WO2013124012A2 - Ladevorrichtung eines elektrisch betriebenen fahrzeugs - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a charging device of an electrically operated vehicle.
  • the vehicle comprises a motor, egg ⁇ nen drive converter and an energy storage.
  • Electric vehicles are typically equipped with a power supply in the form of a battery or a rechargeable battery, one or more electric motors and at least one converter for the drive.
  • a power supply in the form of a battery or a rechargeable battery, one or more electric motors and at least one converter for the drive.
  • the electric vehicle is connected to a charging station, where ⁇ the charge usually takes place on a single-phase or three-phase low-voltage network.
  • a low-voltage network is understood in the present description to mean a three-phase network with a voltage of 400V.
  • the chargers included in the charging stations allow high-performance charging (for example in a range of 40 kW to over 100 kW) or normal charging with reduced power in a power range of approximately 10 to 25 kW.
  • the outputs require corresponding boost converter chokes (so-called PFC chokes), EMC filters and switches for disconnecting the low-voltage network from the energy network of the vehicle. Due to the size and weight of these components, a suitable for a quick charge battery charger can not be integ in a vehicle ⁇ riert.
  • the invention proposes a charging device of an electrically operated vehicle, wherein the vehicle comprises a motor, a drive converter and an energy store. According to the invention, the drive converter of the vehicle forms the charging device when connecting the phases of the motor to a low-voltage network.
  • the charging device has the advantage that used in an electrically operated vehicle from the house existing components for the realization of a charging device.
  • the drive converter of an electrically operated vehicle is designed for the high powers required for fast charging, so that the drive converter can be operated not only for fast charging, but also with high efficiency.
  • power levels of more than 40 kW to more than 100 kW are implemented.
  • Another advantage of the use of the drive as a charger is that not to ⁇ slegichtmaschine switch is required for the motor current. This also results in a low complexity of Ladevor ⁇ direction.
  • the windings of the motor in charging operation can be used as PFC chokes of the charging device, thereby eliminating the need to provide correspondingly large ⁇ and heavy, separate PFC chokes additionally in the electrically powered vehicle.
  • This allows the loader can not only inexpensive but also with little additional effort and in particular Ge ⁇ weight deploy.
  • windings of the motor have a suitssanzapfung, whereby each motor phase comprises a first and second part winding, said With ⁇ tel Vietnamesesanzapfonne for charging the energy store with the Low-voltage network are connected.
  • the drive converter comprises two partial converters, wherein the first partial converter is connected between the energy store and the first partial windings and the second partial converter is connected between the energy store and the second partial windings.
  • the two partial converters use a common DC link and the same energy storage. They can be operated synchronously by the same control device and also be arranged together in a housing.
  • a control device for controlling the partial converter which controls the first and the second partial converter in push-pull mode during engine operation, that the first and second partial windings of the motor phases are traversed by current in the same direction.
  • the control device for controlling the partial converter is further designed to control the first and the second partial converter in the common mode during the charging operation, in that the first and second partial windings of the motor phases are traversed in the opposite direction by current. Due to the different current direction, no motor torque is generated in the charging mode, due to the canceling fields. This eliminates the risk that the vehicle may unintentionally set in motion during the loading operation.
  • the center taps of the windings of the motor can be connected directly or via a switching element with an EMC filter.
  • Switching element and / or EMC filter can be arranged in the vehicle or in a charging station. Are the center taps directly connected to the EMC Connected filter, the switching element is to be provided from the vehicle's point of view at the output of the EMC filter. Via the switching elements, the current required for charging via the windings of the motor to the drive converter for
  • the switching element is ge ⁇ opens, so that no further charging current flows.
  • another inverter may be provided, which is connected between the energy store and a power supply, wherein the further order ⁇ judge is dimensioned in comparison with the drive such that it with an output of more than 25 -6, and in particular to at most 50 %, the power of the drive inverter is operable.
  • the other inverter can be used for a "normal charging", in which much lower power than in fast charging implemented.
