EP4655172A1 - Elektrisches antriebssystem und verfahren zum laden - Google Patents

Elektrisches antriebssystem und verfahren zum laden

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EP4655172A1
EP4655172A1 EP25703077.5A EP25703077A EP4655172A1 EP 4655172 A1 EP4655172 A1 EP 4655172A1 EP 25703077 A EP25703077 A EP 25703077A EP 4655172 A1 EP4655172 A1 EP 4655172A1
Authority
EP
European Patent Office
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connection box
voltage
diode
inverter
charging station
Prior art date
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Pending
Application number
EP25703077.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Urs Boehme
Jörg Weigold
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Mercedes Benz Group AG filed Critical Mercedes Benz Group AG
Publication of EP4655172A1 publication Critical patent/EP4655172A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B60L53/24—Using the vehicle's propulsion converter for charging
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0069—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to the isolation, e.g. ground fault or leak current
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/11—DC charging controlled by the charging station, e.g. mode 4
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
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    • B60L2210/10—DC to DC converters
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to an electric drive system for a vehicle according to the preamble of claim 1 and to a method for charging a high-voltage battery of the electric drive system according to the preamble of claim 7 or 8.
  • DE 102021 003 852 A1 describes an electric drive system for a vehicle, with
  • a charging voltage of the vehicle-side charging connection can be converted into a supply voltage for charging the electrical energy storage device.
  • the invention is based on the object of providing a novel electric drive system for a vehicle and a novel method for charging a high-voltage battery of the electric drive system.
  • an electric drive system for a vehicle having the features of claim 1 and a method for charging a high-voltage battery of the electric drive system having the features of claim 7 or 8.
  • An electric drive system for a vehicle comprising an electric machine with three stator windings for driving the vehicle, a high-voltage battery, and an inverter for converting a direct voltage of the high-voltage battery into an alternating voltage for supplying the electric machine.
  • the inverter comprises a B6 bridge consisting of three half-bridges, each formed from two semiconductor switches, to whose center taps one of the stator windings is connected.
  • a DC connection box for charging the high-voltage battery using a direct voltage and/or an AC connection box for at least single-phase charging of the high-voltage battery using an alternating voltage is provided. According to the invention,
  • a diode or a semiconductor with diode function is arranged between the center tap of one of the half-bridges and a contact of the AC junction box and/or the DC junction box, polarized in the reverse direction,
  • a diode or a semiconductor with diode function is arranged between the center tap of another of the half-bridges and another contact of the AC junction box and/or the DC junction box, polarized in the reverse direction,
  • the semiconductor switches and/or the semiconductors with diode function are designed as MOSFETs or IGBTs with freewheeling diodes.
  • the inverter has an intermediate circuit capacitor.
  • the inverter has current measuring devices for measuring the alternating current between the center taps of the half-bridges and the stator windings.
  • two relay contacts are arranged between the respective conductor and the connected diodes to de-energize two conductors, including a phase conductor and a neutral conductor, of the AC junction box.
  • two relay contacts are arranged between the respective conductor and the connected diodes to de-energize two conductors, including a positive potential conductor and a negative potential conductor, of the DC junction box.
  • one relay contact assigned to the DC connection box and one relay contact assigned to the AC connection box are connected to each other to form a pair.
  • a method for charging the high-voltage battery of the described electric drive system at a DC charging station with a boost function wherein the DC charging station is connected to the DC junction box.
  • a semiconductor switch arranged as a low-side switch of one of the half-bridges, which is connected to the DC junction box via one of the diodes, is controlled in a clocked manner.
  • a method for charging the high-voltage battery of the described electric drive system at an AC charging station wherein the AC charging station is connected to the AC junction box.
  • a semiconductor switch arranged as a low-side switch of one of the half-bridges which is connected to the DC junction box via one of the diodes, is controlled in a clocking manner, wherein during a negative half-wave of the alternating voltage fed in by the AC charging station, a semiconductor switch arranged as a low-side switch of another of the half-bridges, which is connected to the DC junction box via one of the diodes, is controlled in a clocking manner.
  • the semiconductor switch arranged as a high-side switch of the same half-bridge can be closed as soon as a current flows through its body diode or freewheeling diode.
  • a target current is regulated by timing the semiconductor switches.
  • the inventive solution eliminates the need for contactors to isolate the star point of the electric machine.
  • the boost function utilizes the main inductances of the electric machine's stator windings.
  • the electric machine and inverter can be used as a single-phase power factor correction (PFC).
  • PFC power factor correction
  • the electric machine and inverter can be used as a boost DC/DC converter, for example, from 400 V to 800 V.
  • the inventive solution prevents battery short circuits in the event of an insulation fault in the vehicle and in the event of a varistor trip in the charging station (Chademo problem).
  • Fig. 1 is a schematic view of an inverter for operating an electrical machine with a circuit including a DC connection box and an AC connection box,
  • Fig. 2 is a schematic view of a simplified circuit of the inverter
  • Fig. 3 is a schematic view of a further simplified circuit of the
  • Fig. 4 is a schematic view of the simplified circuitry of the inverter according to Figure 2 when charging at a DC charging station with boost function
  • Fig. 5 is a schematic diagram with signals from a simulation of the inverter when charging at a DC charging station with boost function
  • Fig. 6 is a schematic diagram showing signals from the simulation of the inverter when insulation faults occur
  • Fig. 7 is a schematic diagram with further signals of the simulation of the inverter to illustrate a potential distribution
  • Fig. 8 is a schematic view of the inverter circuitry when charging at an AC charging station during a positive half-wave
  • Fig. 9 is a schematic view of the inverter circuitry when charging at the AC charging station during a negative half-wave
  • Fig. 10 is a schematic diagram showing signals from a simulation of the inverter during charging at the AC charging station
  • Fig. 11 is a schematic diagram showing signals from the simulation of the inverter during AC charging at the beginning of the positive half-wave
  • Fig. 12 is a schematic diagram showing signals from the simulation of the inverter during AC charging at the beginning of the negative half-wave.
  • Figure 1 is a schematic view of an inverter 1 for operating an electrical machine 2, for example a drive motor of an electrically powered vehicle, in particular a passenger car, a commercial vehicle or a bus.
  • the inverter 1 has a B6 bridge consisting of three half-bridges HB1, HB2, HB3, each formed from two semiconductor switches S1 to S6, in particular MOSFET or IGBT with a freewheeling diode.
  • the inverter 1 also has an intermediate circuit capacitor C and current measuring devices A, in particular for measuring alternating current, at the center taps of the half-bridges HB1 to HB3.
  • the electrical machine 2 has three stator windings L1 to L3, which are connected to the center taps of the half-bridges HB1 to HB3.
  • the inverter 1 is configured by means of appropriate circuitry to charge a high-voltage battery 3 of the vehicle using direct current via a DC Junction box 4 and by means of a single-phase alternating voltage via an AC junction box 5.
  • the circuit comprises two relays or relay contacts L, N for the voltage isolation of two conductors, in particular a phase conductor and a neutral conductor, of the AC connection box 5. Furthermore, two relays or relay contacts L, N for the voltage isolation of two conductors, in particular a phase conductor and a neutral conductor, of the AC connection box 5. Furthermore, two relays or relay contacts L, N for the voltage isolation of two conductors, in particular a phase conductor and a neutral conductor, of the AC connection box 5. Furthermore, two relays or
  • Relay contacts EVSE_P, EVSE_N are arranged to de-energize two conductors, specifically a positive potential conductor and a negative potential conductor, of the DC junction box.
  • Relay contacts EVSE_P, EVSE_N are connected to each other in a pair, for example, relay contact L is connected to relay contact EVSE_P, and relay contact N is connected to relay contact EVSE_N.
