • Aus der DE 10 2019 117 345 A1 ist eine Hochvoltbatterie bekannt, die zwei Batterieeinheiten aufweist, wobei durch Schalteinheiten die beiden Batterieeinheiten parallel oder in Reihe geschaltet werden können.
  • Aus der DE 10 2019 207 045 A1 ist ein Halbleitermodul für eine Stromrichteranordnung bekannt, umfassend einen ersten Modulteil und einen zweiten Modulteil. Der erste Modulteil umfasst einen Multi-Level-Phasenzweig eines Antriebsumrichters. Der zweite Modulteil umfasst) einen Multi-Level-Wandlerzweig eines Gleichspannungswandlers. Die beiden Modulteile weisen einen gemeinsamen Highside- und Lowside-Abgriff auf, wobei der erste Modulteil ferner einen ersten Mittenabgriff und einen Phasenabgriff aufweist, wobei der zweite Modulteil einen zweiten Mittenabgriff aufweist. Weiter weisen die beiden Modulteile jeweils Zwischenabgriffe auf.
  • Aus der Dissertation „KRUG, D.: Vergleichende Untersuchungen von Mehrpunkt-Schaltungstopologien mit zentralem Gleichspannungszwischenkreis für Mittelspannungsanwendungen. 2016, htpps://d-nb.info/1123291275/34 [online]“ sowie der Präsentation „Dipl.-Ing. WUNDER, B.: Ladetechniken für Elektrofahrzeuge. 1. Februar 2018, https://www.bs1.de/images/Technikerschule/Dowmload/02_2018-01-17-Ladetechniken_f%C3BCr_EV_- BW_- final_dt.pdf [online),-“ sind 3L-Wechselrichter bekannt.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Traktionsnetz zu schaffen, bei dem die Arbeitspunkteinstellung der Elektromasche verbessert ist.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Traktionsnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu weist das Traktionsnetz für ein Kraftfahrzeug mindestens eine Hochvoltbatterie, einen Wechselrichter, eine Elektromaschine, einen Gleichspannungsladeanschluss und einen Wechselspannungsladeanschluss auf, wobei zwischen dem Wechselspannungsladeanschluss und der Hochvoltbatterie ein Gleichrichter und ein DC/DC-Wandler angeordnet ist, wobei zwischen der Hochvoltbatterie und dem Wechselrichter ein DC/DC-Wandler angeordnet ist. Dieser DC/DC-Wandler erlaubt das Betreiben der Elektromaschine in optimierten Arbeitspunkten unabhängig vom aktuellen Spannungsniveau der Hochvoltbatterie. Dabei kann die Optimierung z.B. in Bezug auf den Wirkungsgrad oder auf die Antriebsleistung erfolgen.
  • Dabei ist der DC/DC-Wandler zwischen dem Wechselspannungsanschluss und der Hochvoltbatterie und der DC/DC-Wandler zwischen der Hochvoltbatterie und dem Wechselrichter als ein gemeinsamer DC/DC-Wandler ausgebildet, was Bauteile einspart, was wiederum Kosten und Bauraum spart. Ein weiterer Vorteil ist, dass dieser eine gemeinsame DC/DC-Wandler kompakt auf einer Leiterplatte mit entsprechender Kühlung angeordnet werden kann. Da der DC/DC-Wandler leistungsmäßig an den Wechselrichter ausgelegt ist, ist dieser stets ausreichend für das Wechselspannungsladen dimensioniert. Wird der Gleichrichter entsprechend skalierbar gestaltet, sodass dieser beispielsweise 11, 22 oder 43 kW-Ladeleistung verarbeiten kann, muss der DC/DC-Wandler nicht weiter angepasst werden, da dieser typischerweise für höhere Leistungen für den Wechselrichter ausgelegt ist. Somit reduziert sich der Änderungsbedarf beim Skalieren der Wechselspannungsladeleistung auf die Anpassung des Gleichrichters.