  • the drive converter described above could also be used for the normal charging, but due to the large dimensioning, the drive converter could only be operated with poor efficiency.
  • the further converter is provided, the components of which are adapted to the typical power for the normal charging.
  • the further converter can be operated with opti ⁇ mal efficiency.
  • the further converter can in principle be part of a charging station. It is also possible to provide this in the electrically powered vehicle. This is easily possible because, due to the reduced power conversion, the components required for this purpose are considerably smaller than in the case of a rapid charging process.
  • the further converter and the drive converter can be connected to the same DC voltage intermediate circuit to which the energy store is connected.
  • the other inverters and one of the partial converters are formed as a combined inverter, a second power portion of the converter element for the charging operation is formed independently from a first power unit for operating the engine as a two-, three- or multi-level Umrich ⁇ ter.
  • the integration of the components of the other inverter in one of the two partly coated judge allows the shared use of Steue ⁇ tion of the intermediate circuit and the cooling system, without running gesonder ⁇ th effort.
  • other semiconductors can also be used for the charging operation than for the motor operation, whereby the already mentioned improvement in efficiency can be achieved.
  • a common control for the on ⁇ drive inverter and the other inverter is provided. It is furthermore expedient if an EMC filter or a PFC throttle is provided on the vehicle side or charging station side for the phases (including neutral conductor and protective conductor) of the further converter. If the charging operation is carried out using the components of the other inverter, the EMC filter and the PFC choke must be provided to avoid electromagnetic incompatibility. Due to the comparatively small size and light weight, they can be provided without problems as additional components in the electrically powered vehicle.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a charging device according to the invention, in which a drive converter of the vehicle is formed by two partial converters, Fig. 2 shows a current flow when the engine is operating in the Blockdia ⁇ program of FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a current flow during charging operation in the block diagram of FIG. 1, FIG.
  • FIG. 4 shows a block diagram of an extended charging device for a normal charging, in which motor and charging operation are implemented with different converters or power parts,
  • Fig. 6 is a block diagram of a further improved charging device, which optionally allows fast charging or normal charging.
  • Fig. 1 shows a block diagram of a charging device according to the invention.
  • the charging device uses the existing in a vehicle 1 for driving a motor 10 drive converter 20 for charging an energy storage 30.
  • the motor 10 is connected to a charging station 2.
  • a system boundary between the vehicle 1 and the charging station 2 is indicated by the reference numeral 3.
  • a switching element 40 for separating a respective one of the phases is provided by way of example in the charging station 2.
  • the loading station on an EMC (electromagnetic compatibility Ver ⁇ ) filter 41st The switching element 40 and the EMC filter 41 could also be part of the vehicle 1 in an alternative embodiment.
  • the switching element 40 is to be connected via a cable to the motor 10 for the loading operation.
  • the EMC filter would be connected to the charging station via the cable.
  • the windings 14, 15, 16 of the motor phases 11, 12, 13 of the motor 10 are each in a ers ⁇ te and a second partial winding 14-1, 14-2, 15-1, 15-2, 16-1 , Split 16-2.
  • the first part of the windings 14-1, 15-1, 16-1 are connected to an AC voltage part (3AC) of the first Partum ⁇ judge 21st
  • the second partial windings 14-2, 15-2, 16-2 are connected to an AC voltage part (3AC) of a second partial converter 22.
  • a respective center tap of the windings 14, 15, 16 is connected via the cable to the switching ⁇ element 40.
  • the DC voltage (DC) parts of the Tei ⁇ lumrichter 21, 22 are connected to a same intermediate circuit 31, which is connected to the energy storage 30.
  • a fast charge with powers of over 40 kW to over 100 kW is possible.
  • the windings 14, 15, 16 of the motor ie, the motor inductance
  • the two partial converters 21, 22 are operated synchronously by the same controller.
  • the partial converter can be accommodated in practice in a common housing.
  • the two partial converters 21, 22 operate on each of the motor phases 11, 12, 13 in push-pull, so that the current in a respective first and second partial winding 14-1, 14-2 and 15-1 , 15-2 and 16- 1, 16-2, respectively, flows in the same direction.