  • a diode D1 is arranged between the center tap of one of the half-bridges HB1 to HB3, for example the half-bridge HB1, and a pair of the interconnected relay contacts L, EVSE_P polarized in the reverse direction.
  • a diode D2 is arranged between the center tap of another of the half-bridges HB1 to HB3, for example the half-bridge HB2, and the other pair of interconnected relay contacts N, EVSE_N, polarized in the reverse direction.
  • a diode D3, D4 is arranged in the forward direction from a negative high-voltage potential HV- of the inverter 1 to each pair of the interconnected relay contacts L, EVSE_P and N, EVSE_N.
  • an alternative semiconductor component with diode function can also be used, for example a MOSFET with a body diode in the direction of the respective diode, an IGBT with a corresponding freewheeling diode, etc.
  • the present invention proposes a solution in which, during DC charging, a DC charging station 6 is connected via the DC connection box 4, the relay contacts EVSE_P, EVSE_N and at least one or more of the diodes D1, D2, D3, D4 are connected to the inverter 1 and the electric machine 2, so that the function of a galvanically coupled DC/DC converter can be realized only by means of a special control of at least one or more of the semiconductor switches S1 to S6. Since the current flow through the stator windings L1 to L3 represents a realistic operating point of the electric machine 2, the entire stator inductance can be used. The electric machine 2 nevertheless does not move.
  • FIG 2 is a schematic view of a simplified circuit of inverter 1 without the AC junction box 5 (shown in Figure 1) and the relay contacts L, N (shown in Figure 1).
  • Diode D4 serves to prevent a short circuit of the high-voltage battery 3 as a result of an insulation fault between the positive high-voltage potential HV+ and a potential equalization PA in the vehicle and, as a result, an insulation fault between a negative high-voltage potential HV_N (shown in Figure 7) and the potential equalization PA in the DC charging station 6.
  • the boost function can be implemented when charging at a DC charging station 6.
  • Figure 3 is a schematic view of a simplified circuit of inverter 1 without the AC junction box 5 (shown in Figure 1), the relay contacts L, N (shown in Figure 1), and the diodes D1 to D3 (shown in Figure 1). Instead of via diode D1, the relay contact EVSE_P is connected directly to the center tap of the half-bridge HB1.
  • the arrangement shown is the minimum configuration for implementing the boost function when charging at a DC charging station 6.
  • Figure 4 is a schematic view of the simplified circuitry of inverter 1 according to Figure 2 during charging at the DC charging station 6 with boost function.
  • the semiconductor switch S4 i.e. the low-side switch of one of the half-bridges HB1 to HB3, in particular the half-bridge HB2, are controlled in a clocked manner.
  • a current I1 flows from the DC charging station 6 via the relay contact EVSE_P, the diode D1, the stator winding L1, the star point of the electric machine 2 (shown in Figure 1), the stator winding L2, the semiconductor switch S4, the diode D4 (shown in Figure 1) and the relay contact EVSE_N back to the DC charging station 6.
  • Figure 4 shows that only two of the four diodes D1 to D4, namely D1 and D4, are required for the boost function. They can also be replaced by MOSFETs for optimization at higher currents. Unlike the state of the art, they offer the advantage of preventing a battery short circuit in the event of an insulation fault (Chademo problem).
  • the two stator windings L1 and L2 are supplied with the voltage of the DC charging station 6.
  • the current I1 through the two stator windings L1 and L2 increases.
  • the high-voltage battery 3 is not charged.
  • the controlled semiconductor switch S4 is opened, the only possible freewheeling path for the current I2 impressed in the stator windings L1 and L2 is via the body diode of the high-side switch located in the same half-bridge, in this case the semiconductor switch S3.
  • this semiconductor switch S3 can be closed as soon as the current I2 flows.
  • the resulting current path leads via the high-voltage battery 3, so that it is charged.
  • FIG 5 is a schematic diagram with signals from a simulation of inverter 1 (shown in Figure 1) with the circuitry, whereby the boost function was represented at a DC charging station 6 (shown in Figure 1) with 400 V.
  • a target current was specified within the limits of 120 A to 125 A.
  • the following two diagrams show the currents of the stator windings L1, L2, L3 (shown in Figure 1) and a control signal Gate_S4 for controlling the semiconductor switch S4 (shown in Figure 1).
  • a time t 0.5 s, an insulation fault occurs in the vehicle from the positive high-voltage potential HV+ to the equipotential bonding PA.
  • the clock operation of the semiconductor switch S4 is stopped and the semiconductor switch S4 remains open.
  • Insulation resistance 1 MOhm
  • Inductance of the stator windings L1, L2, L3 1000 pF
  • Internal resistance Ri_Batt shown in Figure 1 of the high-voltage battery 3 (shown in Figure 1) and the DC charging station 6: 0.1 Ohm
  • Figure 5 shows a source voltage U_Q of the DC charging station 6, the control signal Gate_S4 for controlling the semiconductor switch S4, a current l_HV+ in the positive high-voltage potential HV+ (shown in Figure 1), a current l_HV- (shown in Figure 1) in the negative high-voltage potential HV-, a current l_Q from the DC charging station 6 and a charging current l_L flowing into the high-voltage battery 6.
  • the semiconductor switch S4 As soon as the semiconductor switch S4 is opened when 125 A is reached, the current l_Q of the DC charging station 6 flows through both stator windings L1, L2 and through the high-voltage battery 3. The current l_Q weakens in the process. When the value falls below 120 A, the semiconductor switch S4 is closed again.
  • the second insulation fault occurs, from the negative high-voltage potential HV_N (shown in Figure 7) to the equipotential bonding PA in DC charging station 6.
  • HV_N negative high-voltage potential
  • No short-circuit current is generated in DC charging station 6, but a current is generated, which is very high here due to the relatively low assumed value of 0.1 mOhm. In reality, this would mean that DC charging station 6 is set to the maximum current commanded by the vehicle, or that the current corresponds to the maximum current of its power electronics (for example, a possible value when commanded by the vehicle is 150 A, or 500 A at the maximum current of DC charging station 6).
  • Figure 7 is a schematic diagram with further signals of the simulation of inverter 1 (shown in Figure 1) with the circuitry to illustrate the potential distribution.
  • the negative high-voltage potential HV_P is reduced at DC charging station 6 by the value of the booster, i.e. starting from a voltage from HV+ to PA of 500 V in the vehicle and a voltage increase by the booster of 400 V, the voltage between HV_P and PA on the DC charging station 6 side is 100 V.
  • Figure 8 is a schematic view of the wiring of inverter 1 when charging at an AC charging station 7.
  • a pair of diodes D1, D3 is to be connected to relay contact L for the phase conductor and the second pair of diodes D2, D4 is to be connected to relay contact N for the neutral conductor.
  • the pair of diodes D1, D3 assigned to the first half-bridge HB1 was selected for relay contact L for the phase conductor and the pair of diodes D2, D4 assigned to the second half-bridge HB2 was selected for relay contact N for the neutral conductor.
  • other variants for connecting relay contacts N and L to the diode pairs can also be selected.
  • the circuit functions identically to the booster function shown above.
  • the timing of semiconductor switch S4 regulates the current to a target current. This target current depends on the current instantaneous value of the alternating voltage.
  • PFC power factor correction
  • Figure 9 is a schematic view of the circuitry of the inverter 1 when charging at an AC charging station 7 during the negative half-wave of the voltage supplied by the AC charging station 7 supplied alternating voltage.
  • a low-side switch for example, semiconductor switch S2 of another half-bridge HB1 of the B6 module, must also be operated in a pulsed manner to regulate the current to the setpoint.
  • the choke current is freewheeled via the body diode of the high-side switch arranged above it, for example, semiconductor switch S1 of this half-bridge HB1.
