DE112018001480T5

DE112018001480T5 - Vorrichtung zur Realisierung einer schnellen Batterieladung und eines Motorantriebs für Elektrofahrzeuge unter Verwendung eines AC/DC-Wandlers

Info

Publication number: DE112018001480T5
Application number: DE112018001480.0T
Authority: DE
Inventors: Alan Wayne Brown; Hua Bai
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2019-12-12
Also published as: CN110573372A; US10686385B2; US20180278168A1; WO2018172988A1; CN110573372B

Abstract

Eine Vorrichtung beinhaltet eine Steuerung, einen Schaltblock und einen dreiphasigen bidirektionalen AC/DC-Wandler. Der Schaltblock weist eine erste Schnittstelle, die mit einem Stromnetz verbunden ist, eine zweite Schnittstelle, die mit einem Elektromotor verbunden ist, und eine dritte Schnittstelle, die mit dem dreiphasigen bidirektionalen AC/DC-Wandler verbunden ist, der ein erstes, ein zweites und ein drittes einphasiges AC/DC-Wandlermodul, welche Eingänge und Ausgänge aufweisen, die an einem Ausgangsknoten verbunden sind, und einen jeweiligen Transformator, der dafür ausgelegt ist, eine elektrische Isolation bereitzustellen, beinhaltet, auf. In einem ersten Betriebsmodus verbindet der Schaltblock das Stromnetz mit dem AC/DC-Wandler zum Laden einer am Ausgangsknoten angeschlossenen Batterie und trennt den Elektromotor. In einem zweiten Betriebsmodus trennt der Schaltblock das Stromnetz und verbindet den Elektromotor mit dem AC/DC-Wandler, der so gesteuert wird, dass er den aus der Batterie entnommenen Gleichstrom umwandelt, um den Elektromotor zu speisen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/475,566 , eingereicht am 23. März 2017 (die Anmeldung ‘566), wobei die Anmeldung '566 hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, als wäre sie vollständig hierin dargelegt.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Leistungselektroniksysteme und insbesondere ein System und Verfahren zur Realisierung einer schnellen Batterieladung und eines Motorantriebs, beispielsweise für Elektrofahrzeuge, unter Verwendung von einem AC/DC-Wandler.
Hintergrund
Diese Hintergrundbeschreibung ist im Folgenden lediglich zum Zweck der Kontextbereitstellung gegeben. Daher werden sämtliche Aspekte dieser Hintergrundbeschreibung, soweit sich diese nicht anderweitig als Stand der Technik qualifizieren, weder ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Offenbarung zugelassen.
Isolierte elektrische Wechselstrom/Gleichstromwandler (AC/DC-Wandler) können in vielen verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen. Rein beispielhaft kann ein solcher elektrischer Stromwandler Strom aus dem Netz oder der Netzleitung (d. h. Wechselstrom) beziehen und als eine Batterieladeeinrichtung zum Laden einer wiederaufladbaren DC-Batterie, die mit einem elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeug verbunden ist, verwendet werden. In einem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug sind die Leistungselektronikwandler, wirtschaftlich betrachtet, neben dem Batteriepack (z. B. einer wiederaufladbaren DC-Batterie) die teuersten Teile. Als zwei wesentliche Leistungselektronikwandler sind Batterieladeeinrichtungen (d. h. ein AC/DC-Wandler) und die Elektromotor-Antriebssysteme (d. h. ein DC/AC-Wechselrichter) in der Regel separate Einheiten, obgleich sie sich das gleiche Batteriepack teilen. Für die Gestaltung der Ladeeinrichtung erfordert die elektrische Isolation zwischen dem Netz und der Batterie das Vorhandensein eines Transformators und von Drosseln, was dazu führt, dass die Batterieladeeinrichtung die sperrigste (d. h. das größte Volumen einnehmende) Leistungselektronikkomponente in oder an dem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug ist. Im Hinblick auf den DC/AC-Wechselrichter ist der Zwischenkreiskondensator, der mit der Batterie parallelgeschaltet ist, typischerweise ebenfalls sperrig und zudem schwer und nimmt womöglich ~1/3 des gesamten Raums des Wechselrichters ein.
Es wäre wünschenswert, ein System und Verfahren zur Durchführung der vorstehend genannten mindestens zwei Funktionen des Ladens des Batteriepacks sowie des Motorantriebs bereitzustellen, das zumindest eine oder mehrere der vorstehend genannten Nachteile und/oder Probleme eliminiert.
Die vorstehende Erörterung dient einzig dazu, das vorliegende Fachgebiet zu veranschaulichen, und sollte nicht als Verleugnung des Anspruchsschutzumfangs verstanden werden.
KURZDARSTELLUNG
Bei einer Ausführungsform ist eine elektrische Stromumwandlungsvorrichtung bereitgestellt, die eine elektronische Steuerung mit einem Prozessor und einem Speicher, einen Schaltblock und einen dreiphasigen bidirektionalen AC/DC-Wandler beinhaltet. Der Schaltblock wird durch die Steuerung gesteuert und weist eine erste Schnittstelle auf, die dafür ausgelegt ist, zum Empfangen eines ersten AC-Signals, das erste, zweite und dritte Phasen (elektrische Phasen) aufweist, mit einer Netzstromquelle verbunden zu werden. Der Schaltblock weist eine zweite Schnittstelle auf, die dafür ausgelegt ist, mit einem Elektromotor verbunden zu werden. Der dreiphasige bidirektionale AC/DC-Wandler ist dafür ausgelegt, mit einer dritten Schnittstelle des Schaltblocks verbunden zu werden und beinhaltet erste, zweite und dritte einphasige AC/DC-Wandlermodule. Jedes AC/DC-Wandlermodul ist mit der Steuerung verbunden und wird durch diese gesteuert. Bei einer Ausführungsform weist jedes einphasige AC/DC-Wandlermodul einen jeweiligen Eingang auf, der dafür ausgelegt ist, mit einer jeweiligen Phase des ersten AC-Signals, das eine erste, zweite und dritte Phase aufweist, verbunden zu werden. Die AC/DC-Wandlermodule weisen ebenfalls jeweilige Ausgänge auf, die an einem Ausgangsknoten verbunden sind, und weisen zudem einen jeweiligen Transformator auf, der dafür ausgelegt ist, eine elektrische Isolation bereitzustellen.
In einem ersten Betriebsmodus steuert die Steuerung den Schaltblock so, dass er einen ersten Zustand annimmt, in dem (i) die erste und dritte Schnittstelle so verbunden sind, dass das Stromnetz mit dem dreiphasigen bidirektionalen AC/DC-Wandler verbunden ist, der betriebsfähig ist, das erste dreiphasige AC-Signal in ein Ausgangssignal, das eine DC-Komponente am Ausgangsknoten zum Laden einer Batterie aufweist, umzuwandeln. Im ersten Modus trennt der Schaltblock die zweite und dritte Schnittstelle, um damit den Elektromotor zu trennen.
In einem zweiten Betriebsmodus steuert die Steuerung den Schaltblock so, dass er einen zweiten Zustand annimmt, in dem (i) die erste und dritte Schnittstelle getrennt sind, sodass das Stromnetz getrennt ist, und (ii) die zweite und dritte Schnittstelle verbunden sind, um dadurch den Elektromotor mit dem dreiphasigen bidirektionalen AC/DC-Wandler zu verbinden, der betriebsbereit ist, den aus der Batterie entnommenen Gleichstrom in ein zweites AC-Signal zum Erregen des Elektromotors umzuwandeln. Bei einer Ausführungsform kann die Vorrichtung sowohl als Batterieladeeinrichtung zum Laden der wiederaufladbaren DC-Batterie (z. B. in Verbindung mit einem elektromotorisch betriebenen Kraftfahrzeug) verwendet werden, oder aber imstande sein, als ein Wechselrichter zum Antreiben des Elektromotors des Kraftfahrzeugs verwendet zu werden.
Mithilfe des Vorstehenden stellen Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung eine verbesserte elektrische Stromumwandlungsvorrichtung bereit, die sowohl eine schnelle Batterieladung als auch ein Antreiben eines Elektromotors unter Verwendung eines einzelnen bidirektionalen AC/DC-Wandlers realisiert, was die Kosten senkt, die Sperrigkeit reduziert, was die Leistungsdichte erhöht, die Effizienz erhöht und ein Schnellladen ermöglicht.
Die vorstehenden und andere Aspekte, Merkmale, Details, Nutzen und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden durch Lesen der folgenden Beschreibung und Ansprüche und durch Betrachtung der zugehörigen Zeichnungen ersichtlich.
Figurenliste

1 ist ein Prinzip- und Blockschaltbild einer elektrischen Stromumwandlungsvorrichtung, die einen einzelnen bidirektionalen AC/DC-Wandler gemäß einer Ausführungsform verwendet.
2 zeigt einen ersten Stromfluss in einem ersten Betriebsmodus der Vorrichtung aus 1 zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie mit Netzstrom.
3 zeigt einen zweiten Stromfluss in einem zweiten Betriebsmodus der Vorrichtung aus 1 zum Antreiben eines Elektromotors (Wechselstrom) mit Gleichstrom, der aus der Batterie entnommen wird.