  • Dabei weist der DC/DC-Wandler ein Schaltmodul auf, das derart ausgebildet ist, dass in einer ersten Schaltstellung der DC/DC-Wandler mit den Eingangsanschlüssen des Wechselrichters verbunden ist und in einer zweiten Schaltstellung mit den Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters verbunden ist. Somit ist auch sichergestellt, dass beim Laden der Hochvoltbatterie die Elektromaschine nicht bestromt wird und so kein unerwünschtes Antriebsmoment erzeugt werden kann.
  • In einer Ausführungsform weist die Hochvoltbatterie zwei Batterieeinheiten mit gleicher Nennspannung sowie ein Schaltmodul auf, wobei das Schaltmodul derart ausgebildet ist, dass wahlweise die beiden Batterieeinheiten parallel oder in Reihe geschaltet werden können. Beispielsweise beträgt die Nennspannung 400 V, sodass die Hochvoltbatterie mit 400 V oder 800 V Gleichspannung geladen werden kann, wobei im Traktionsnetz 800 V für den Antrieb zur Verfügung stehen, sodass die benötigten Ströme reduziert sind. Durch entsprechende Verschaltung kann dabei sichergestellt werden, dass die beiden Batterieeinheiten vor dem Parallelschalten spannungstechnisch angeglichen werden, um Ausgleichströme zu reduzieren.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der DC/DC-Wandler als bidirektionaler Hochsetz-Tiefsetzsteller ausgebildet, was den größten Freiheitsgrad bei der Einstellung des Arbeitspunktes der Elektromaschine erlaubt. Allerdings erhöht dies den Schaltungsaufwand.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist der DC/DC-Wandler daher als bidirektionaler Hochsetzsteller ausgebildet, sodass die Spannung der Hochvoltbatterie stets hochgesetzt wird.
  • Alternativ ist der DC/DC-Wandler als bidirektionaler Tiefsetzsteller ausgebildet.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Gleichrichter als unidirektionaler Vienna-Gleichrichter ausgebildet, der sehr robust ist und wenig Bauteile benötigt und einfach skalierbar ist. Alternativ ist der Gleichrichter als bidirektionaler Neutral-point-clamped-Gleichrichter ausgebildet, sodass auch Leistung in das externe Stromnetz zurückgespeist werden kann. Alternativ ist der Gleichrichter als Weissach-Gleichrichter ausgebildet, wie in der DE 10 2019 106 485 A1 beschrieben. Dies erlaubt eine einfache Anpassung an verschiedene externe Wechselspannungsladestrukturen.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist das Schaltmodul der Hochvoltbatterie einen Neutralpunkt auf, wobei der Neutralpunkt mit einem Neutralpunkt des DC/DC-Wandlers verbunden ist, wobei der Wechselrichter als 3L-Wechselrichter ausgebildet ist, wobei ein Neutralpunkt des DC/DC-Wandlers mit einem Neutralpunkt des Wechselrichters verbunden ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind Schaltelemente des Schaltmoduls der Hochvoltbatterie als Relais ausgebildet und/oder Schaltelemente des Schaltmoduls des DC/DC-Wandlers als Relais ausgebildet, sodass jeweils eine galvanische Trennung erreicht werden kann.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
    • 1 eine schematische Schaltungsanordnung eines Traktionsnetzes in einer ersten Ausführungsform,
    • 2 eine schematische Schaltungsanordnung eines Traktionsnetzes in einer zweiten Ausführungsform,
    • 3 eine schematische Schaltungsanordnung eines Vienna-Gleichrichters,
    • 4 eine schematische Schaltungsanordnung eines bidirektionalen NPC-Gleichrichters,
    • 5 eine schematische Schaltungsanordnung eines Traktionsnetzes mit Hochsetz-Tiefsetzsteller,
    • 6 eine schematische Schaltungsanordnung eines Traktionsnetzes mit 3L-Wechselrichter,
    • 7 eine schematische Schaltungsanordnung eines Traktionsnetzes mit einem Hochsetzsteller in einer ersten Ausführungsform,
    • 8 eine schematische Schaltungsanordnung eines Traktionsnetzes mit einem Hochsetzsteller in einer zweiten Ausführungsform,
    • 9 eine schematische Schaltungsanordnung eines Traktionsnetzes mit einem Hochsetzsteller in einer dritten Ausführungsform und
    • 10 eine schematische Schaltungsanordnung eines Traktionsnetzes mit einem Hochsetzsteller in einer vierten Ausführungsform.