  • FIG. 2 In the embodiment of FIG.
  • the current direction is indicated by the arrow A.
  • the 1 dargestell ⁇ te in Fig. Cradle is omitted. Because the two partial windings of a respective motor phase 11, 12, 13 are traversed by current in the same direction, a rotary field can be generated, as a result of which the motor generates a torque as intended.
  • the two partial converters 21, 22 operate in synchronism at each motor phase 11, 12, 13, so that the current in the first and second partial windings 14-1, 14-2 and 15-1, respectively , 15-2 or 16-1, 16-2 in different directions (see the arrow B) flows. Due to the different current direction, a rotating field generated in the respective part windings is compensated so that no engine torque is generated. This ensures that the vehicle can not move unintentionally during the loading operation.
  • a further advantage of the described arrangement consists in that more different space vectors can be realized with the two partial converters 21, 22 of the drive converter 20 in the charging mode. This makes it possible to better approximate the current generated by the partial converter to an ideal sinusoidal shape. While with a conventional so-called.
  • Two-level inverter in addition to the two zero pointers (000,111) can be generated even more six pointers, with the drive converter shown in Fig. 1, consisting of two sub-inverters 21, 22 is formed, eight null pointers and 18 different voltage pointers are output.
  • a charging device which allows a normal charging with power up to about 25 kW, corresponding to 32 A, from a dreipha ⁇ sigen 400 V network.
  • the drive converter of the vehicle 1 which generally has more than 100 kW, is significantly oversized. This therefore operates in the partial power range with low efficiency.
  • the use of performance-matched semiconducting ⁇ tern in an additional converter 23 provides advantages. If the buoyancy drive for the driving operation and the further converter for the charging operation share a common control and the intermediate circuit, the additional expenditure for the integration of the further converter 23 is low. In addition, no switch for disconnecting the motor 10 is required by the separate converters.
  • the drive converter 20 includes a converter 21 for driving the motor 10.
  • the coils of the motor 10 are again denoted by reference numerals 14, 15, 16.
  • the DC (DC) part of the drive converter 20 is coupled to the DC link 31 and the energy storage 30.
  • the direct current (DC) power part of the further converter 23 is connected to the intermediate circuit 31.
  • the three-phase AC (3AC) part is connected to the charging station 2 via a cable.
  • the system boundary between the vehicle and the charging station 2 is again identified by the reference numeral 3.
  • the Ladesta ⁇ tion 2 includes in addition to the switching element 45 and the EMC filter 46 for each phase, a PFC choke 47, since the normal charging the inductance of the motor can not be used.
  • the EMC filter 46 is connected to the three-phase network.
  • EMC filters and PFC chokes are small and lightweight due to the comparatively low power, they could also be integrated into the vehicle.
  • the illustrated in Fig. 4 variant of a charging device can also be realized independently of the use of the drive converter as a charging device.
  • Fig. 4 shows the relevant application.
  • the further inverter 23 can be realized for the charging operation independently of the drive converter 20 as a two, three or more-level converter in order to optimally meet the requirements of the charging operation. Due to the lower power to be switched, MOSFETs can be used instead of IGBTs.
  • the two inverters 20, 23 can be controlled by a single control device. For the realization of the further converter, therefore, only the power semiconductors and drivers required in this case are required.
  • the circuit elements can nursegur- a Pha ⁇ se are summarized for the engine and the charging mode, as shown for one phase in Fig. 5.
  • (+, -) are connected in series two switching elements 202, 203 in the form of IGBTs.
  • a node 204 between the switching elements 203, 204 forms an output 205 for one phase of the motor.
  • a second power unit for the charging operation of the combin ⁇ th inverter 200 is marked by the reference numeral 210.
  • the second output part 210 is configured as a three-level ⁇ To judge.
  • four switching elements 211, 212, 215, 216 are connected in series with their load paths.
  • MOSFETs can be used due to the lower ⁇ carry the currents and the lower voltage stress in multi-level topologies.