  • a current I1 flows from the AC charging station 7 via the relay contact N, the diode D2, the stator winding L2, the star point of the electrical machine 2 (shown in Figure 1), the stator winding L1, the semiconductor switch S2, the diode D3 and the relay contact L back to the AC charging station 7.
  • a current I2 flows from the AC charging station 7 via the relay contact N, the diode D2, the stator winding L2, the star point of the electrical machine 2, the stator winding L1, the body diode of the semiconductor switch S1, the high-voltage battery 3, the diode D3 and the relay contact L back to the AC charging station 7.
  • Figure 10 is a schematic diagram with signals from a simulation of inverter 1 (shown in Figure 1) with the circuitry, where the AC charging function was represented at an AC charging station 7 (shown in Figure 1).
  • the instantaneous value of the alternating voltage U_Q fed in by the AC charging station 7 is determined via a voltage measurement.
  • the appropriate semiconductor switch S2, S4 is then controlled so that the correct current is set for each half-wave.
  • the target current for example, is 16 A, which should be set at the peak value of the voltage half-wave.
  • the diagram shows the source voltage U_Q of the AC charging station 7, the control signals Gate_S2, Gate_S4 of the semiconductor switches S2, S4 (shown in Figure 1), the current l_L1 in the stator winding L1 (shown in Figure 1), the current l_L2 in the stator winding L2 (shown in Figure 1), the current l_Q flowing from the AC charging station 7, and the charging current l_L of the high-voltage battery 3 (shown in Figure 1).
  • the task of the PFC function of inverter 1 is to set a current for both half-waves that is proportional to the voltage curve and whose peak value is 16 A.
  • the target current is set by comparison with a proportionally reduced value of the voltage measurement.
  • a tolerance of, for example, +/- 1 A is specified as the maximum deviation from the target current, which means that as soon as the current is 1 A in the positive half-wave below the target value, the corresponding semiconductor switch S4 is switched on in order to switch the current l_L1, l_L2 through the Stator windings L1, L2 are increased. If the current value exceeds the setpoint by 1 A, semiconductor switch S4 is opened again. In this case, the current l_L1, l_L2 is freewheeled through the stator windings L1, L2 via the high-voltage battery 3, thus charging it.
  • Figure 11 is a schematic diagram with signals from the simulation of inverter 1 (shown in Figure 1) with the circuitry during AC charging at the beginning of the positive half-cycle.
  • Figure 12 is a schematic diagram with signals from the simulation of inverter 1 (shown in Figure 1) with the circuitry during AC charging at the beginning of the negative half-cycle.
  • small Y-capacitors are arranged in the PFC area and then galvanically isolated via an isolating DC/DC converter, or
  • a compensating current is fed into the protective conductor PE.
  • a Y capacitance of approximately 50 nF to 80 nF per high-voltage potential HV+, HV- should be provided.
  • HV+, HV_P high-voltage potential, positive high-voltage potential
  • HV-, HV_N high-voltage potential, negative high-voltage potential

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit einer elektrischen Maschine (2) mit drei Statorwicklungen (L1, L2, L3), einer Hochvolt-Batterie (3) und einem Inverter (1) zur Spannungsversorgung der elektrischen Maschine (2), wobei der Inverter (1) drei Halbbrücken (HB1, HB2, HB3) aufweist, die aus jeweils zwei Halbleiterschaltern (S1 bis S6) gebildet sind, an deren Mittelabgriffen je eine der Statorwicklungen (L1, L2, L3) angeschlossen ist, wobei ferner eine DC-Anschlussdose (4) zum Laden der Hochvolt-Batterie (3) mittels einer Gleichspannung und/oder eine AC-Anschlussdose (5) zum zumindest einphasigen Laden der Hochvolt-Batterie (3) mittels einer Wechselspannung angeordnet ist, wobei eine Diode (D1) oder ein Halbleiter mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer der Halbbrücken (HB1 bis HB3) und einem Kontakt der AC-Anschlussdose (5) und/oder der DC-Anschlussdose (4) in Sperrrichtung gepolt angeordnet ist, eine Diode (D2) oder ein Halbleiter mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer anderen der Halbbrücken (HB1 bis HB3) und einem anderen Kontakt der AC-Anschlussdose (5) und/oder der DC-Anschlussdose (4) in Sperrrichtung gepolt angeordnet ist, je eine Diode (D3, D4) oder je ein Halbleiter mit Diodenfunktion von einem negativen Hochvoltpotential (HV-) des Inverters (1) zu jedem der beiden Kontakte der AC-Anschlussdose (5) und/oder der DC-Anschlussdose (4) in Durchlassrichtung gepolt angeordnet ist.

Description

Elektrisches Antriebssystem und Verfahren zum Laden
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Laden einer Hochvolt-Batterie des elektrischen Antriebssystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 oder 8.
DE 10 2021 003 883 A1 beschreibt ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit
- einer Schaltvorrichtung, welche aufweist:
- einen ersten Schaltzustand, in welchem ein Ladeanschluss mit einem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs direkt verbunden ist, sodass der elektrische Energiespeicher mit einer Eingangsspannung, welche am Ladeanschluss anliegt, aufladbar ist,
- einen zweiten und dritten Schaltzustand, in welchem der Ladeanschluss über einen Wechselrichter mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden ist, sodass der elektrische Energiespeicher in Abhängigkeit von dem Wechselrichter aufladbar ist.
DE 102021 003 852 A1 beschreibt ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit
- einer elektrischen Drehstrommaschine zum Antreiben des Fahrzeugs,
- einem elektrischen Energiespeicher zum elektrischen Versorgen der elektrischen Drehstrommaschine während eines Fährbetriebs des Fahrzeugs,
- einem Wechselrichter der elektrischen Drehstrommaschine, welcher mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch gekoppelt ist, und
- einem fahrzeugseitigen Ladeanschluss zum elektrischen Koppeln des elektrischen Energiespeichers mit einer fahrzeugexternen Ladeeinheit, wobei
- in Abhängigkeit von dem Wechselrichter eine Ladespannung des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses in eine Versorgungsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers umwandelbar ist.
Aus der CN 215793231 U ist eine integrierte Struktur mit einem Wechselrichter, einem Ladegerät und einer Motorwicklung bekannt, wobei der Wechselrichter zwischen einer HV-Batterie und einem Motor mit der Motorwicklung zu dessen Betrieb geschaltet ist. Eine Wechselspannungsversorgung ist über eine Gleichrichterbrücke durch einen Anschluss mit einer Ausgangsphase des Wechselrichters und durch einen anderen Anschluss mit einer HV-Gleichspannungsphase des Wechselrichters und damit mit der HV-Batterie verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug und ein neuartiges Verfahren zum Laden einer Hochvolt-Batterie des elektrischen Antriebssystems anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Laden einer Hochvolt-Batterie des elektrischen Antriebssystems mit den Merkmalen des Anspruchs 7 oder 8.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es wird ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug vorgeschlagen, mit einer elektrischen Maschine mit drei Statorwicklungen zum Antrieb des Fahrzeugs, einer Hochvolt-Batterie und einem Inverter zur Wandlung einer Gleichspannung der Hochvolt- Batterie in eine Wechselspannung zur Versorgung der elektrischen Maschine, wobei der Inverter eine B6-Brücke aus drei Halbbrücken aufweist, die aus jeweils zwei Halbleiterschaltern gebildet sind, an deren Mittelabgriffen je eine der Statorwicklungen angeschlossen ist. Ferner ist eine DC-Anschlussdose zum Laden der Hochvolt-Batterie mittels einer Gleichspannung und/oder eine AC-Anschlussdose zum zumindest einphasigen Laden der Hochvolt-Batterie mittels einer Wechselspannung angeordnet. Erfindungsgemäß ist
- eine Diode oder ein Halbleiter mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer der Halbbrücken und einem Kontakt der AC-Anschlussdose und/oder der DC-Anschlussdose in Sperrrichtung gepolt angeordnet,
- eine Diode oder ein Halbleiter mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer anderen der Halbbrücken und einem anderen Kontakt der AC-Anschlussdose und/oder der DC-Anschlussdose in Sperrrichtung gepolt angeordnet,
- je eine Diode oder je ein Halbleiter mit Diodenfunktion von einem negativen Hochvoltpotential des Inverters zu jedem der beiden Kontakte der AC-Anschlussdose und/oder der DC-Anschlussdose in Durchlassrichtung gepolt angeordnet. In einer Ausführungsform sind die Halbleiterschalter und/oder die Halbleiter mit Diodenfunktion als MOSFET oder IGBT mit Freilaufdiode ausgebildet.