  • In der 1 ist schematisch ein Traktionsnetz 1 in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Das Traktionsnetz 1 weist eine Hochvoltbatterie 2 auf, die zwei Batterieeinheiten 3 und ein Schaltmodul 4 aufweist. Weiter weist das Traktionsnetz 1 einen DC/DC-Wandler 5, einen Wechselrichter 6, eine Elektromaschine 7, einen Gleichrichter 8 und einen weiteren DC/DC-Wandler 9 auf. Der Gleichrichter 8 weist drei Eingänge L1-L3 auf, an denen jeweils eine Induktivität L angeordnet ist, deren andere Enden einen Wechselspannungsanschluss für eine externe Wechselspannungsquelle 10 bilden, wobei ein Neutralleiter der Wechselspannungsquelle 10 an eine Verbindung zwischen den Neutralpunkten des Gleichrichters 8 und des DC/DC-Wandlers 9 geführt ist. Der DC/DC-Wandler 9 ist vorzugsweise ein Hochsetzsteller, der die gleichgerichtete Spannung am Ausgang des Gleichrichters auf die Spannung der Hochvoltbatterie 2 hochsetzt. Weiter weist das Traktionsnetz 1 Gleichspannungsladeanschlüsse 11 auf, die mit dem Schaltmodul 4 der Hochvoltbatterie 2 verbunden sind. Mittels des Schaltmoduls 4 lassen sich die beiden Batterieeinheiten 3 wahlweise parallel oder in Reihe schalten. Des Weiteren kann das Schaltmodul 4 Mittel aufweisen, um Spannungsunterschiede zwischen den Batterieeinheiten 3 auszugleichen. Weisen die Batterieeinheiten 3 beispielsweise eine Nennspannung von 400 V auf, so kann an den Gleichspannungsladeanschlüssen 11 wahlweise mit 400 V oder 800 V geladen werden. Durch die Mittel zum Ausgleich der Spannungsunterschiede werden Ausgleichsströme beim Parallelschalten reduziert. Dieser Spannungsausgleich kann auf verschiedene Arten erfolgen, beispielsweise mittels eines Zellenbalancing. Mittels des DC/DC-Wandlers 5 lässt sich unabhängig von der Spannung der Hochvoltbatterie 2 ein gewünschter Arbeitspunkt an der Elektromaschine 7 mittels des Wechselrichters 6 einstellen. Der DC/DC-Wandler 5 ist dabei bidirektional ausgebildet, um Rekuperationsenergie in die Hochvoltbatterie 2 zurückzuspeisen. Weiter vorzugsweise ist der DC/DC-Wandler 5 als Hochsetz-Tiefsetzsteller ausgebildet, kann also die Hochvoltbatteriespannung hochsetzen oder tiefsetzen, je nachdem was für eine Arbeitspunktspannung an der Elektromaschine 7 eingestellt werden soll. Das dargestellte Traktionsnetz 1 ist somit sehr flexibel, was die externen Ladespannungen betrifft und sehr flexibel, was die Arbeitspunkteinstellung an der Elektromaschine 7 betrifft. Allerdings ist der Schaltungsaufwand nicht unerheblich.