4 ist ein vereinfachtes Prinzip- und Blockschaltbild, das den bidirektionalen AC/DC-Wandler aus 1-3 ausführlicher zeigt und ein jeweiliges AC/DC-Wandlermodul für jede der ersten, zweiten und dritten Phase eines AC-Netzstromsignals aufweist.
5 ist ein schaubildliches Prinzip- und Blockschaltbild, das eines der AC/DC-Stromwandlermodule, die in 4 in Blockform gezeigt sind, in einer Ausführungsform detaillierter zeigt.
6 zeigt vereinfachte Zeitdiagramme eines ersten Satzes von Schaltsteuersignalen im Zusammenhang mit einem AC/DC-Vollbrückengleichrichter aus 5.
7 zeigt vereinfachte Zeitdiagramme eines zweiten und dritten Satzes von Schaltsteuersignalen, die den Betrieb einer Dual-Active-Bridge aus 5 steuern.
8 ist ein Zeitdiagramm von Bestimmungsparametern, die die Schaltzeitpunkte aus 7 bestimmen.
9 zeigt die lastseitige (Batterie-)Strom- und Spannungsausgabe aus der Ausführungsform aus 5 im ersten (Lade-)Betriebsmodus.
10 ist ein vereinfachtes Prinzip- und Blockschaltbild der Vorrichtung aus 1 in einer weiteren Ausführungsform im zweiten Betriebsmodus für einen Elektromotorantrieb.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Verschiedene Ausführungsformen sind hierin für verschiedene Vorrichtungen, Systeme und/oder Verfahren beschrieben. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein genaues Verständnis der gesamten Struktur, Funktion, Herstellung und Verwendung der in der Beschreibung beschriebenen und in den zugehörigen Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsformen zu ermöglichen. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass die Ausführungsformen ohne derartige spezifische Details umgesetzt werden können. In anderen Fällen wurden hinlänglich bekannte Betriebe, Komponenten und Elemente nicht ausführlich beschrieben, um die in der Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen nicht zu verkomplizieren. Der Durchschnittsfachmann wir verstehen, dass es sich bei den hierin beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsformen um nicht einschränkende Beispiele handelt und es sich daher verstehen sollte, dass die hierin offenbarten spezifischen strukturellen und funktionalen Details repräsentativ sein können und den Schutzumfang der Ausführungsformen, deren Schutzumfang allein durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, nicht notwendigerweise beschränken.
Ein Bezug in dieser Beschreibung auf „verschiedene Ausführungsformen“, „einige Ausführungsformen“, „eine bestimmte Ausführungsform“ oder „eine Ausführungsform“ oder dergleichen bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder Eigenschaft, das/die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform enthalten ist. Die Vorkommen der Formulierung „bei verschiedenen Ausführungsformen“, „bei einigen Ausführungsformen“, „bei einer bestimmten Ausführungsform“ oder „bei einer Ausführungsform“ oder dergleichen an verschiedenen Stellen in der Beschreibung beziehen sich nicht notwendigerweise alle auf dieselbe Ausführungsform. Darüber hinaus können bestimmte Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in einer oder mehreren Ausführungsformen auf beliebige Weise kombiniert werden. Somit können bestimmte Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften, die in Verbindung mit einer bestimmten Ausführungsform beschrieben werden, vollständig oder teilweise und ohne Einschränkung mit den Merkmalen, Strukturen oder Eigenschaften von einer oder mehreren anderen Ausführungsformen kombiniert werden, vorausgesetzt, dass eine solche Kombination nicht unlogisch oder funktionsuntüchtig ist.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um identische oder ähnliche Komponenten in den verschiedenen Ansichten zu identifizieren, ist 1 ein vereinfachtes Prinzip- und Blockschaltbild einer Ausführungsform einer elektrischen Stromumwandlungsvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung, welche einen bidirektionalen AC/DC-Wandler 18 verwendet, um sowohl eine Batterieladung (z. B. schnelles Laden der Batterie mit hoher Leistung) als auch Elektromotor-Antriebsfunktionen zu realisieren. 1 stellt ein Ersatzschaltbild einer Ausführungsform dar und zeigt eine Wechselstrom(AC)-Eingangsstromquelle 12, einen Elektromotor 14, einen Schaltblock 16, einen bidirektionalen AC/DC-Wandler 18 und eine wiederaufladbare elektrische DC-Batterie 20.
Die AC-Quelle 12 kann eine primäre AC-Stromversorgung oder ein elektrisches System für ein Gebäude oder dergleichen sein, das innerhalb eines insgesamt größeren elektrischen AC-Stromnetzes (im Folgenden gelegentlich als Netzstrom, Netzspannung, netzseitig usw. bezeichnet) bereitgestellt ist. Wie gezeigt, kann die AC-Quelle 12 mehrphasig sein (z. B. 3phasig: Phase A, Phase B, Phase C). Abhängig vom Standort kann die AC-Quelle 12 3-Phasen-Wechselstrom mit 208/480 V bei 60 Hz oder 3-Phasen-Wechselstrom mit 380-480 V bei 50 Hz ausgeben. Die Spannung V_b der Batterie 20 kann nominal zwischen etwa 200-500 VDC liegen (z. B. 400 VDC). Es sollte sich jedoch verstehen, dass auch niedrigere oder höhere DC-Batteriespannungspegel, die aktuell bekannt sind oder in Zukunft entwickelt werden, gemäß den vorliegenden Lehren verwendet werden können.
Bei dem Elektromotor 14 kann es sich um einen beliebigen herkömmlichen Elektromotor handeln, rein beispielhaft etwa um einen Elektromotor, der zur Verwendung in einem elektromotorisch betriebenen Elektrofahrzeug geeignet ist. Bei einer Ausführungsform kann der Motor 14 einen Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM), wie nachstehend in Verbindung mit 10 ausführlicher beschrieben, umfassen, der durch eine elektronische Steuerung (z. B. die Steuerung 46 - 5) gesteuert wird.
Der Schaltblock 16 wird ebenfalls durch eine Steuerung (z. B. die Steuerung 46 - 5) gesteuert und kann funktional als eine erste elektrische Relaisbank 16₁ und eine zweite elektrische Relaisbank 16₂ dargestellt sein. Der Schaltblock 16 beinhaltet eine erste Schnittstelle 22, die dafür ausgelegt ist, elektrisch mit der AC-Quelle 12 verbunden zu werden, um ein erstes AC-(Netz-)Stromsignal zu empfangen, das eine erste, zweite und dritte elektrische Phase aufweist (wobei z. B. jede Phase um 120 Grad versetzt ist). Die erste Schnittstelle 22 kann, wie dargestellt, drei separate elektrische Verbindungen beinhalten, die den drei Phasen des AC-Eingangssignals von der Netzquelle 12 entsprechen. Der Schaltblock 16 beinhaltet ferner eine zweite Schnittstelle 24, die dafür ausgelegt ist, elektrisch mit dem Elektromotor 14 verbunden zu werden. Die zweite Schnittstelle 24 beinhaltet ebenfalls drei elektrische Verbindungen, die den drei Phasen des AC-Treibersignals, das den Elektromotor 14 antreibt (erregt), entsprechen. Der Schaltblock 16 beinhaltet ferner eine dritte Schnittstelle 26, die dafür ausgelegt ist, elektrisch mit dem bidirektionalen AC/DC-Wandler 18 verbunden zu werden. Wie gezeigt, beinhaltet die dritte Schnittstelle 26 die sechs elektrischen Verbindungen der Relaisbänke 16₁ und 16₂ , obgleich in der dargestellten Ausführungsform jeweilige Verbindungen von jeder der Relaisbänke 16₁ und 16₂ elektrisch verbunden (angegliedert) sind, woraus sich drei Verbindungen mit dem bidirektionalen AC/DC-Wandler 18 ergeben.
Bei einer Ausführungsform arbeiten die jeweiligen Relaisbänke 16₁ und 16₂ als zwei Dreiphasenschalter, wobei die Bank 16₁ für die AC-Netzverbindung verwendet wird und die Bank 16₂ für die Elektromotorverbindung verwendet wird. Die Bänke 16₁ und 16₂ werden zusätzlich so gesteuert, dass sie komplementär arbeiten. Somit sind, beim Laden eines Fahrzeugs, die Verbindungen bei der Bank 16₁ geschlossen, während die Verbindungen bei der Bank 16₂ offen sind. Ebenso sind, beim Antreiben des Motors, die Verbindungen bei der Bank 16₁ offen und die Verbindungen bei der Bank 16₂ geschlossen. Der Schaltblock 16 kann elektrische Schalter, Relais, Festkörperschalter und andere konventionelle Vorrichtungen umfassen, die dafür ausgelegt sind, elektrische Verbindungen zu öffnen und zu schließen. Bei einer Ausführungsform kann eine Hardware-Implementierung gewählt werden, um den komplementären Betrieb zu erzwingen, z. B. durch die Verwendung von doppelpoligen Zweiwegeschaltern (DPDT-Schalter) oder Äquivalenten davon (d. h. es kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt nur eine, aber nicht beide, von der AC-Netzverbindung und der Elektromotorverbindung geschlossen sein).