In einer Ausführungsform weist der Inverter einen Zwischenkreiskondensator auf.
In einer Ausführungsform weist der Inverter Strommessgeräte zur Wechselstrommessung zwischen den Mittelabgriffen der Halbbrücken und den Statorwicklungen auf.
In einer Ausführungsform sind zur Spannungsfreischaltung zweier Leiter, einschließlich eines Phasenleiters und eines Nullleiters, der AC-Anschlussdose zwei Relaiskontakte zwischen dem jeweiligen Leiter und den daran angeschlossenen Dioden angeordnet. Alternativ oder zusätzlich sind zur Spannungsfreischaltung zweier Leiter, einschließlich eines positiven Potentialleiters und eines negativen Potentialleiters, der DC- Anschlussdose zwei Relaiskontakte zwischen dem jeweiligen Leiter und den daran angeschlossenen Dioden angeordnet.
In einer Ausführungsform sind in Richtung des Inverters je ein der DC-Anschlussdose zugeordneter Relaiskontakt und ein der AC-Anschlussdose zugeordneter Relaiskontakt untereinander zu einem Paar verbunden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Laden der Hochvolt-Batterie des beschriebenen elektrischen Antriebssystems an einer DC- Ladestation mit Boost-Funktion vorgeschlagen, wobei die DC-Ladestation mit der DC- Anschlussdose verbunden wird. Erfindungsgemäß wird ein als Low-Side-Schalter angeordneter Halbleiterschalter einer der Halbbrücken, die über eine der Dioden mit der DC-Anschlussdose verbunden ist, taktend angesteuert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Laden der Hochvolt-Batterie des beschriebenen elektrischen Antriebssystems an einer AC- Ladestation vorgeschlagen, wobei die AC-Ladestation mit der AC-Anschlussdose verbunden wird. Erfindungsgemäß wird während einer positiven Halbwelle einer von der AC-Ladestation eingespeisten Wechselspannung ein als Low-Side-Schalter angeordneter Halbleiterschalter einer der Halbbrücken, die über eine der Dioden mit der DC- Anschlussdose verbunden ist, taktend angesteuert, wobei während einer negativen Halbwelle der von der AC-Ladestation eingespeisten Wechselspannung ein als Low-Side- Schalter angeordneter Halbleiterschalter einer anderen der Halbbrücken, die über eine der Dioden mit der DC-Anschlussdose verbunden ist, taktend angesteuert. In einer Ausführungsform kann bei geöffnetem Low-Side-Schalter der als High-Side- Schalter angeordnete Halbleiterschalter derselben Halbbrücke geschlossen werden, sobald ein Strom über seine Bodydiode oder Freilaufdiode fließt.
In einer Ausführungsform wird durch die Taktung der Halbleiterschalter ein Sollstrom geregelt.
Durch die erfindungsgemäße Lösung sind keine Schütze zur Auftrennung des Sternpunkts der elektrischen Maschine erforderlich. Die Boostfunktion nutzt die Hauptinduktivitäten der Statorwicklungen der elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine und der Inverter können als einphasige PFC genutzt werden. Ferner können die elektrische Maschine und der Inverter als Boost-DC/DC- Wandler, zum Beispiel von 400 V auf 800 V, verwendet werden. Die erfindungsgemäße Lösung vermeidet einen Batteriekurzschluss bei einem Isolationsfehler im Fahrzeug und bei Varistorauslösung in der Ladestation (Chademo-Problem).
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Inverters zum Betrieb einer elektrischen Maschine mit einer Beschaltung, einschließlich einer DC-Anschlussdose und einer AC-Anschlussdose,
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer vereinfachten Beschaltung des Inverters,
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer weiter vereinfachten Beschaltung des
Inverters,
Fig. 4 eine schematische Ansicht der vereinfachten Beschaltung des Inverters gemäß Figur 2 beim Laden an einer DC-Ladestation mit Boost-Funktion,
Fig. 5 ein schematisches Diagramm mit Signalen einer Simulation des Inverters beim Laden an einer DC-Ladestation mit Boost-Funktion, Fig. 6 ein schematisches Diagramm mit Signalen der Simulation des Inverters beim Eintreten von Isolationsfehlern,
Fig. 7 ein schematisches Diagramm mit weiteren Signalen der Simulation des Inverters zur Veranschaulichung einer Potentialverteilung,
Fig. 8 eine schematische Ansicht der Beschaltung des Inverters beim Laden an einer AC-Ladestation während einer positiven Halbwelle,
Fig. 9 eine schematische Ansicht der Beschaltung des Inverters beim Laden an der AC-Ladestation während einer negativen Halbwelle,
Fig. 10 ein schematisches Diagramm mit Signalen einer Simulation des Inverters beim Laden an der AC-Ladestation,
Fig. 11 ein schematisches Diagramm mit Signalen der Simulation des Inverters beim AC-Laden zu Beginn der positiven Halbwelle, und
Fig. 12 ein schematisches Diagramm mit Signalen der Simulation des Inverters beim AC-Laden zu Beginn der negativen Halbwelle.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines Inverters 1 zum Betrieb einer elektrischen Maschine 2, beispielsweise einer Antriebsmaschine eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, eines Nutzfahrzeugs oder eines Busses. Der Inverter 1 weist eine B6-Brücke aus drei Halbbrücken HB1 , HB2, HB3 auf, die aus jeweils zwei Halbleiterschaltern S1 bis S6, insbesondere MOSFET oder IGBT mit Freilaufdiode, gebildet sind. Ferner weist der Inverter 1 einen Zwischenkreiskondensator C und Strommessgeräte A, insbesondere zur Wechselstrommessung, an den Mittelabgriffen der Halbbrücken HB1 bis HB3 auf. Die elektrische Maschine 2 weist drei Statorwicklungen L1 bis L3 auf, die an den Mittelabgriffen der Halbbrücken HB1 bis HB3 angeschlossen sind.
Der Inverter 1 ist durch eine entsprechende Beschaltung dazu konfiguriert, beim Laden einer Hochvolt-Batterie 3 des Fahrzeugs mittels Gleichspannung über eine DC- Anschlussdose 4 und mittels einer einphasigen Wechselspannung über eine AC- Anschlussdose 5 verwendet zu werden.
Die Beschaltung umfasst zwei Relais oder Relaiskontakte L, N zur Spannungsfreischaltung zweier Leiter, insbesondere eines Phasenleiters und eines Nullleiters, der AC-Anschlussdose 5. Ferner sind zwei Relais oder
Relaiskontakte EVSE_P, EVSE_N zur Spannungsfreischaltung zweier Leiter, insbesondere eines positiven Potentialleiters und eines negativen Potentialleiters, der DC- Anschlussdose angeordnet. In Richtung des Inverters 1 sind je ein Relaiskontakt L, N und ein Relaiskontakt EVSE_P, EVSE_N untereinander zu einem Paar verbunden, beispielsweise zum einen der Relaiskontakt L mit dem Relaiskontakt EVSE_P und zum anderen der Relaiskontakt N mit dem Relaiskontakt EVSE-N.