  • In der 2 ist nun ein Traktionsnetz 1 dargestellt, bei der der DC/DC-Wandler 9 in den DC/DC-Wandler 5 als ein gemeinsamer DC/DC-Wandler 12 integriert ist. Dies hat mehrere Vorteile. Einerseits werden Bauteile, Kosten und Bauraum eingespart. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei einer Anpassung einer Ladeleistung der Wechselspannungsquelle 10 nur noch der Gleichrichter 8 leistungstechnisch angepasst werden muss, wohingegen der DC/DC-Wandler 12 für alle gängigen Leistungsklassen bis 43 kW bereits ausreichend dimensioniert ist. Ein weiterer Vorteil ist die Kühlung. Die Leistungsverluste im Gleichrichter 8 sind im Regelfall so gering, dass eine einfache Luftkühlung ausreicht, wohingegen der DC/DC-Wandler 12 und gegebenenfalls der Wechselrichter 6 eine Flüssigkeitskühlung aufweisen, die dann aber räumlich sehr kompakt ausgebildet sein kann.
  • Der Gleichrichter 8 kann dabei im einfachsten Fall als unidirektionaler Vienna-Gleichrichter ausgebildet sein, so wie in 3 dargestellt. Dabei kann eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) in den Gleichrichter 8 integriert sein. Alternativ kann der Gleichrichter 8 auch als bidirektionaler NPC-Gleichrichter ausgebildet sein, sodass das Traktionsnetz auch Leistung in das Wechselspannungsnetz speisen kann. Ein solcher NPC-Gleichrichter ist in 4 dargestellt, wobei zusätzlich noch ein Wechselspannungsfilter 13 am Eingang vorhanden sein kann.
  • In der 5 ist nun das Traktionsnetz 1 gemäß 2 dargestellt, wobei zusätzlich der Wechselspannungsfilter 13 und ein Gleichspannungsfilter 14 dargestellt sind. Weiter ist eine mögliche Verschaltung für den DC/DC-Wandler 12 dargestellt, mit der der DC/DC-Wandler 12 sowohl als Hochsetz- als auch als Tiefsetzsteller betrieben werden kann. Dabei ist weiter angedeutet, dass die dargestellte Verschaltung insgesamt dreimal parallel vorhanden ist, um die Leistung aufzuteilen. Dies ist aber nicht zwingend, so können auch mehr oder weniger als drei Verschaltungen vorgesehen sein. Weiter ist angedeutet, dass ein Neutralpunkt der Hochvoltbatterie 2 mit einem Neutralpunkt des DC/DC-Wandlers verbunden ist. Weiter ist ein Schaltmodul 15 im DC/DC-Wandler 12 dargestellt. In dem Schaltmodul 15 sind Schaltelemente angeordnet, die vorzugsweise als Relais ausgebildet sind. Mittels der Schaltelemente kann beim Laden mit Wechselspannung der Wechselrichter 6 vom DC/DC-Wandler 12 getrennt werden, sodass die Ausgänge DC+, N und DC- des Gleichrichters 8 mit den Punkten P1-P3 des DC/DC-Wandlers 12 verbunden werden.
  • In der 6 ist eine alternative Ausführungsform des Traktionsnetzes 1 dargestellt, wobei der wesentliche Unterschied zu 5 ist, dass der Wechselrichter 6 als 3-Level-Wechselrichter bzw. 3L-Wechselrichter ausgebildet ist, wobei ein Neutralpunkt N der Hochvoltbatterie 2 bis zum Wechselrichter 6 über den DC/DC-Wandler 12 durchgeschleift wird.
  • In der 7 ist eine weitere alternative Ausführungsform für ein Traktionsnetz 1 dargestellt, wobei der DC/DC-Wandler 12 als Hochsetzsteller ausgebildet ist, die Batteriespannung der Hochvoltbatterie 2 als immer nur hochgesetzt werden kann. Dies reduziert zwar etwas die Einstellmöglichkeiten des Arbeitspunktes für die Elektromaschine 7, ist aber für die meisten Anwendungsfälle ausreichend.