Der bidirektionale AC/DC-Wandler 18 ist im Allgemeinen für einen Betrieb in zwei Modi ausgelegt. In einem ersten Modus ist der Wandler 18 in der Lage, das dreiphasige AC-Signal von der AC-Netzquelle 12 in ein Ausgangssignal, das hauptsächlich eine DC-Komponente an einem Ausgangsknoten 80 aufweist, umzuwandeln, um die Batterie 20 zu laden oder wiederaufzuladen. In einem zweiten Betriebsmodus ist der Wandler 18 betriebsfähig, den aus der Batterie 20 entnommenen Gleichstrom in ein dreiphasiges elektrisches Ausgangssignal zum Antreiben (Erregen) des Elektromotors 14 umzuwandeln. Wie im Folgenden ausführlicher erörtert, beinhaltet der Wandler 18 mehrere Transformatoren (z. B. einen für jede Phase), die dafür ausgelegt sind, eine elektrische Isolation zwischen dem Netz und der Batterie sowie zwischen der Batterie und dem Elektromotor bereitzustellen.
2-3 zeigen jeweils die Vorrichtung 10 im ersten Ladebetriebsmodus und im zweiten Motorantriebsbetriebsmodus.
In dem ersten Betriebsmodus (2) steuert die Steuerung (z. B. Steuerung 46 - 5) den Schaltblock 16 so, dass er einen ersten Zustand annimmt, in dem der Schaltblock 16 die erste Schnittstelle 22 und die dritten Schnittstellen 26 elektrisch verbindet, sodass das erste dreiphasige AC-Netzstromsignal von der (Netz-)Quelle 12 elektrisch mit dem bidirektionalen AC/DC-Wandler 18 verbunden ist. Der Wandler 18 wiederum ist durch die Steuerung der Steuerung betriebsfähig, das dreiphasige AC-Eingangssignal in ein Ausgangssignal (hauptsächlich mit DC-Komponente) zum Laden der Batterie 20 umzuwandeln. Gleichzeitig, in dem ersten Modus, trennt der Schaltblock 16 im ersten Zustand die zweite Schnittstelle 24 elektrisch von der dritten Schnittstelle 26, um damit den Elektromotor 14 elektrisch zu trennen. Wie in 2 gezeigt, fließt Strom von der AC-Netzstromquelle 12 zu der Batterie 20, wie durch Bezugszeichen 28 angezeigt. Repräsentativ sind die Verbindungen der Bank 16₁ elektrisch geschlossen, während die Verbindungen der Bank 16₂ elektrisch offen sind.
In dem zweiten Betriebsmodus (3) steuert die Steuerung (z. B. Steuerung 46 - 5) den Schaltblock 16 so, dass er einen zweiten Zustand annimmt, in dem der Schaltblock 16 die erste Schnittstelle 22 und die dritten Schnittstellen 26 elektrisch voneinander trennt, um die AC-Netzstromquelle 12 elektrisch zu trennen. Gleichzeitig, in dem zweiten Modus, verbindet der Schaltblock 16 im zweiten Zustand die zweite Schnittstelle 24 elektrisch mit der dritten Schnittstelle 26, um den Elektromotor 14 damit elektrisch mit dem bidirektionalen AC/DC-Wandler 18 zu verbinden. Der Wandler 18 wiederum wird durch die Steuerung gesteuert, um den aus der Batterie 20 entnommenen Gleichstrom in ein zweites dreiphasiges AC-Signal umzuwandeln, das zum Antreiben oder elektrischen Erregen des Elektromotors 14 geeignet ist. Wie in 3 gezeigt, fließt Strom von der Batterie 20 zum Elektromotor 14, wie durch Bezugszeichen 30 angezeigt. Repräsentativ sind die Verbindungen der Bank 16₁ elektrisch offen, während die Verbindungen der Bank 16₂ elektrisch geschlossen sind.
Ausführungsformen im Einklang mit der vorliegenden Offenbarung weisen eine Reihe von Vorteilen, einschließlich der folgenden, auf.
Geringe Kosten. Durch Verwenden eines ACIDC-Wandlers zur Realisierung sowohl von Schnellladung als auch Motorantrieb ergibt sich eine signifikante Kostenreduzierung der gesamten Leistungselektroniksysteme an Bord eines Elektrofahrzeugs, verglichen mit herkömmlichen Realisierungen, die separate AC/DC- und DC/AC-Wandler für die Lade- und die Antriebsfunktion beinhalten.
Hohe Leistungsdichte. Bei einer Ausführungsform nutzt der bidirektionale AC/DC-Wandler GaN-HEMT-Festkörperschalter in den Schaltmodulen (mehr dazu unten), die mit einer relativ hohen Schaltfrequenz >100 kHz betrieben werden können, welche fast zehnmal so schnell wie eine Schaltfrequenz im Zusammenhang mit herkömmlichen Si-Schaltern sein kann. Eine derart hohe Schaltfrequenz führt zu Oberwellen höherer Ordnung, die sich leichter filtern lassen. Dieser Umstand ermöglicht daher die Verwendung wesentlich kleinerer Ausgangskondensatoren, die mit der Batterie parallelgeschaltet sind.
Hohe Effizienz. Ein herkömmlicher DC/AC-Wechselrichter arbeitet im Hartschaltmodus, was zu hohen Schaltverlusten und, damit verbunden, zu einer geringen Schaltfrequenz führt. Bei einer Ausführungsform ist der bidirektionale AC/DC-Wandler dafür ausgelegt, in einem Weichschaltmodus zu arbeiten, was zu einer höheren Effizienz führt. Demgegenüber kann ein herkömmlicher Wechselrichter auf Si-Schalter-Basis eine Schaltfrequenz von 10 kHz und eine Effizienz von 96% aufweisen, während eine Wechselrichterausführungsform auf Basis eines GaN-HEMT-Schalters, selbst mit einem Trenntransformator, eine Schaltfrequenz von >100 kHz und eine Effizienz von 98% aufweist.
Ermöglichung einer Schnellladung. Bei einer herkömmlichen Batterieladeeinrichtung wird die Leistungsfähigkeit nicht nur durch den Netzstrom begrenzt, sondern auch durch die Kosten und den verfügbaren Platz. Da viele der einphasigen Ladeeinrichtungen eine Leistungsdichte von etwa 1 kW/L aufweisen und die dreiphasigen Ladeeinrichtungen eine Leistungsdichte von etwa 2 kW/L aufweisen, ist es schwierig, eine Ladeeinrichtung mit einer Leistung >20 kW zu konstruieren, da diese für ihre Implementierung einen erheblichen Platzbedarf (Volumen) im Fahrzeug hätte. Durch Verwendung desselben Wandlers sowohl für die Batterieladung als auch für Motorantriebszwecke, weisen die Ladeeinrichtung und der Wechselrichter die gleiche Leistungsstufe auf, was das System besonders geeignet für einen Einsatz im so genannten schnellen (Hochleistungs-)Batterieladeverfahren macht, das beispielsweise Ladeleistungen von etwa 50 kW beinhaltet.
4 ist ein vereinfachtes Prinzip- und Blockschaltbild, das eine Topologie von einer Ausführungsform des bidirektionalen AC/DC-Wandlers 18 aus 1 zeigt. Bei einer Ausführungsform beinhaltet der Wandler 18 erste, zweite und dritte einphasige AC/DC-Wandlermodule, ausgewiesen durch die Bezugszeichen 32A, 32B und 32C in 4. Jedes der Wandlermodule 32A, 32B und 32C weist einen jeweiligen Eingang auf, der elektrisch mit einer der Phasen Phase A, Phase B und Phase C des AC-Netzstromsignals von der Netzquelle 12 verbunden ist. Wie ferner gezeigt, weisen die Wandlermodule 32A, 32B und 32C Ausgänge auf, die zwischen dem Ausgangsknoten 80 und einem gemeinsamen Masseknoten 82 elektrisch verbunden sind. Jedes der Wandlermodule 32A, 32B und 32C ist auch mit einer Steuerung (z. B. der Steuerung 46 - 5) verbunden, die den Betrieb der Module steuert.
Jedes Wandlermodul 32A, 32B und 32C beinhaltet außerdem einen jeweiligen Transformator, der beim Laden der Batterie 20 eine elektrische Isolation zwischen dem Netz und der Batterie 20 bereitstellt. Beim Antreiben des Elektromotors 14 erbt der Wandler 18 - der als ein Wechselrichter arbeitet - allerdings auch den Transformator und die elektrische Isolation, die er zwischen der Batterie 20 und dem Motor 14 bereitstellt. Da der Transformator jedoch mit einer viel höheren Schaltfrequenz betrieben wird (unten), ist seine Größe viel kleiner als sonst üblich. Daher ist der Transformator beim Betrieb im zweiten, Elektroantrieb-Betriebsmodus kein Nachteil.
5 ist ein vereinfachtes Prinzip- und Blockschaltbild, das eines der AC/DC-Wandlermodule aus 4 zusammen mit einer Steuerung 46 zur Steuerung dessen Betriebs ausführlicher zeigt. Wie gezeigt, ist ein AC/DC-Wandlermodul, ausgewiesen als 32_i , wobei i eine der Phasen A, B oder C sein kann, mit einer entsprechenden der Phasen der AC-Netzstromquelle 12 verbunden. In diesem Zusammenhang wird, wie gezeigt, ein einphasiges AC-Signal an einem Eingangsknoten 36 bereitgestellt. Das Wandlermodul 32_i kann eine Eingangsdrossel 34 beinhalten, die elektrisch mit der AC-Quelle in Reihe geschaltet ist und dafür ausgelegt ist, den netzseitigen Strom zu glätten. Die Größe der Drossel 34 ist abhängig vom Glättungsgrad und der Schaltfrequenz. Bei einer Ausführungsform kann die Drossel 34 eine Größe von etwa 10 Mikrohenry (µH) aufweisen. Das Wandlermodul 32_i ist zudem dafür ausgelegt, ein DC-Spannungssignal am Ausgangsknoten 80 auszugeben.