Ferner ist eine Diode D1 zwischen dem Mittelabgriff einer der Halbbrücken HB1 bis HB3, beispielsweise der Halbbrücke HB1 , und einem Paar der zusammengeschalteten Relaiskontakte L, EVSE_P in Sperrrichtung gepolt angeordnet.
Ferner ist eine Diode D2 zwischen dem Mittelabgriff einer anderen der Halbbrücken HB1 bis HB3, beispielsweise der Halbbrücke HB2, und dem anderen Paar der zusammengeschalteten Relaiskontakte N, EVSE_N in Sperrrichtung gepolt angeordnet.
Ferner ist je eine Diode D3, D4 in Durchlassrichtung von einem negativen Hochvoltpotential HV- des Inverters 1 zu jedem Paar der zusammengeschalteten Relaiskontakte L, EVSE_P und N, EVSE_N angeordnet.
Statt der Dioden D1 bis D4 kann jeweils auch ein alternatives Halbleiterbauelement mit Diodenfunktion eingesetzt werden, beispielsweise ein MOSFET mit Bodydiode in Richtung der jeweiligen Diode, ein IGBT mit entsprechender Freilaufdiode usw.
Zum Laden einer Hochvolt-Batterie 3 eines batterieelektrischen Fahrzeugs an einer DC- Ladestation 6, die eine maximale Ausgangsspannung (beispielsweise 500 V) bereitstellt, die geringer ist als eine Nennspannung (beispielsweise 800 V) der Hochvolt-Batterie 3, sind im Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt, beispielsweise eine Umschaltbatterie, ein separater Boost-DC/DC-Wandler, usw.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Lösung vor, bei der beim DC-Laden eine DC- Ladestation 6 so über die DC-Anschlussdose 4, die Relaiskontakte EVSE_P, EVSE_N und zumindest ein oder mehrere der Dioden D1 , D2, D3, D4 mit dem Inverter 1 und der elektrischen Maschine 2 verbunden wird, dass nur mittels einer speziellen Ansteuerung mindestens eines oder mehrerer der Halbleiterschalter S1 bis S6 die Funktion eines galvanisch gekoppelten DC/DC-Wandlers dargestellt werden kann. Da der Stromfluss durch die Statorwicklungen L1 bis L3 einen realistischen Betriebspunkt der elektrischen Maschine 2 darstellt, kann hierbei die komplette Statorinduktivität verwendet werden. Die elektrische Maschine 2 bewegt sich dennoch nicht.
Im Falle eines Isolationsfehlers im Fahrzeug kann es als direkte Folge zu einer Überlastung der Isolation in dem entgegengesetzten HV_N Potential der DC- Ladestation 6 kommen. Durch Schutz-Varistoren in der DC-Ladestation 6 entsteht dabei ein Kurzschluss der Hochvolt-Batterie 3. Das Problem des Batteriekurzschlusses (mehrere tausend Ampere) wird in der vorgeschlagenen Architektur durch die Diode D4 vermieden. Außerdem ist es dabei wichtig, dass der jeweils taktende
Halbleiterschalter S1 bis S6 im Inverter 1 im Falle dieses doppelten Isolationsfehlers nicht mehr aktiviert (eingeschaltet) wird. Es kann jedoch ein Kurzschluss der DC-Ladestation 6 bestehen bleiben.
Figur 2 ist eine schematische Ansicht einer vereinfachten Beschaltung des Inverters 1 ohne die AC-Anschlussdose 5 (dargestellt in Figur 1) und die Relaiskontakte L, N (dargestellt in Figur 1). Die Diode D4 dient der Vermeidung des Kurzschlusses der Hochvolt-Batterie 3 als Folge eines Isolationsfehlers des positiven Hochvoltpotentials HV+ zu einem Potentialausgleich PA im Fahrzeug und infolgedessen eines Isolationsfehlers von eines negativen Hochvoltpotentials HV_N (dargestellt in Figur 7) zum Potentialausgleich PA in der DC-Ladestation 6. Mit der gezeigten Anordnung ist die Boost-Funktion beim Laden an einer DC-Ladestation 6 darstellbar.
Figur 3 ist eine schematische Ansicht einer vereinfachten Beschaltung des Inverters 1 ohne die AC-Anschlussdose 5 (dargestellt in Figur 1), die Relaiskontakte L, N (dargestellt in Figur 1) und die Dioden D1 bis D3 (dargestellt in Figur 1). Statt über die Diode D1 ist der Relaiskontakt EVSE_P direkt auf den Mittelabgriff der Halbbrücke HB1 geschaltet. Die gezeigte Anordnung ist die Minimalkonfiguration zur Darstellung der Boost-Funktion beim Laden an einer DC-Ladestation 6.
Figur 4 ist eine schematische Ansicht der vereinfachten Beschaltung des Inverters 1 gemäß Figur 2 beim Laden an der DC-Ladestation 6 mit Boost-Funktion. Dabei wird der Halbleiterschalter S4, das heißt der Low-Side-Schalter einer der Halbbrücken HB1 bis HB3, insbesondere der Halbbrücke HB2, taktend angesteuert. Bei geschlossenem Halbleiterschalter S4 fließt ein Strom 11 von der DC-Ladestation 6 über den Relaiskontakt EVSE_P, die Diode D1 , die Statorwicklung L1 , den Sternpunkt der elektrischen Maschine 2 (dargestellt in Figur 1), die Statorwicklung L2, den Halbleiterschalter S4, die Diode D4 (dargestellt in Figur 1) und den Relaiskontakt EVSE_N zurück zur DC-Ladestation 6. Bei geöffnetem Halbleiterschalter S4 fließt ein Strom I2 von der DC-Ladestation 6 über den Relaiskontakt EVSE_P, die Diode D1 , die Statorwicklung L1 , den Sternpunkt der elektrischen Maschine 2, die Statorwicklung L2, die Bodydiode des Halbleiterschalters S3, die Hochvolt-Batterie 3, die Diode D4 und den Relaiskontakt EVSE_N zurück zur DC-Ladestation 6.
Aus Figur 4 ist ersichtlich, dass für die Boost-Funktion nur zwei der vier Dioden D1 bis D4, nämlich die Dioden D1 und D4, notwendig sind. Sie können zur Optimierung bei höheren Strömen auch durch MOSFETS ersetzt werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik bieten sie den Vorteil der Vermeidung eines Batteriekurzschlusses bei einem Isolationsfehler (Chademo-Problem).
Sobald der angesteuerte Halbleiterschalter S4 geschlossen wird, werden die beiden Statorwicklungen L1 und L2 mit der Spannung der DC-Ladestation 6 beaufschlagt. Der Strom 11 durch die beiden Statorwicklungen L1 und L2 steigt an. In dieser Phase erfolgt keine Ladung der Hochvolt-Batterie 3. Wird der angesteuerte Halbleiterschalter S4 geöffnet, ist der einzige mögliche Freilaufpfad für den in den Statorwicklungen L1 und L2 eingeprägten Strom I2 über die Bodydiode des in derselben Halbbrücke befindlichen High-Side-Schalters, in diesem Fall des Halbleiterschalters S3. Zur Verlustoptimierung kann dieser Halbleiterschalter S3 geschlossen werden sobald der Strom I2 fließt. Der sich ergebene Strompfad führt über die Hochvolt-Batterie 3, sodass diese geladen wird.