  • a node between the switching element 212 and the switching element 215 forms the input 220 of a phase for the mains connection.
  • a node 213 and a node 217 of the switching elements 211, 212, 215, 216 of the second power unit is a series circuit of two diodes 214, 218 29al ⁇ tet.
  • a node 219 between the two diodes 214, 218 can be selectively ge ⁇ sends it to the center of the energy storage or to an artificial center of capacitors.
  • FIG. 6 shows a combination of the charging device from FIG. 1 and the charging device from FIG. 4. In this charging device, an optional rapid charging via the drive converter 20 or a normal charging via the further converter 23 is possible. The respective charging power is limited by the performance of the charging station 3, the drive converter 20 and the energy storage 30.

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Ladevorrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1), das einen Motor (10), einen Antriebsumrichter (20) und einen Energiespeicher (30) umfasst. Der Antriebsumrichter (20) des Fahrzeugs (1) bildet beim Anschluss der Phasen (14, 15, 16) des Motors (10) an ein Niederspannungsnetz (4) die Ladevorrichtung aus.

Description

Beschreibung
Ladevorrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Das Fahrzeug umfasst einen Motor, ei¬ nen Antriebsumrichter und einen Energiespeicher.
Elektrofahrzeuge sind typischerweise mit einem Energiespei- eher in Gestalt einer Batterie oder eines Akkumulators, einem oder mehreren Elektromotoren und mindestens einem Umrichter für den Antrieb ausgestattet. Zum Laden des Energiespeichers wird das Elektrofahrzeug mit einer Ladestation verbunden, wo¬ bei die Ladung üblicherweise am ein- oder dreiphasigen Nie- derspannungsnetz erfolgt. Unter einem Niederspannungsnetz wird in der vorliegenden Beschreibung ein dreiphasiges Netz mit einer Spannung von 400 V verstanden. Die in den Ladestationen enthaltenen Ladegeräte ermöglichen je nach Ausgestaltung ein Laden mit hoher Leistung (beispielsweise in einem Bereich von 40 kW bis über 100 kW) oder ein normales Laden mit reduzierter Leistung in einem Leistungsbereich von etwa 10 bis 25 kW. Insbesondere beim erstgenannten Schnellladen des Energiespeichers des Fahrzeugs werden den Leistungen ent¬ sprechende Hochsetzstellerdrosseln (sog. PFC-Drosseln) , EMV- Filter und Schalter zum Trennen des Niederspannungsnetzes vom Energienetz des Fahrzeugs benötigt. Aufgrund der Größe und des Gewichts dieser Komponenten kann ein für eine Schnellladung geeignetes Ladegerät daher nicht in ein Fahrzeug integ¬ riert werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ladevorrichtung anzugeben, welche ein Schnellladen des Energiespeichers des Fahrzeugs mit hohem Wirkungsgrad erlaubt, wenn die Lade¬ vorrichtung in dem Fahrzeug integriert ist, wobei die Lade- Vorrichtung möglichst einfach aufgebaut sein soll. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Ladevorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestal¬ tungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Die Erfindung schlägt eine Ladevorrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs vor, wobei das Fahrzeug einen Motor, einen Antriebsumrichter und einen Energiespeicher umfasst. Erfindungsgemäß bildet der Antriebsumrichter des Fahrzeugs beim Anschluss der Phasen des Motors an ein Niederspannungs- netz die Ladevorrichtung aus.
Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung weist den Vorteil auf, dass in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug von Haus aus vorhandene Komponenten für die Realisierung einer Ladevor- richtung genutzt werden. Insbesondere ist der Antriebsumrichter eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs auf die für das Schnellladen erforderlichen hohen Leistungen ausgelegt, so dass der Antriebsumrichter nicht nur für das Schnellladen, sondern auch mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Für die Schnellladung des Energiespeichers eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs werden Leistungen von über 40 kW bis über 100 kW umgesetzt. Ein weiterer Vorteil der Nutzung des Antriebsumrichters als Ladegerät besteht darin, dass kein zu¬ sätzlicher Schalter für den Motorstrom benötigt wird. Auch hierdurch ergibt sich eine geringe Komplexität der Ladevor¬ richtung. Insbesondere können auch die Wicklungen des Motors im Ladebetrieb als PFC-Drosseln der Ladevorrichtung genutzt werden, wodurch die Notwendigkeit entfällt, entsprechend gro¬ ße und schwere, separate PFC-Drosseln zusätzlich in dem elektrisch betriebenen Fahrzeug vorzusehen. Hierdurch lässt sich die Ladevorrichtung nicht nur kostengünstig, sondern auch mit geringem zusätzlichem Aufwand und insbesondere Ge¬ wicht bereitstellen. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung weisen Wicklungen des Motors eine Mittelpunktsanzapfung auf, wodurch jede Motorphase eine erste und zweite Teilwicklung aufweist, wobei die Mit¬ telpunktsanzapfungen zum Laden des Energiespeichers mit dem Niederspannungsnetz verbunden sind. Weiter umfasst der Antriebsumrichter zwei Teilumrichter, wobei der erste Teilumrichter zwischen dem Energiespeicher und den ersten Teilwicklungen verschaltet ist und der zweite Teilumrichter zwischen dem Energiespeicher und den zweiten Teilwicklungen verschaltet ist. Die beiden Teilumrichter verwenden einen gemeinsamen Zwischenkreis und denselben Energiespeicher. Sie können synchron von derselben Steuervorrichtung betrieben werden und auch gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet sein. Durch die Aufteilung des Antriebsumrichters auf zwei Teilumrichter in
Verbindung mit den auf Teilwicklungen aufgeteilten Wicklungen jeder Motorphase kann sichergestellt werden, dass während ei¬ nes Ladebetriebs im Motor kein Drehfeld und Drehmoment ent¬ steht .
In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Teilumrichter vorgesehen, welche im Motorbetrieb den ersten und den zweiten Teilumrichter im Gegentakt ansteuert, dass die ersten und zweiten Teilwicklungen der Mo- torphasen in der gleichen Richtung von Strom durchflössen werden. Hierdurch kann der Motor in herkömmlicher Weise betrieben werden.
Die Steuervorrichtung zur Steuerung der Teilumrichter ist weiter dazu ausgebildet, im Ladebetrieb den ersten und den zweiten Teilumrichter im Gleichtakt anzusteuern, dass die ersten und zweiten Teilwicklungen der Motorphasen in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflössen werden. Durch die unterschiedliche Stromrichtung entsteht im Ladebetrieb kein Motormoment, aufgrund der sich aufhebenden Felder. Hierdurch wird die Gefahr eliminiert, dass sich das Fahrzeug im Ladebetrieb unbeabsichtigt in Bewegung setzen kann.
Wahlweise können die Mittelpunktsanzapfungen der Wicklungen des Motors direkt oder über ein Schaltelement mit einem EMV- Filter verschaltet sein. Schaltelement und/oder EMV-Filter können in dem Fahrzeug oder in einer Ladestation angeordnet sein. Sind die Mittelpunktsanzapfungen direkt mit dem EMV- Filter verschaltet, so ist das Schaltelement aus Sicht des Fahrzeugs am Ausgang des EMV-Filters vorzusehen. Über die Schaltelemente wird der für das Laden benötigte Strom über die Wicklungen des Motors an den Antriebs-Umrichter zur
Gleichrichtung und zum Laden des Energiespeichers geleitet. Nach dem Beenden des Ladevorgangs wird das Schaltelement ge¬ öffnet, so dass kein weiterer Ladestrom fließt.
In einer weiteren Ausgestaltung kann ein weiterer Umrichter vorgesehen sein, welcher zwischen dem Energiespeicher und einem Netzanschluss verschaltet ist, wobei der weitere Um¬ richter im Vergleich zum Antriebsumrichter derart dimensioniert ist, dass dieser mit Leistungen von maximal 25 ~6 , ins besondere bis höchstens 50 %, der Leistung des Antriebsum- richters betreibbar ist. Der weitere Umrichter kann für ein „Normalladen" eingesetzt werden, bei welchem wesentlich geringere Leistungen als beim Schnellladen umgesetzt werden.