Jedes einphasige Wandlermodul 32_i beinhaltet eine jeweilige Gleichrichterstufe 66 und eine jeweilige Dual-Active-Bridge(DAB)-Stufe. Die DAB-Stufe beinhaltet (i) eine erste Vollbrücke 68, (ii) einen Transformator 40 und (iii) eine zweite Vollbrücke 70.
Die Gleichrichterstufe 66 (AC/DC-Wandler) stellt ein Mittel zum Gleichrichten des ersten AC-Eingangssignals an Knoten 36 und zum Erzeugen eines ersten gleichgerichteten Ausgangssignals an Knoten 38 relativ zum Masseknoten 39 dar. Das erste gleichgerichtete Signal beinhaltet eine erste Gleichstrom(DC)-Komponente. Die Gleichrichterstufe 66 kann vier Halbleiterschalter beinhalten, ausgewiesen als M₁ , M₂ , M₃ , M₄ , die in einer Vollbrückenkonfiguration angeordnet sind und mit der Netzfrequenz (z. B. 50/60 Hz) arbeiten, wenn sie im ersten (Lade-)Betriebsmodus betrieben werden. Bei einem Betrieb im zweiten (Motorantriebs-)Betriebsmodus kann die Gleichrichterstufe 66 mit einer Elektromotorfrequenz (z. B. Grundfrequenz) arbeiten.
Die Schalter M₁ , M₂ , M₃ , M₄ können konventionelle, auf dem Gebiet bekannte Halbleiterschalter umfassen, beispielsweise MOSFET- oder IGBT-Vorrichtungen. Bei einer Ausführungsform können die Schalter M₁ , M₂ , M₃ , M₄ Si-N-Kanal-Leistungs-MOSFETs umfassen, verfügbar unter der Handelsbezeichnung und/oder der Teilenummer STY139N65M5 von STMicroelectronics, Coppell, Texas, USA.
Das Wandlermodul 32_i kann außerdem einen Kondensator C_in beinhalten, der über den Ausgang der Gleichrichterstufe 66 hinweg zwischen dem Knoten 38 und dem Masseknoten 39 verbunden ist. Der Kondensator C_in ist größenmäßig so ausgelegt, dass er hochfrequente Oberwellen aus dem gleichgerichteten Signal an Knoten 38 herausfiltert (z. B. ist er relativ klein: ~uF-Ebene). Es sollte sich verstehen, dass C_in nicht zur Energiespeicherung verwendet wird, sondern vielmehr zu Filterungszwecken verwendet wird und daher kein großer, sperriger Zwischenkreiskondensator ist, wobei der Zwischenkreiskondensator in der Größenordnung von Millifarad (~mF) vorliegen kann. Durch die verringerte Größe von C_in kann zudem die Leistungsdichte erhöht und die Lebensdauer verlängert werden.
Die erste Vollbrücke 68(d. h. ein DC/AC-Wandler 68) ist elektrisch mit dem Ausgang der Gleichrichterstufe 66 verbunden (d. h. über die Knoten 38, 39 verbunden) und so ausgelegt, dass sie das erste (gleichgerichtete) DC-Signal an Knoten 38 in ein relativ hochfrequentes AC-Signal umwandelt. Wie veranschaulicht, kann die Brücke 68 vier Halbleiterschalter, ausgewiesen als P₁ , P₂ , P₃ , P₄ , umfassen und ist in einer Vollbrückenkonfiguration angeordnet, die mit einer zweiten Frequenz, und zwar einer Schaltfrequenz f_s , arbeitet. Die zweite, die Schaltfrequenz f_s , ist im Allgemeinen viel höher als die erste, die Netzfrequenz. Bei einer Ausführungsform kann die zweite, die Schaltfrequenz, in einem Bereich von ungefähr 135 kHz bis 500 kHz liegen, während die erste, die Netzfrequenz, 60 Hz (oder 50 Hz) betragen kann. Die Halbleiterschalter P₁ , P₂ , P₃ , P₄ können handelsübliche, auf dem Gebiet bekannte Komponenten umfassen. Bei einer Ausführungsform können die Schalter P₁ , P₂ , P₃ , P₄ handelsübliche Komponenten mit breitem Bandabstand umfassen, beispielsweise eine 650-V-GaN-High-Electron-Mobility-Transistor(HEMT)-Vorrichtung, wie beispielsweise einen Anreicherungsmodus-GaN-Transistor, bekannt unter der Handelsbezeichnung und/oder Teilenummer GS66516T von GaN Systems Corp., Ann Arbor, Michigan, USA.
Die erste und die zweite Vollbrücke 68, 70 der Dual-Active-Bridge (DAB) sind elektrisch isoliert, werden aber über den Transformator 40, der eine Primärwicklung 42 und eine Sekundärwicklung 44 aufweist, (magnetisch) gekoppelt. Die erste Vollbrücke 68 ist über eine Reihendrossel L_p elektrisch mit der Primärwicklung 42 verbunden. Man wird verstehen, dass die Reihendrossel L_p entweder eine im Transformator eingebaute Streuinduktivität oder eine mit dem Transformator in Reihe geschaltete externe Induktivität sein kann. Die Drossel L_p kann zum Speichern von Energie verwendet werden, um während eines Hochfrequenz-Schaltvorgangs eine Nullspannungsschaltung (NSS) an den primären und sekundären Vollbrückenhalbleitern zu erreichen. Des Weiteren ist der Transformator 40, wie bekannt, gekennzeichnet durch ein Windungsverhältnis zwischen der Sekundärwicklung und der Primärwicklung.
Die zweite Vollbrücke 70 (d. h. ein AC/DC-Wandler 70) ist elektrisch mit der zweiten Wicklung 44 des Transformators 40 verbunden und dafür ausgelegt, das an der Sekundärwicklung 44 induzierte AC-Signal zu einem zweiten gleichgerichteten Ausgangssignal an Ausgangsknoten 80 umzuwandeln oder gleichzurichten. Das Ausgangssignal, das am Ausgangsknoten 80 von der einphasigen Umwandlungsvorrichtung 32_i erzeugt wird, weist eine DC-Komponente und mindestens eine AC-Komponente auf, wobei die mindestens eine AC-Komponente eine Oberwelle zweiter Ordnung der Netzfrequenz beinhaltet (z. B. eine 120-Hz-Komponente für eine 60-Hz-Netzfrequenz). Während jedes einphasige Modul 32, ein jeweiliges 120-Hz-Rippelsignal erzeugt, neigen diese in der Kombination aus den einzelnen Rippelsignalen, aufgrund einer Phasendifferenz zwischen diesen, dazu, sich gegenseitig aufzuheben und somit neutralisiert zu werden, wenn sie im Dreiphasenmodus (Lademodus) verwendet werden. Dies ist in 9 gezeigt, mit reduziertem Ausgangsrippelstrom, gezeigt in Spur 84, und reduzierter Ausgangsrippelspannung, gezeigt in Spur 86 (bezogen auf die Ausgangsspannung der Batterie, die nominal bei 400 Volt liegt).
Bei der veranschaulichten Ausführungsform kann die zweite Vollbrücke 70 (AC/DC-Wandler 70) vier Halbleiterschalter umfassen, ausgewiesen als Schalter S₁ , S₂ , S₃ , S₄ , die in einer aktiven H-Brücken-(Vollbrücken-)Schaltanordnung angeordnet sind. Bei einer Ausführungsform wird die Schaltanordnung 70 so gesteuert, dass sie mit der vorstehend genannten Schaltfrequenz f_s arbeitet (d. h. Schalter S₁~S₈ werden so gesteuert, dass sie mit der gleichen Schaltfrequenz f_s arbeiten). Die Halbleiterschalter S₁ , S₂ , S₃ , S₄ können handelsübliche Komponenten umfassen, zum Beispiel eine 650-V-GaN-High-Electron-Mobility-Transistor(HEMT)-Vorrichtung, wie beispielsweise einen Anreicherungsmodus-GaN-Transistor, bekannt der unter der Handelsbezeichnung und/oder Teilenummer GS66516T von GaN Systems Corp., Ann Arbor, Michigan, USA.
5 zeigt außerdem einen Ausgangskondensator, ausgewiesen als C_o , der über den Ausgangsknoten 80 und Masseknoten 82 verbunden ist und größenmäßig so ausgelegt ist, dass er hochfrequente Oberwellen aus dem Ausgangssignal an Knoten 80 herausfiltert (z. B. relativ klein: ~uF-Ebene). Bei einer Ausführungsform kann der Kondensator C_o eine Größe von etwa 100 µF aufweisen.