Figur 5 ist ein schematisches Diagramm mit Signalen einer Simulation des Inverters 1 (dargestellt in Figur 1) mit der Beschaltung, wobei die Boost-Funktion an einer DC- Ladestation 6 (dargestellt in Figur 1) mit 400 V dargestellt wurde. Ein Sollstrom wurde innerhalb der Grenzen von 120 A bis 125 A vorgegeben. In den folgenden beiden Diagrammen sind die Ströme der Statorwicklungen L1 , L2, L3 (dargestellt in Figur 1) und ein Steuersignal Gate_S4 zur Ansteuerung des Halbleiterschalters S4 (dargestellt in Figur 1) gezeigt. Zu einem Zeitpunkt t=0,5 s tritt ein Isolationsfehler im Fahrzeug vom positiven Hochvoltpotential HV+ zum Potentialausgleich PA ein. Zu einem Zeitpunkt t= 0,6 s wird der Taktbetrieb des Halbleiterschalters S4 gestoppt und der Halbleiterschalters S4 bleibt geöffnet. Zu einem Zeitpunkt t= 0,7 s findet ein zweiter Isolationsfehler in der DC- Ladestation 6 vom negativen Hochvoltpotential HV_N- (dargestellt in Figur 1) zum Potentialausgleich PA statt.
Als Parameter für die Simulation wurden verwendet: Isolationswiderstände: 1 MOhm Induktivität der Statorwicklungen L1 , L2, L3: 1000 pF Innenwiderstand Ri_Batt (dargestellt in Figur 1) der Hochvolt-Batterie 3 (dargestellt in Figur 1) und der DC-Ladestation 6: 0,1 Ohm
In Figur 5 sind eine Quellenspannung U_Q der DC-Ladestation 6, das Steuersignal Gate_S4 zur Ansteuerung des Halbleiterschalters S4, ein Strom l_HV+ im positiven Hochvoltpotential HV+ (dargestellt in Figur 1), ein Strom l_HV- (dargestellt in Figur 1) im negativen Hochvoltpotential HV-, ein Strom l_Q aus der DC-Ladestation 6 und ein in die Hochvolt-Batterie 6 fließender Ladestrom l_L dargestellt.
Wenn der Halbleiterschalter S4 geschlossen ist, steigt der Strom in den beiden Statorwicklungen L1, L2 an. Es ist zu sehen, dass der Strom l_Q der DC-Ladestation 6 identisch zum Betrag des Stroms in den Statorwicklungen L1 , L2 ist. In dieser Zeit findet keine Ladung der Hochvolt-Batterie 3 statt (Strom l_L= 0). Der Strom steigt in dieser Phase an, bis er den Sollwert von 125 A erreicht hat. Normalerweise wäre dies allerdings durch den großen Zwischenkreiskondensator C (dargestellt in Figur 1) des Inverters 1 immer noch gegeben. Er wurde hier jedoch weggelassen, um die Funktion besser darstellen zu können. Sobald der Halbleiterschalter S4 beim Erreichen von 125 A geöffnet wird, fließt der Strom l_Q der DC-Ladestation 6 sowohl durch die beiden Statorwicklungen L1, L2, als auch durch die Hochvolt-Batterie 3. Der Strom l_Q schwächt sich dabei ab. Ab dem Unterschreiten des Wertes von 120 A wird der Halbleiterschalter S4 wieder geschlossen.
Figur 6 ist ein schematisches Diagramm mit Signalen der Simulation des Inverters 1 (dargestellt in Figur 1) mit der Beschaltung beim Eintreten von Isolationsfehlern: Über das gesamte Zeitfenster der Simulation tritt zunächst ein Isolationsfehler im Fahrzeug vom positiven Hochvoltpotential HV+ (dargestellt in Figur 1) zum Potentialausgleich PA ein (Isolationswert ist idealer Kurzschluss, das heißt 0 Ohm, Zeitpunkt t= 0,5s). In diesem Zustand funktioniert die Schaltung noch fehlerfrei, das heißt der als Booster arbeitende Inverter 1 kann den Sollstrom einstellen und lädt damit die Hochvolt-Batterie 3 (dargestellt in Figur 1). Es gibt keine Kurzschlussströme der Hochvolt- Batterie 3 oder der DC-Ladestation 6 (dargestellt in Figur 1). Ab dem Zeitpunkt t= 0,6s wird die Taktung des Halbleiterschalters S4 (dargestellt in Figur 1) eingestellt. Sobald die Taktung des Halbleiterschalters S4 eingestellt wird, endet der Ladestrom l_L von der DC- Ladestation 6 zur Hochvolt-Batterie 3. Es bestehen immer noch keine Kurzschlüsse.
Ab dem Zeitpunkt t= 0,7s findet der zweite Isolationsfehler vom negativen Hochvoltpotential HV_N (dargestellt in Figur 7) zum Potentialausgleich PA in der DC- Ladestation 6 statt. Es bildet sich kein Kurzschlussstrom der DC-Ladestation 6, aber ein Strom, der hier allerdings durch den recht niedrig angenommenen Wert von 0,1 mOhm sehr hoch ist. In der Realität würde dies bedeuten, dass die DC-Ladestation 6 auf den maximalen Strom der Kommandierung durch das Fahrzeug eingestellt wird oder der Strom dem maximalen Strom ihrer Leistungselektronik entspricht (zum Beispiel möglicher Wert bei Kommandierung durch das Fahrzeug 150 A oder bei maximalem Strom der DC- Ladestation 6 500 A).
Figur 7 ist ein schematisches Diagramm mit weiteren Signalen der Simulation des Inverters 1 (dargestellt in Figur 1) mit der Beschaltung zur Veranschaulichung der Potentialverteilung.
In der Simulation wurden die Hochvoltpotentiale HV_P, HV_N der DC-Ladestation 6 (dargestellt in Figur 1) im Fahrzeug erfasst. Dies ist vor allem interessant, wenn Isolationsfehler betrachtet werden. In der Zeit vor t= 0,5s ist die Isolation noch intakt. Es wird eine gleichmäßige Verteilung der Isolationswiderstände angenommen (je 1 MOhm). Dies führt zu einer annähernd symmetrischen Hochvolt-Verteilung im Fahrzeug (500 V HV+ zu PA und 300 V HV- zu PA. Die Hochvolt-Verteilung von HV- zu PA des Fahrzeugs überträgt sich auf die Seite der DC-Ladestation 6, da es sich bei der Boosterfunktion um einen galvanisch gekoppelten Booster mit gemeinsamem negativem Hochvoltpotential HV-, HV_N handelt. Das negative Hochvoltpotential HV_P ist bei der DC-Ladestation 6 um den Wert des Boosters abgesenkt, das heißt ausgehend von einer Spannung von HV+ zu PA von 500 V im Fahrzeug und einer Spannungserhöhung durch den Booster von 400 V ergibt sich eine Spannung zwischen HV_P und PA auf der Seite der DC- Ladestation 6 von 100 V.
Ab dem Eintreten des ersten Isolationsfehlers im Fahrzeug bei t=0,5 s verschieben sich die Potentiale sowohl im Fahrzeug als auch in der DC-Ladestation 6 um 500 V nach unten. Sobald das Takten des Halbleiterschalters S4 (dargestellt in Figur 1) gestoppt wird, fällt die Spannungsdifferenz zwischen der Hochvolt-Batterie 3 (dargestellt in Figur 1) (800 V) und der DC-Ladestation 6 (400 V) an der Diode D4 (dargestellt in Figur 1) ab. Da HV_P identisch zu PA ist, ist nun HV_N um den Betrag der Spannung der DC-Ladestation 6 unterhalb von PA (-400V).
Ab t=0,7s wird nun ein zweiter Isolationsfehler in der DC-Ladestation 6 von HV_N zu PA angenommen. Auch dieser Isolationsfehler wird als idealer Kurzschluss mit 0 Ohm angenommen. Somit ergibt sich eine Potentialverteilung von 0 V von HV_P zu PA und gleichzeitig von 0 Ohm von HV_N zu PA auf Seiten der DC-Ladestation 6. Dies ist jedoch nur als theoretische Verteilung zu betrachten, da anzunehmen ist, dass ein Isolationsfehler zwar niederohmig ist, jedoch nie 0 Ohm erreichen wird.