  • In der 8 ist eine alternative Ausführungsform für den Hochsetzsteller dargestellt, der sich sehr einfach skalieren lässt, um so die Leistung aufzuteilen. Des Weiteren ist die Anzahl der Bauteile im Schnitt etwas geringer als bei der Ausführungsform gemäß 7, wobei jedoch die Transistoren eine höhere Spannungsfestigkeit aufweisen müssen.
  • In 9 und 10 sind weitere alternative Bauformen für den Hochsetzsteller dargestellt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Traktionsnetz
    2
    Hochvoltbatterie
    3
    Batterieeinheit
    4
    Schaltmodul
    5
    DC/DC-Wandler
    6
    Wechselrichter
    7
    Elektromaschine#
    8
    Gleichrichter
    9
    DC/DC-Wandler
    10
    Wechselspannungsquelle
    11
    Gleichspannungsladeanschluss
    12
    DC/DC-Wandler
    13
    Wechselspannungsfilter
    14
    Gleichspannungsfilter
    15
    Schaltmodul

Claims (8)

  1. Traktionsnetz (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Traktionsnetz (1) mindestens eine Hochvoltbatterie (2), einen Wechselrichter (6), eine Elektromaschine (7), einen Gleichspannungsladeanschluss (11) und einen Wechselspannungsladeanschluss aufweist, wobei zwischen dem Wechselspannungsladeanschluss und der Hochvoltbatterie (2) ein Gleichrichter (8) und ein DC/DC-Wandler (9) angeordnet sind, wobei zwischen der Hochvoltbatterie (2) und dem Wechselrichter (6) ein DC/DC-Wandler (5) angeordnet ist, wobei der DC/DC-Wandler (9) zwischen dem Wechselspannungsanschluss und der Hochschaltbatterie (2) und der DC/DC-Wandler (5) zwischen der Hochvoltbatterie (2) und dem Wechselrichter (6) als ein gemeinsamer DC/DC-Wandler (12) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (12) ein Schaltmodul (15) aufweist, das derart ausgebildet ist, dass in einer ersten Schaltstellung der DC/DC-Wandler (12) mit den Eingangsanschlüssen des Wechselrichters (6) verbunden ist und in einer zweiten Schaltstellung mit Ausgangsanschlüssen (DC+, N, DC-) des Gleichrichters (8) verbunden ist.
  2. Traktionsnetz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (2) zwei Batterieeinheiten (3) mit gleicher Nennspannung sowie ein Schaltmodul (4) aufweist, wobei das Schaltmodul (4) derart ausgebildet ist, dass wahlweise die beiden Batterieeinheiten (3) parallel oder in Reihe geschaltet werden können.
  3. Traktionsnetz (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (5, 12) als bidirektionaler Hochsetz-Tiefsetzsteller ausgebildet ist.
  4. Traktionsnetz (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (5, 12) als bidirektionaler Hochsetzsteller ausgebildet ist.
  5. Traktionsnetz (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (5, 12) als bidirektionaler Tiefsetzsteller ausgebildet ist.
  6. Traktionsnetz (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (8) als unidirektionaler Vienna-Gleichrichter oder als bi-direktionaler Neutral-point-clamped-Gleichrichter oder als Weissach-Gleichrichter ausgebildet ist.
  7. Traktionsnetz (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmodul (4) der Hochvoltbatterie (2) einen Neutralpunkt (N) aufweist, wobei der Neutralpunkt (N) mit einem Neutralpunkt (N) des DC/DC-Wandlers (12) verbunden ist, wobei der Wechselrichter (6) als 3L-Wechselrichter ausgebildet ist, wobei ein Neutralpunkt (N) des DC/DC-Wandlers (12) mit einem Neutralpunkt (N) des Wechselrichters (6) verbunden ist.
  8. Traktionsnetz (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltelemente des Schaltmoduls (4) der Hochvoltbatterie (2) als Relais ausgebildet sind und/oder Schaltelemente des Schaltmoduls (15) des DC/DC-Wandlers (12) als Relais ausgebildet sind.
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