Ebenfalls in 5 gezeigt ist eine elektronische Steuereinheit 46 (im Folgenden Steuerung 46), die dafür ausgelegt ist, eine gewünschte Steuerstrategie für den Betrieb der Vorrichtung 10, die jedes der AC/DC-Wandlermodule 32_i beinhaltet, zu implementieren. Man sollte verstehen, dass, obgleich die Steuerung 46 mit Ein-/Ausgängen, die einem AC/DC-Wandlermodul zugeordnet sind, dargestellt ist, die Steuerung 46 dafür ausgelegt sein kann, alle der AC/DC-Wandlermodule zu steuern, oder dass alternativ zusätzliche Steuerungen 46 bereitgestellt werden können.
Die Steuerung 46 beinhaltet einen elektronischen Prozessor 48 und einen Speicher 50. Der Prozessor 48 kann Verarbeitungsfunktionen sowie eine Eingabe/Ausgabe(I/O)-Schnittstelle beinhalten, über die der Prozessor 48 mehrere Eingabesignale empfangen kann und mehrere Ausgabesignale (z. B. Gate-Treibersignale für Schalter M₁~M₄ , P₁~P₄ und S₁~S₄ ) erzeugen kann. Der Speicher 50 ist zur Speicherung von Daten und Anweisungen oder Code (d. h. Software) für den Prozessor 48 vorgesehen. Der Speicher 50 kann verschiedene Formen von permanentem (d. h. nichtflüchtigem) Speicher, einschließlich Flash-Speicher oder Nur-Lese-Speicher (ROM), einschließlich verschiedener Formen programmierbarer Nur-Lese-Speicher (z. B. PROM, EPROM, EEPROM), und/oder nichtpermanentem Speicher, einschließlich Direktzugriffsspeicher (RAM), einschließlich statischen Direktzugriffsspeichers (SRAM), dynamischen Direktzugriffsspeichers (DRAM) und synchronen dynamischen Direktzugriffsspeichers (SDRAM), beinhalten. Obwohl in 5 nicht gezeigt, können die Wandlermodule 32_i zudem Treiberschaltungen zur Schnittstellenbildung zwischen den Ausgängen der Steuerung 46 und den Gate-Anschlüssen der Halbleiterschalter beinhalten. Bei einer Ausführungsform können solche Gate-Treibervorrichtungen handelsübliche Komponenten umfassen, wie zum Beispiel einen handelsüblichen Chip, der auf dem Fachgebiet bekannt ist, wie beispielsweise einen Gate-Treiberchip, verfügbar unter der Teilenummer IXD_614 von IXYS Corporation, Milpitas, Kalifornien, USA.
Der Speicher 50 speichert auch ausführbaren Code in Form einer Hauptsteuerlogik 51, die dafür ausgelegt ist, den gesamten Betrieb der Vorrichtung 10 gemäß einer gewünschten Steuerstrategie zu steuern. Die Hauptsteuerlogik 51 ist, wenn durch den Prozessor 48 ausgeführt, dafür ausgelegt, als Reaktion auf ein oder mehrere Eingangssignale, die verschiedenen Gate-Treibersignale für die Schalter M₁~M₄ , P₁~P₄ und S₁~S₄ zu erzeugen. Die Hauptsteuerlogik 51 kann programmierte Logikblöcke zur Implementierung spezifischer Funktionen beinhalten, einschließlich, aber ohne Einschränkung, Netzgleichrichterlogik 58, Blindleistungskompensations(BLK)-Logik 60, Nullspannungsschaltungs(NSS)-Logik 62 und Betriebsmodus-Steuerlogik 64.
Die Netzgleichrichterlogik 58 ist dafür ausgelegt, die Gate-Treibersignale für die Schalter M₁~M₄ der Gleichrichterstufe 66 zu erzeugen. Um dies zu erreichen, kann die Vorrichtung 10 einen jeweiligen Netzspannungssensor 52 (in Blockform gezeigt- einer für jedes Wandlermodul) beinhalten, der dafür ausgelegt ist, ein jeweiliges Signal auszugeben, das eine Netzspannung, einschließlich einer Polarität (d. h. positiv oder negativ) anzeigt. Der Spannungssensor 52 kann auf der Netzseite angeordnet sein (d. h. elektrisch verbunden mit einer jeweiligen Phase der AC-Quelle 12), um die Netzspannung zu überwachen. Bei einer Ausführungsform kann der Sensor 52 konventionelle Komponenten umfassen, die auf dem Fachgebiet bekannt sind.
6 zeigt Zeitdiagramme der Gate-Treibersignale (d. h. Schaltsteuersignale), die durch die Netzgleichrichterlogik 58 der Steuerung 46 erzeugt werden. Die M₁~M₄ -basierte Gleichrichterstufe 66 wird die AC-Netzspannung, in dem ersten (Lade-)Betriebsmodus in eine DC-Spannung gleichrichten. Bei einer Ausführungsform ist die Schaltfrequenz von M₁~M₄ die gleiche wie bei der Netzspannung (z. B. 50-60 Hz). Es ist zu beachten, dass M₁~M₄ durch das Erfassen der Polarität der Netzspannung gesteuert werden. Demnach werden, wenn die Netzspannung positiv ist, M₁ und M₄ eingeschaltet (d. h. V_GS von M₁ und M₄ ist hoch). Wenn die Netzspannung negativ ist, werden M₂ und M₃ eingeschaltet. Die Gate-Treibersignale für die Schalter M₁ und M₄ arbeiten im Einklang, während Schalter M₂ und M₃ im Einklang arbeiten. Zusätzlich ist die Kombination aus M₁M₄ komplementär zu der Kombination aus M₂M₃ . Insgesamt handelt es sich bei allen der Schalter M₁ ~ M₄ um aktive Schalter, die mit der Netzfrequenz, z. B. 60 Hz, gemäß den Nulldurchgängen des Netzspannungssensors 52 arbeiten.
Unter erneuter Bezugnahme auf 5 ist die Blindleistungskompensations(BLK)-Steuerlogik 60 in dem ersten (Lade-)Betriebsmodus im Allgemeinen dafür ausgelegt, den Betrieb (d. h. Leitung oder Nichtleitung) der Schalter P₁~P₄ und S₁~S₄ in einer derartigen Weise zu handhaben, dass der aus der AC-Quelle 12 entnommene Momentanstrom so gesteuert wird, dass er in Phase mit der Momentanspannung der AC-Quelle 12 ist. Um einen einheitlichen oder nahezu einheitlichen Leistungsfaktor (d. h. einen Zustand, in dem die Spannung und der Strom auf Netzseite in Phase sind) zu erreichen, beinhaltet die Umwandlungsvorrichtung 10 einen Netzstromsensor 54. Bei einer Ausführungsform ist der Stromsensor 54 dafür ausgelegt, den Strom durch die Drossel 34 zu ermitteln und der Steuerung 46 ein Signal bereitzustellen, das den Pegel des aus der AC-Quelle 12 entnommenen elektrischen Stroms anzeigt. Bei diesem Signal handelt es sich somit um ein Netzstromanzeigesignal. Bei einer Ausführungsform implementiert die Steuerung 46 durch die Ausführung der BLK-Logik 60 eine Blindleistungskompensation durch Steuern der vorstehend genannten Gate-Treibersignale. Der Netzstromsensor 54 kann konventionelle Komponenten umfassen, die auf dem Fachgebiet bekannt sind.
Eine Logik 62 zur Nullspannungsschaltung (NSS) ist im Allgemeinen dafür ausgelegt, die Schalter P₁~P₄ und S₁~S₄ in einer derartigen Weise zu handhaben, dass sie vorzugsweise mit einer Spannung von Null oder nahe Null ein- und ausgeschaltet werden. Um die Nullspannungsschaltung zum Einschalten des Schalters aufrechtzuerhalten, sollte Strom, vor der Einschaltaktion, im Allgemeinen in umgekehrter Richtung von der Source zum Drain fließen, was einen Abfall der Schalterspannung auf Null bewirkt. Somit nimmt der Schalter, während der Schaltereinschaltung, nur die Stromänderung mit einer Spannung, die gegenwärtig vom Drain bis zur Source des Schalters vorliegt, vor, die immer nahe Null ist, was wiederum die Einschaltverluste eliminiert, um dadurch die NSS-Einschaltung zu erreichen. Für weitere Informationen kann Bezug genommen werden auf die US-Patentanmeldung Nr. 14/744,998 , eingereicht am 19. Juni 2015 (im Folgenden die Anmeldung '998 mit dem Titel „GATE DRIVE CIRCUIT“), wobei die Anmeldung '998 hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, als wäre sie vollständig hierin dargelegt.
7 zeigt Zeitdiagramme der vorstehend genannten Gate-Treibersignale zum Steuern der Betätigung der Schalter P₁~P₄ und S₁~S₄ in einer Ausführungsform mit einzelner Schaltfrequenz im ersten (Lade-)Betriebsmodus. Bei der veranschaulichten Ausführungsform werden die Schalter P₁~P₄ und S₁~S₄ mit der gleichen Schaltfrequenz f_s bei einem Tastverhältnis von 50 % betrieben. Um die hohe Systemleistungsdichte zu erreichen, sollte die Schaltfrequenz f_s so hoch wie möglich sein. Die Gate-Treibersignale für P₁ und P₄ sind komplementär zu P₂ und P₃ . Darüber hinaus sind die Gate-Treibersignale S₁ und S₂ , wie auch die Signale S₃ und S₄ , komplementär. Die Signalspuren V_P und V_S entsprechen den Ausgangsspannungen der Primärseite und der Sekundärseite der Dual-Active-Bridge (DAB), während die Signalspur I_L dem Strom der primären Drossel entspricht, der in zeitlicher Beziehung zu den Zuständen der Schalter P₁~P₄ und S₁~S₄ gezeigt ist.