Figur 8 ist eine schematische Ansicht der Beschaltung des Inverters 1 beim Laden an einer AC-Ladestation 7. Um einphasig AC laden zu können, ist ein Paar Dioden D1 , D3 mit dem Relaiskontakt L für die Phase und das zweite Paar Dioden D2, D4 mit dem Relaiskontakt N für den Nullleiter zu verbinden. In der gezeigte Ausführungsform wurde das der ersten Halbbrücke HB1 zugeordnete Paar Dioden D1 , D3 für den Relaiskontakt L der Phase und das der zweiten Halbbrücke HB2 zugeordnete Paar Dioden D2, D4 für den Relaiskontakt N des Nullleiters gewählt. In anderen Ausführungsformen können auch andere Varianten für den Anschluss der Relaiskontakte N und L an die Diodenpaare gewählt werden.
In der positiven Halbwelle der von der AC-Ladestation 7 eingespeisten Wechselspannung ist die Funktion der Schaltung identisch zur oben gezeigten Funktion des Boosters. Über die Taktung des Halbleiterschalters S4 wird auf einen Sollstrom geregelt. Dieser Sollstrom ist abhängig vom aktuell anliegenden Momentanwert der Wechselspannung. Solche Regelungsverfahren entsprechen dem Stand der Technik zur Regelung von Wechselströmen einer Leistungsfaktorkorrektur (PFC - Power Factor Correction). Bei geschlossenem Halbleiterschalter S4 fließt ein Strom 11 von der AC-Ladestation 7 über den Relaiskontakt L, die Diode D1, die Statorwicklung L1, den Sternpunkt der elektrischen Maschine 2 (dargestellt in Figur 1), die Statorwicklung L2, den Halbleiterschalter S4, die Diode D4 und den Relaiskontakt N zurück zur AC-Ladestation 7. Bei geöffnetem Halbleiterschalter S4 fließt ein Strom I2 von der AC-Ladestation 7 über den Relaiskontakt L, die Diode D1, die Statorwicklung L1 , den Sternpunkt der elektrischen Maschine 2, die Statorwicklung L2, die Bodydiode des Halbleiterschalters S3, die Hochvolt-Batterie 3, die Diode D4 und den Relaiskontakt N zurück zur AC-Ladestation 7.
Figur 9 ist eine schematische Ansicht der Beschaltung des Inverters 1 beim Laden an einer AC-Ladestation 7 während der negativen Halbwelle der durch die AC-Ladestation 7 eingespeisten Wechselspannung. In der negativen Halbwelle der Wechselspannung ist der Stromfluss umgekehrt im Vergleich zur positiven Halbwelle. Dementsprechend muss auch ein Low-Side-Schalter, beispielsweise der Halbleiterschalter S2 einer anderen Halbbrücke HB1 des B6-Moduls taktend betrieben werden, um den Strom auf den Sollwert zu regeln. Der Freilauf des Drosselstroms erfolgt über die Bodydiode des darüber angeordneten High-Side-Schalters, beispielsweise des Halbleiterschalters S1 , dieser Halbbrücke HB1. Bei geschlossenem Halbleiterschalter S2 fließt ein Strom 11 von der AC- Ladestation 7 über den Relaiskontakt N, die Diode D2, die Statorwicklung L2, den Sternpunkt der elektrischen Maschine 2 (dargestellt in Figur 1), die Statorwicklung L1, den Halbleiterschalter S2, die Diode D3 und den Relaiskontakt L zurück zur AC-Ladestation 7. Bei geöffnetem Halbleiterschalter S2 fließt ein Strom I2 von der AC-Ladestation 7 über den Relaiskontakt N, die Diode D2, die Statorwicklung L2, den Sternpunkt der elektrischen Maschine 2, die Statorwicklung L1 , die Bodydiode des Halbleiterschalters S1 , die Hochvolt-Batterie 3, die Diode D3 und den Relaiskontakt L zurück zur AC-Ladestation 7.
Figur 10 ist ein schematisches Diagramm mit Signalen einer Simulation des Inverters 1 (dargestellt in Figur 1) mit der Beschaltung, wobei die AC-Ladefunktion an einer AC- Ladestation 7 (dargestellt in Figur 1) dargestellt wurde. Über eine Spannungsmessung wird der Momentanwert der von der AC-Ladestation 7 eingespeisten Wechselspannung U_Q ermittelt. Anschließend wird je nach Vorzeichen der korrekte Halbleiterschalter S2, S4 so angesteuert, dass sich für jede Halbwelle der korrekte Strom einstellt. Der Sollstrom beträgt beispielsweise 16 A, der im Scheitelwert der Spannungshalbwelle eingestellt werden soll.
Im Diagramm dargestellt sind die Quellenspannung U_Q der AC-Ladestation 7, die Steuersignale Gate_S2, Gate_S4 der Halbleiterschalter S2, S4 (dargestellt in Figur 1), der Strom l_L1 in der Statorwicklung L1 (dargestellt in Figur 1), der Strom l_L2 in der Statorwicklung L2 (dargestellt in Figur 1), der aus der AC-Ladestation 7 fließende Strom l_Q und der Ladestrom l_L der Hochvolt-Batterie 3 (dargestellt in Figur 1). Aufgabe der PFC-Funktion des Inverters 1 ist es, für beide Halbwellen einen Strom einzustellen, der proportional zum Spannungsverlauf ist und dessen Scheitelwert 16 A beträgt. Die Einstellung des Sollstroms erfolgt über einen Vergleich mit einem proportional reduzierten Wert der Spannungsmessung. Es wird hierbei als maximale Abweichung vom Sollstrom eine Toleranz von beispielsweise +/- 1 A vorgegeben, das heißt sobald der Strom 1 A in der positiven Halbwelle unterhalb der Sollvorgabe ist, wird der entsprechende Halbleiterschalter S4 zugeschaltet, um den Strom l_L1, l_L2 durch die Statorwicklungen L1, L2 zu erhöhen. Ist der aktuelle Stromwert um 1 A über dem Sollwert, so wird der Halbleiterschalter S4 wieder geöffnet. In diesem Fall erfolgt der Freilauf des Stroms l_L1, l_L2 durch die Statorwicklungen L1, L2 über die Hochvolt-Batterie 3, sodass diese geladen wird.
In der negativen Halbwelle wird mit entgegengesetztem Vorzeichen geschaltet, das heißt sobald der Strom um 1 A unterhalb des (negativen) Sollstroms liegt, wird der Halbleiterschalter S2 geöffnet. Sobald der Strom um 1 A oberhalb des Sollstroms liegt, wird der Halbleiterschalter S2 wieder geschlossen.
Figur 11 ist ein schematisches Diagramm mit Signalen der Simulation des Inverters 1 (dargestellt in Figur 1) mit der Beschaltung beim AC-Laden zu Beginn der positiven Halbwelle.
Figur 12 ist ein schematisches Diagramm mit Signalen der Simulation des Inverters 1 (dargestellt in Figur 1) mit der Beschaltung beim AC-Laden zu Beginn der negativen Halbwelle.