Die Hauptsteuerlogik 51 ist dafür ausgelegt, eine Phasenverschiebung zwischen den Gate-Treibersignalen für S₁ und S₃ einzubringen (d. h. siehe Zeitraum zwischen τ₀ und τ₁). Eine Vielzahl von Faktoren, einschließlich der Schaltfrequenz f_s und der ermittelten Phasenverschiebung zwischen S₁ und S₃ , entscheiden über die von der Primärseite auf die Sekundärseite übertragene Leistung. Mit anderen Worten bieten die vorstehend genannten Faktoren zwei Freiheitsgrade zur Steuerung der übertragenen Leistung. Um NSS zu erreichen, muss die Phasenverschiebung unterdessen innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen, was auch die Schaltfrequenz f_s auf einen bestimmten Wert einschränkt.
Die Hauptsteuerlogik 51, in Übereinstimmung mit der BLK-Logik 60 und der NSS-Logik 62, ermittelt mindestens zwei Parameter, ausgewiesen in 7-8 als g(t) und w(t). Der Parameter g(t) entspricht einer Zeit zwischen τ₀ und τ₁ - wohingegen der Parameter w(t) einer Zeit zwischen S₂ und S₃ entspricht.
8 ist ein Zeitdiagramm, das Wellenformen der vorstehend beschriebenen Parameter g(t) und w(t) zeigt, bei denen es sich um die zwei Parameter handelt, die von der Steuerung 46 verwendet werden, um die Phasenverschiebung zu ermitteln. Der Parameter fs(t) entspricht der Schaltfrequenz f_s .
Bei einer Ausführungsform wird die Hauptsteuerlogik 51 durch die Steuerung 46 ausgeführt, wobei die Funktionen der Gleichrichterlogik 58, der BLK-Logik 60 und der NSS-Logik 62 gleichzeitig umgesetzt werden. In diesem Zusammenhang kann der Parameter w(t) durch die Steuerung 46 bestimmt werden, gemäß der Gleichung (1):
$w (t) = \frac{0,5 * (V i n (t) - 2 * g (t) * V i n (t))}{V o u t * n}$
wobei Vin(t) die auf der Netzseite (d. h. Eingangsknoten 36 - 5) gemessene Spannung ist, V_out die gemessene Ausgangsspannung des Wandlers an Ausgangsknoten 80 ist und n das Windungsverhältnis des Transformators 40 ist (d. h. N_s / N_p , wobei N_s die Anzahl sekundärer Windungen ist und N_p die Anzahl primärer Windungen ist). $I_{i n} (t) = \frac{(1 - 2 w (t)) * V i n (t) + 2 n * g (t) * V o u t}{2 * L * f s (t)} * (0,5 - g (t))$
Jeder Phasenstrom ließe sich durch g(t), w(t) und fs(t) steuern.
Der Parameter g(t) in Gleichung (1) kann vom Systementwickler bestimmt werden, um NSS-Schaltung, wie auf dem Gebiet bekannt, zu erzielen, z. B. wie zu sehen in Bezug auf US-Patentschrift Nr. 9,729,066, Anmeldung Nr. 15/198,887 mit dem Titel „ELECTRIC POWER CONVERSION APPARATUS HAVING SINGLE-PHASE AND MULTI-PHASE OPERATION MODES“, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, als wäre sie vollständig hierin dargelegt. Im Betrieb variiert die Steuerung 46 die Schaltfrequenz f_s während des Vorgangs in Echtzeit. Mit anderen Worten kann die Steuerung 46, die die Hauptsteuerlogik 51 (und die hierin beschriebenen untergeordneten Logikmodule) ausführt, die Betriebsschaltfrequenz von P₁~P₄ und S₁~S₄ während des Echtzeitbetriebs variieren, und zusätzlich sollte man verstehen, dass die NSS-Implementierung die Schaltfrequenz einschränken kann, wie ebenfalls aus US-Patentschrift Nr. 9,729,066 hervorgeht.
Unter anhaltender Bezugnahme auf 5 beinhaltet die Hauptsteuerlogik 51 ferner noch die Betriebsmodus-Steuerlogik 64, die im Speicher 50 gespeichert ist und die, wenn sie durch die Steuerung 46 ausgeführt wird, dafür ausgelegt ist, den Schaltblock 16 so zu steuern, dass er (i) den vorstehend beschriebenen ersten Zustand für den ersten (Lade-)Betriebsmodus annimmt, wenn vorbestimmte Batterieladekriterien erfüllt sind, und (ii) den vorstehend beschriebenen zweiten Zustand für den zweiten (Motorantriebs-)Betriebsmodus annimmt, wenn vorbestimmte Motorantriebskriterien erfüllt sind.
Rein beispielhaft können die vorbestimmten Batterieladekriterien beinhalten, dass die Vorrichtung 10 bestimmt, wann sich das Elektrofahrzeug in einem ruhenden (bewegungslosen) Zustand befindet und bereit zum Laden ist (z. B. in der „Park“-Stellung). Die Motorantriebskriterien können rein beispielhaft beinhalten, dass die Vorrichtung 10 bestimmt, wann sich das Elektrofahrzeug in einem fahrbereiten Zustand befindet (z. B. in der „Fahr“-Stellung). In diesem Zusammenhang können Kriterien zum Bestimmen des Fahrmodus beinhalten (i) dass das Fahrzeug in den Fahrmodus versetzt wird, entweder durch Einführen des Schlüssels in den Zündschalter, Erfassen des Vorhandenseins des Schlüssels im Inneren der Fahrzeugkabine oder Ermitteln, dass ein Mobiltelefon-Schlüssel korrekt ist; (ii) dass ein Entfernen des AC-Ladesteckers von dem Fahrzeug erfasst wird; und (iii) dass bestimmt wird, dass ein Batterieladezustand zum Fahren ausreichend ist.
10 ist ein vereinfachtes Prinzip- und Blockschaltbild einer Ausführungsform von Vorrichtung 10, die zur Verwendung in dem zweiten Motorantrieb-Betriebsmodus geeignet ist. Wenn die Betriebsmodus-Steuerlogik 64 bestimmt, dass sich die Vorrichtung im zweiten Betriebsmodus befinden sollte, weist die Steuerung 46 den Schaltblock 16, und insbesondere Relaisbank 16₂ , an, den zweiten Zustand anzunehmen, in dem der bidirektionale AC/DC-Wandler 18, wie gezeigt, über die Bank 16₂ elektrisch mit dem Elektromotor 14 verbunden ist, wobei die elektrischen Verbindungen elektrisch geschlossen sind. Im zweiten Betriebsmodus ist der Wandler 18 dafür ausgelegt, hinsichtlich der Funktionsweise, in einer Ausführungsform als ein Stromquellen-Wechselrichter (CSI) zu arbeiten. Wie vorstehend angemerkt, wird die Lade-/Antriebsleistung durch die Phasenverschiebung und die Schaltfrequenz bestimmt.
In der Ausführungsform aus 10 wird davon ausgegangen, dass der Elektromotor 14 ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) ist und dass die gezeigte Konfiguration einen Steueralgorithmus zum Betrieb im zweiten Motorantrieb-Betriebsmodus implementiert. 10 zeigt mehrere Stromsensoren 88a, 88b und 88c zum Erfassen eines jeweiligen (tatsächlichen) Phasenstroms ia, ib und ic für Phase a, Phase b und Phase c, die an dem Elektromotor 14 angelegt sind, wobei die Sensoren, wie gezeigt, ein jeweiliges Phasenstrom-Anzeigesignal erzeugen. 10 zeigt ferner mehrere Vergleichsvorrichtungen 90a, 90b und 90c sowie mehrere proportional-integrale (Pl-)Steuerblöcke 92a, 92b und 92c. 10 zeigt ferner einen DQ-Umkehrtransformationsblock 94 sowie einen Eingangsantrieb-Befehlsblock 96.
Die veranschaulichte Ausführungsform implementiert ein so genanntes dq-Modell zur n-Phasen-Motorsteuerung, bei dem die Motordrehzahl durch den d-Achsenstrom (id*) bestimmt wird und das Motordrehmoment durch den q-Achsenstrom (iq*) bestimmt wird. Der Befehlsblock 96 stellt eine befohlene Motordrehzahl und Drehmoment, wie beispielsweise durch vorbestimmte Fahrzeugsteuerverfahren vorgegeben, dar, die mit den Benutzereingaben sowie verschiedenen Fahrzeugbetriebsparametem bereitgestellt werden, wie es im Stand der Technik üblich ist. Dementsprechend sind id* und iq* die Befehle, die den gewünschten oder angestrebten Motorbetriebsbedingungen des Motors 14 entsprechen. Der DQ-Umkehrtransformationsblock 94 ist dafür ausgelegt, die angestrebten Motordrehzahl- und Drehmomentbedingungen in entsprechende Phasenströme zu übersetzen, die als ia*, ib* und ic* bezeichnet werden (d. h. dies sind die Referenzströme für Phasen a, b und c). Die tatsächlichen (erfassten) Motorphasenströme ia, ib und ic werden mit den Referenzphasenströmen verglichen und es wird ein jeweiliges Differenz- oder Fehlersignal erzeugt, das dem entsprechenden PI-Steuerblock 92a, 92b und 92c zugeführt wird. Die PI-Steuerblöcke 92a, 92b und 92c sind wiederum dafür ausgelegt, die angemessenen Wandler-Steuerparameter für jede Phase zu erzeugen, wobei g(t) für Phase A ga ist, w(t) für Phase A wa ist und fs(t) für Phase A fsa ist (z. B. ga, wa, fsa für Phase A, gb, wb, fsb für Phase B und gc, wc und fsc für Phase C). Diese Steuerparameter steuern die Umwandlung des aus der Batterie 20 entnommenen Gleichstroms in jeweilige Phasenströme, die an den Elektromotor angelegt werden.
Ausführungsformen, die der vorliegenden Offenbarung entsprechen, weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Ein Vorteil sind die geringen Kosten. Durch Verwenden eines AC/DC-Wandlers zur Realisierung sowohl von Schnellladung als auch Motorantrieb ergibt sich eine signifikante Kostenreduzierung der gesamten Leistungselektroniksysteme an Bord eines Fahrzeugs, verglichen mit herkömmlichen Realisierungen, die separate AC/DC- und DC/AC-Wandler für den jeweiligen Zweck beinhalten.
Ein weiterer Vorteil ist die hohe Leistungsdichte. Der bidirektionale AC/DC-Wandler nutzt, in einer Ausführungsform, GaN-HEMT-Festkörperschalter in den Schaltmodulen, die mit einer relativ hohen Schaltfrequenz >100 kHz betrieben werden können, welche fast zehnmal so schnell wie eine Schaltfrequenz im Zusammenhang mit herkömmlichen Si-Schaltern sein kann. Eine derart hohe Schaltfrequenz führt zu Oberwellen höherer Ordnung, die leichter zu filtern sind. Dieser Umstand ermöglicht daher die Verwendung wesentlich kleinerer Ausgangskondensatoren, die mit der Batterie parallelgeschaltet sind, wodurch der eingenommene Raum reduziert und die Leistungsdichte erhöht wird.
Ein weiterer Vorteil ist eine hohe Effizienz. Ein herkömmlicher DC/AC-Wechselrichter arbeitet im Hartschaltmodus, was zu hohen Schaltverlusten führt, weshalb die Schaltfrequenz tendenziell gering ist. Bei einer Ausführungsform ist der bidirektionale AC/DC-Wandler dafür ausgelegt, in einem Weichschaltmodus zu arbeiten, was zu einer höheren Effizienz führt. Demgegenüber kann ein herkömmlicher Wechselrichter auf Si-Schalter-Basis eine Schaltfrequenz von 10 kHz und eine Effizienz von 96 % aufweisen, während eine Wechselrichterausführungsform auf Basis eines GaN-HEMT-Schalters, sogar mit einem Trenntransformator, eine Schaltfrequenz von >100 kHz und eine Effizienz von 98 % aufweist.
Noch ein weiterer Vorteil betrifft die Unterstützung von Schnellladung. Bei einer herkömmlichen Ladeeinrichtung wird die Leistungsfähigkeit nicht nur durch die Netzspannung begrenzt, sondern auch durch die Kosten und den verfügbaren Platz. Da viele der einphasigen Ladeeinrichtungen eine Leistungsdichte von etwa 1 kW/L aufweisen und die dreiphasigen Ladeeinrichtungen eine Leistungsdichte von etwa 2 kW/L aufweisen, ist es schwierig, eine Ladeeinrichtung >20 kW zu konstruieren, da diese einen erheblichen Platzbedarf (Volumen) im Fahrzeug hätte, der in der Regel nicht verfügbar ist. Durch Verwendung desselben Wandlers sowohl für die Batterieladung als auch für Motorantriebszwecke, weisen die Ladeeinrichtung und der Wechselrichter die gleichen Leistungsstufen auf, was das System besonders geeignet für einen Einsatz im so genannten Schnellladeverfahren macht, das beispielsweise Ladeleistungen von etwa -50 kW beinhaltet.
Es sollte sich verstehen, dass eine elektronische Steuereinheit, wie hierin beschrieben, eine herkömmliche Verarbeitungsvorrichtung, wie im Stand der Technik bekannt, beinhalten kann, die in der Lage ist, vorprogrammierte Anweisungen, die in einem dazugehörigen Speicher gespeichert werden, auszuführen, die alle in Übereinstimmung mit der hierin beschriebenen Funktionalität arbeiten. Soweit die hierin beschriebenen Verfahren in Software ausgeführt sind, kann die resultierende Software in einem zugehörigen Speicher gespeichert werden und kann zudem die Mittel zur Durchführung solcher Verfahren bilden. Eine Implementierung bestimmter Ausführungsformen, wenn dies in Software geschieht, würde, angesichts der vorstehenden befähigenden Beschreibung, nicht mehr als eine routinemäßige Anwendung von Programmierkenntnissen eines Durchschnittsfachmanns erfordern. Eine derartige elektronische Steuereinheit kann ferner von einem Typ sein, der sowohl ROM als auch RAM, eine Kombination aus nichtflüchtigem Speicher und flüchtigem (modifizierbarem) Speicher, aufweist, sodass eine beliebige Software gespeichert werden kann und dennoch eine Speicherung und Verarbeitung dynamisch erzeugter Daten und/oder Signale möglich ist.
Obgleich vorstehend nur bestimmte Ausführungsformen zu einem gewissen Genauigkeitsgrad beschrieben wurden, könnte ein Fachmann zahlreiche Veränderungen an den offenbarten Ausführungsformen vornehmen, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Es ist beabsichtigt, dass die gesamte in der vorstehenden Beschreibung enthaltene oder in den zugehörigen Zeichnungen gezeigte Sache als rein veranschaulichend und nicht einschränkend ausgelegt wird. Es können Änderungen im Detail oder am Aufbau vorgenommen werden, ohne von der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, abzuweichen.
Jedwede(s) Patent, Veröffentlichung oder andere Offenbarungsmaterialien, vollständig oder teilweise, die hierin durch Bezugnahme als aufgenommen gelten, sind hierin nur in dem Umfang aufgenommen, dass die aufgenommenen Materialien nicht mit vorhandenen Definitionen, Erklärungen oder anderen in dieser Offenbarung dargelegten Offenbarungsmaterialien in Widerspruch stehen. Als solches, und soweit erforderlich, ersetzt die Offenbarung, wie hierin ausdrücklich dargelegt, jedwedes widersprüchliche Material, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Jedes Material, oder Teile davon, das durch Bezugnahme als hierin aufgenommen gilt, jedoch mit vorhandenen Definitionen, Erklärungen oder anderen hierin dargelegten Offenbarungsmaterialien in Widerspruch steht, wird nur in dem Maße aufgenommen, dass kein Widerspruch zwischen diesem aufgenommenen Material und dem vorhandenen Offenbarungsmaterial entsteht.