Wird bei der Simulation die Spannung zwischen dem negativen Hochvoltpotential HV- (dargestellt in Figur 1) und dem Potentialausgleich PA betrachtet, so fällt auf, dass das negative Hochvoltpotential HV- während der negativen Halbwelle identisch zur Phase der Quellenspannung U_Q ist. Mit anderen Worten: In der negativen Halbwelle werden die HV-Potentiale HV+, HV- (dargestellt in Figur 1) des Fahrzeugs bezogen auf den Potentialausgleich PA = N = PE (Schutzleiter) gemäß einer Sinushalbwelle verschoben. Dies ist ebenfalls ein typisches Verhalten einer PFC. Bei großen Y-Kapazitäten zwischen HV+ bzw. HV- und PA würde dies zu einem Ableitstrom führen, der einen Fl-Schalter einer Hausinstallation zum Auslösen bringen könnte (Ausgleichstrom fließt auf Schutzleiter PE).
Zur Abhilfe können
1. kleine Y-Kapazitäten im Bereich der PFC angeordnet und anschließend eine galvanische Trennung über einen isolierenden DC/DC-Wandler vorgenommen werden, oder
2. ein kompensierender Strom auf dem Schutzleiter PE eingespeist werden.
Anmerkung zu 1.: Bei 800V-Fahrzeugen müssen die Y-Kapazitäten des Fahrzeugs bedingt durch die C1 -Kennlinie geringer gehalten werden als bei 400V-Fahrzeugen. Heruntergebrochen auf die Y-Kapazität des Inverters 1 (dargestellt in Figur 1) einschließlich der elektrischen Maschine 2 (dargestellt in Figur 1) bedeutet dies: Bei einem 400V-lnverter sollte eine Y-Kapazität von etwa 500 nF je Hochvoltpotential HV+, HV- vorgesehen werden.
Bei einem 800V-lnverter sollte eine Y-Kapazität von etwa 50 nF bis 80 nF je Hochvoltpotential HV+, HV- vorgesehen werden.
Es wird deutlich, dass bei 800V-Fahrzeugen der Ableitstrom wesentlich geringer ist.
Bezugszeichenliste
1 Inverter
2 elektrische Maschine
3 Hochvolt-Batterie
4 DC-Anschlussdose
5 AC-Anschlussdose
6 DC- Ladestation
7 AC- Ladestation
A Strommessgerät
C Zwischenkreiskondensator
D1 bis D4 Diode
EVSE_N Relaiskontakt
EVSE_P Relaiskontakt
Gate_S2, Gate_S4 Steuersignal HB1 bis HB3 Halbbrücke
HV+, HV_P Hochvoltpotential, positives Hochvoltpotential
HV-, HV_N Hochvoltpotential, negatives Hochvoltpotential
11, I2, l_HV+, l_HV-, I— Q, LL1 , l_L2 Strom l_L Ladestrom
L Relaiskontakt
L1 bis L3 Statorwicklung
N Relaiskontakt
S1 bis S6 Halbleiterschalter
Ri_Batt Innenwiderstand
U_Q Quellenspannung

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit einer elektrischen Maschine (2) mit drei Statorwicklungen (L1 , L2, L3) zum Antrieb des Fahrzeugs, einer Hochvolt- Batterie (3) und einem Inverter (1) zur Wandlung einer Gleichspannung der Hochvolt-Batterie (3) in eine Wechselspannung zur Versorgung der elektrischen Maschine (2), wobei der Inverter (1) eine B6-Brücke aus drei
Halbbrücken (HB1, HB2, HB3) aufweist, die aus jeweils zwei Halbleiterschaltern (S1 bis S6) gebildet sind, an deren Mittelabgriffen je eine der Statorwicklungen (L1, L2, L3) angeschlossen ist, wobei ferner eine DC- Anschlussdose (4) zum Laden der Hochvolt-Batterie (3) mittels einer Gleichspannung und/oder eine AC-Anschlussdose (5) zum zumindest einphasigen Laden der Hochvolt-Batterie (3) mittels einer Wechselspannung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Diode (D1) oder ein Halbleiter mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer der Halbbrücken (HB1 bis HB3) und einem Kontakt der AC-Anschlussdose (5) und/oder der DC-Anschlussdose (4) in Sperrrichtung gepolt angeordnet ist,
- eine Diode (D2) oder ein Halbleiter mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer anderen der Halbbrücken (HB1 bis HB3) und einem anderen Kontakt der AC- Anschlussdose (5) und/oder der DC-Anschlussdose (4) in Sperrrichtung gepolt angeordnet ist,
- je eine Diode (D3, D4) oder je ein Halbleiter mit Diodenfunktion von einem negativen Hochvoltpotential (HV-) des Inverters (1) zu jedem der beiden Kontakte der AC-Anschlussdose (5) und/oder der DC-Anschlussdose (4) in Durchlassrichtung gepolt angeordnet ist.
2. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (S1 bis S6) und/oder die Halbleiter mit Diodenfunktion als MOSFET oder IGBT mit Freilaufdiode ausgebildet sind.
3. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter (1) einen Zwischenkreiskondensator (C) aufweist.
4. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter (1) Strommessgeräte (A) zur Wechselstrommessung zwischen den Mittelabgriffen der Halbbrücken (HB1 bis HB3) und den Statorwicklungen (L1 , L2, L3) aufweist.
5. Elektrisches Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Spannungsfreischaltung zweier Leiter, einschließlich eines Phasenleiters und eines Nullleiters, der AC-Anschlussdose (5) zwei Relaiskontakte (L, N) zwischen dem jeweiligen Leiter und den daran angeschlossenen Dioden (D1 bis D4) angeordnet sind und/oder dass zur Spannungsfreischaltung zweier Leiter, einschließlich eines positiven Potentialleiters und eines negativen Potentialleiters, der DC-Anschlussdose (4) zwei Relaiskontakte (EVSE_P, EVSE_N) zwischen dem jeweiligen Leiter und den daran angeschlossenen Dioden (D1 bis D4) angeordnet sind .
6. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung des Inverters (1) je ein der DC- Anschlussdose (4) zugeordneter Relaiskontakt (L, N) und ein der AC- Anschlussdose (5) zugeordneter Relaiskontakt (EVSE_P, EVSE_N) untereinander zu einem Paar verbunden sind.
7. Verfahren zum Laden der Hochvolt-Batterie (3) des elektrischen Antriebssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche an einer DC-Ladestation (6) mit Boost- Funktion, wobei die DC-Ladestation (6) mit der DC-Anschlussdose (4) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Low-Side-Schalter angeordneter Halbleiterschalter (S2, S4, S6) einer der Halbbrücken (HB1, HB2, HB3), die über eine der Dioden (D1 , D2) mit der DC-Anschlussdose (4) verbunden ist, taktend angesteuert wird.
8. Verfahren zum Laden der Hochvolt-Batterie (3) des elektrischen Antriebssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 6 an einer AC-Ladestation (7), wobei die AC- Ladestation (7) mit der AC-Anschlussdose (5) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass während einer positiven Halbwelle einer von der AC- Ladestation (7) eingespeisten Wechselspannung ein als Low-Side-Schalter angeordneter Halbleiterschalter (S2, S4, S6) einer der Halbbrücken (HB1 , HB2, HB3), die über eine der Dioden (D1 , D2) mit der DC- Anschlussdose (4) verbunden ist, taktend angesteuert wird, wobei während einer negativen Halbwelle der von der AC-Ladestation (7) eingespeisten Wechselspannung ein als Low-Side-Schalter angeordneter Halbleiterschalter (S2, S4, S6) einer anderen der Halbbrücken (HB1 , HB2, HB3), die über eine der Dioden (D1 , D2) mit der DC-Anschlussdose (4) verbunden ist, taktend angesteuert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei geöffnetem Low-Side-Schalter der als High-Side- Schalter angeordnete Halbleiterschalter (S1, S3, S5) derselben Halbbrücke (HB1, HB2, HB3) geschlossen wird, sobald ein Strom über seine Bodydiode oder Freilaufdiode fließt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Taktung der Halbleiterschalter (S1 bis S6) ein Sollstrom geregelt wird.
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