Während eine oder mehrere spezielle Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, wird ein Fachmann verstehen, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62475566 [0001]
US 14744998 [0046]
US 9729066 [0053]
US 15/198887 [0053]

Claims

Elektrische Stromumwandlungsvorrichtung, umfassend: eine elektronische Steuerung mit einem Prozessor und einem Speicher; einen Schaltblock, der durch die Steuerung gesteuert wird und eine erste Schnittstelle aufweist, die dafür ausgelegt ist, zum Empfangen eines ersten AC-Signals, das erste, zweite und dritte Phasen aufweist, mit einer Netzstromquelle verbunden zu werden, wobei der Schaltblock eine zweite Schnittstelle aufweist, die dafür ausgelegt ist, mit einem Elektromotor verbunden zu werden; einen dreiphasigen bidirektionalen AC/DC-Wandler, der dafür ausgelegt ist, mit einer dritten Schnittstelle des Schaltblocks verbunden zu werden, und der erste, zweite und dritte einphasige AC/DC-Wandlermodule beinhaltet, die jeweils mit der Steuerung verbunden und durch diese gesteuert werden, wobei die AC/DC-Wandlermodule jeweilige Eingänge, jeweilige Ausgänge, die an einem Ausgangsknoten verbunden sind, und einen jeweiligen Transformator, der dafür ausgelegt, eine elektrische Isolation bereitzustellen, aufweisen; wobei die Steuerung, in einem ersten Betriebsmodus, den Schaltblock so steuert, dass er einen ersten Zustand annimmt, in dem (i) die erste und dritte Schnittstelle so verbunden sind, dass das Stromnetz mit dem dreiphasigen bidirektionalen AC/DC-Wandler verbunden ist, der so gesteuert wird, dass er das erste AC-Signal am Ausgangsknoten in ein Ausgangssignal, das eine AC-Komponente aufweist, zum Laden einer Batterie umwandelt, und (ii) die zweite und dritte Schnittstelle getrennt sind, um damit den Elektromotor zu trennen; und wobei die Steuerung, in einem zweiten Betriebsmodus, den Schaltblock so steuert, dass er einen zweiten Zustand annimmt, in dem (i) die erste und die dritte Schnittstelle getrennt sind, sodass das Stromnetz getrennt ist, und (ii) die zweite und die dritte Schnittstelle verbunden sind, um den Elektromotor mit dem dreiphasigen bidirektionalen AC/DC-Wandler zu verbinden, der so gesteuert wird, dass er den aus der Batterie entnommenen Gleichstrom in ein zweites elektrisches AC-Signal zum Erregen des Elektromotors umwandelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner Betriebsmodus-Steuerlogik, die in dem Speicher gespeichert ist, umfasst, die, wenn sie durch die Steuerung ausgeführt wird, dafür ausgelegt ist, den Schaltblock so zu steuern, dass er (i) den ersten Zustand annimmt, wenn vorbestimmte Batterieladekriterien erfüllt sind, und (ii) den zweiten Zustand annimmt, wenn vorbestimmte Motorantriebskriterien erfüllt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner Hauptsteuerlogik, die in dem Speicher gespeichert ist, umfasst, die, wenn sie von der Steuerung ausgeführt wird, dafür ausgelegt ist, den Betrieb, wenn im ersten Betriebsmodus, des dreiphasigen bidirektionalen AC/DC-Wandlers so zu steuern, dass während des Ladens der Batterie Blindleistungskompensation (BLK) und Nullspannungsschaltung (NSS) erreicht werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes AC/DC-Wandlermodul jeweils (i) eine Gleichrichterstufe zum Umwandeln einer jeweiligen Phase des ersten AC-Signals in ein DC-Signal und (ii) eine Dual-Active-Bridge(DAB)-Stufe, die dafür ausgelegt ist, das DC-Signal in das Ausgangssignal umzuwandeln, das die DC-Komponente aufweist, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei ein Betrieb des ersten, zweiten und dritten AC/DC-Wandlermoduls in dem ersten Betriebsmodus jeweilige AC-Komponenten davon erzeugt, die sich gegenseitig tendenziell aufheben.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei jede Gleichrichterstufe mit einer jeweiligen der ersten, zweiten und dritten Phasen des ersten AC-Signals gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, ein jeweiliges DC-Signal zu erzeugen, wobei jede Gleichrichterstufe mehrere jeweilige Gleichrichterschalter beinhaltet, die in einer Vollbrückenanordnung angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Steuerung eine Gleichrichterlogik, die in dem Speicher gespeichert ist, beinhaltet, wobei die Gleichrichterlogik, wenn sie durch die Steuerung ausgeführt wird, dafür ausgelegt ist, einen ersten Satz von Schaltsteuersignalen zu erzeugen, die Gate-Treibersignalen für die mehreren Gleichrichterschalter entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Netzspannungssensor in Abtastbeziehung mit dem AC-Signal von der Netzstromquelle, der dafür ausgelegt ist, ein Netzspannungssignal zu erzeugen, das die Spannung des ersten AC-Signals anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Gleichrichterlogik im ersten Betriebsmodus auf das Netzspannungssignal reagiert, indem sie den ersten Satz von Schaltsteuersignalen erzeugt, um eine Synchrongleichrichtung des ersten AC-Signals bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Gleichrichterlogik im zweiten Betriebsmodus dafür ausgelegt ist, die Gleichrichterstufe zu steuern, um das zweite AC-Signal für den Elektromotor gemäß einer Motorgrundfrequenz zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei jede Dual-Active-Bridge(DAB)-Stufe Folgendes beinhaltet: (i) eine erste Vollbrücke, die mit der Gleichrichterstufe verbunden ist und mehrere DC-zu-AC-Schalter beinhaltet, (ii) den Transformator, der eine entsprechende Primärwicklung aufweist, die mit der ersten Vollbrücke gekoppelt ist, wobei der Transformator eine elektrisch isolierte und magnetisch gekoppelte Sekundärwicklung aufweist, und (iii) eine zweite Vollbrücke zwischen der Sekundärwicklung und dem Ausgangsknoten, die mehrere AC-zu-DC-Schalter beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 11, die ferner eine Kopplungsdrossel beinhaltet, die zwischen der ersten Vollbrücke und der Primärwicklung des Transformators in Reihe geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das erste AC-Signal eine erste Frequenz aufweist, wobei die erste Vollbrücke in dem ersten Betriebsmodus dafür ausgelegt ist, das erste DC-Signal in ein drittes AC-Signal umzuwandeln, wobei das dritte AC-Signal eine zweite Frequenz aufweist, die höher als die erste Frequenz ist, wobei die Hauptsteuerlogik, wenn sie durch die Steuerung im ersten Betriebsmodus ausgeführt wird, dafür ausgelegt ist, (i) einen zweiten Satz von Schaltsteuersignalen, die den Gate-Treibersignalen für die mehreren DC-zu-AC-Schalter entsprechen, und (ii) einen dritten Satz von Schaltsteuersignalen, die den Gate-Treibersignalen für die AC-zu-DC-Schalter entsprechen, zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Hauptsteuerlogik eine Blindleistungskompensations(BLK)-Logik beinhaltet, die, wenn sie durch die Steuerung im ersten Modus ausgeführt wird, dafür ausgelegt ist, den zweiten und dritten Satz von Schaltsteuersignalen zu erzeugen, um einen Leistungsfaktor im Zusammenhang mit dem aus der Netzstromquelle entnommenen Stroms in Richtung von Eins zu erhöhen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die BLK-Logik dafür ausgelegt ist, eine Phasendifferenz von Gate-Treibersignalen in Verbindung mit jeweiligen DAB-Stufen zu variieren.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Hauptsteuerlogik eine in dem Speicher gespeicherte Motorsteuerlogik beinhaltet, wobei die Motorsteuerlogik, wenn sie durch die Steuerung im zweiten Betriebsmodus ausgeführt wird, dafür ausgelegt ist, den Betrieb des ersten, zweiten und dritten AC/DC-Wandlermoduls basierend auf einem Motorsteuerungsbefehlssignal zu steuern, um das zweite AC-Signal zu erzeugen, um den Elektromotor anzutreiben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schaltblock elektrisch betätigte Relais umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner Hauptsteuerlogik, die in dem Speicher gespeichert ist, umfasst, die, wenn sie von der Steuerung ausgeführt wird, dafür ausgelegt ist, den Betrieb, wenn im zweiten Betriebsmodus, des dreiphasigen bidirektionalen AC/DC-Wandlers so zu steuern, dass während des Antreibens des Motors eine Nullspannungsschaltung (NSS) erreicht wird.
Elektrische Stromumwandlungsvorrichtung zum Laden einer Batterie und zum Antreiben eines Elektromotors, umfassend: eine elektronische Steuerung, die einen Prozessor und einem Speicher beinhaltet; einen Schaltblock, der von der elektronischen Steuerung gesteuert wird und eine erste Schnittstelle aufweist, die dafür ausgelegt ist, zum Empfangen eines ersten elektrischen AC-Signals elektrisch mit einem ersten Stromnetz, das eine erste, zweite und dritte Phase aufweist, verbunden zu werden, wobei der Schaltblock eine zweite Schnittstelle aufweist, die dafür ausgelegt ist, mit einem Elektromotor verbunden zu werden; einen dreiphasigen bidirektionalen AC/DC-Wandler, der dafür ausgelegt ist, elektrisch mit einer dritten Schnittstelle des Schaltblocks verbunden zu werden, und der erste, zweite und dritte einphasige AC/DC-Wandlermodule beinhaltet, die jeweils mit der elektronischen Steuerung verbunden sind und durch diese gesteuert werden, wobei die AC/DC-Wandlermodule jeweilige Eingänge, jeweilige Ausgänge, die an einem Ausgangsknoten verbunden sind, und einen jeweiligen Transformator, der dafür ausgelegt ist, eine elektrische Isolation bereitzustellen, aufweisen; wobei, in einem ersten Betriebsmodus, die Steuerung den Schaltblock so steuert, dass er einen ersten Zustand annimmt, in dem (i) die erste und die dritte Schnittstelle elektrisch verbunden sind, sodass das Stromnetz mit dem dreiphasigen bidirektionalen AC/DC-Wandler verbunden ist, der so gesteuert wird, dass er das erste, elektrische AC-Eingangssignal in ein Ausgangssignal mit einer DC-Komponente am Ausgangsknoten umwandelt, um eine wiederaufladbare Batterie, die an dem Ausgangsknoten verbunden ist, zu laden, und (ii) die zweite und die dritte Schnittstelle elektrisch getrennt sind, um damit den Elektromotor elektrisch zu trennen; und wobei, in einem zweiten Betriebsmodus, die Steuerung den Schaltblock so steuert, dass er einen zweiten Zustand annimmt, in dem (i) die erste und die dritte Schnittstelle elektrisch getrennt sind, sodass das Stromnetz getrennt ist, und (ii) die zweite und die dritte Schnittstelle elektrisch verbunden sind, um dadurch den Elektromotor mit dem dreiphasigen bidirektionalen AC/DC-Wandler zu verbinden, der so gesteuert wird, dass er den aus der Batterie entnommenen Gleichstrom in ein zweites elektrisches AC-Signal zum Erregen des Elektromotors umwandelt.