Prinzipiell könnte auch der oben beschriebene Antriebsumrich- ter für das Normalladen verwendet werden, aufgrund der zu großen Dimensionierung könnte der Antriebsumrichter jedoch lediglich mit schlechtem Wirkungsgrad betrieben werden. Aufgrund dessen ist der weitere Umrichter vorgesehen, dessen Komponenten an die typische Leistung für das Normalladen an- gepasst sind. Hierdurch kann der weitere Umrichter mit opti¬ malem Wirkungsgrad betrieben werden. Der weitere Umrichter kann prinzipiell Teil einer Ladestation sein. Ebenso ist es möglich, diesen in dem elektrisch betriebenen Fahrzeug vorzusehen. Dies ist ohne weiteres möglich, da aufgrund der redu- zierten Leistungsumsetzung die hierfür benötigten Komponenten wesentlich kleiner sind als bei einem Schnellladevorgang.
Der weitere Umrichter und der Antriebsumrichter können an den gleichen Gleichspannungszwischenkreis geschaltet sein, an den der Energiespeicher angeschlossen ist.
Um die Anzahl der für die Realisierung der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung benötigten Komponenten zu reduzieren, kann weiterhin vorgesehen sein, dass der weitere Umrichter und einer der Teilumrichter als kombinierter Umrichter ausgebildet sind, wobei ein zweites Leistungsteil des Teilumrichters für den Ladebetrieb unabhängig von einem ersten Leistungsteil für den Motorbetrieb als Zwei-, Drei- oder Mehrlevel-Umrich¬ ter ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, die Sinusform des Ladestroms unter Nutzung eines Zwei-, Drei- oder Mehrle¬ vel-Umrichters besser nachzubilden. Die Integration der Komponenten des weiteren Umrichters in einen der beiden Teilum- richter ermöglicht die gemeinschaftliche Nutzung der Steue¬ rung des Zwischenkreises und des Kühlsystems, ohne gesonder¬ ten Aufwand betreiben zu müssen. Insbesondere können auch für den Ladebetrieb andere Halbleiter verwendet werden als für den Motorbetrieb, wodurch sich die bereits erwähnte Wirkungs- gradverbesserung erzielen lässt.
Zweckmäßigerweise ist eine gemeinsame Steuerung für den An¬ triebsumrichter und den weiteren Umrichter vorgesehen. Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn fahrzeugseitig oder lade- stationsseitig für die Phasen (einschließlich Neutralleiter und Schutzleiter) des weiteren Umrichters ein EMV-Filter oder eine PFC-Drossel vorgesehen sind. Wird der Ladebetrieb unter Nutzung der Komponenten des weiteren Umrichters durchgeführt, so sind zur Vermeidung elektromagnetischer Unverträglichkeiten der EMV-Filter und die PFC-Drossel vorzusehen. Aufgrund der vergleichsweise kleinen Größe und des geringen Gewichts können diese ohne Probleme als zusätzliche Komponenten in dem elektrisch betriebenen Fahrzeug vorgesehen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausfüh¬ rungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Ladevor- richtung, bei der ein Antriebsumrichter des Fahrzeugs durch zwei Teilumrichter gebildet ist, Fig. 2 einen Stromfluss bei Motorbetrieb in dem Blockdia¬ gramm aus Fig. 1,
Fig. 3 einen Stromfluss bei Ladebetrieb in dem Blockdia- gramm gemäß Fig. 1,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer erweiterten Ladevorrichtung für ein Normalladen, bei dem Motor- und Ladebetrieb mit unterschiedlichen Umrichtern bzw. Leis- tungsteilen realisiert sind,
Fig. 5 ein Ersatzschaltbild eines kombinierten Halbbrü¬ ckenzweigs für einen kombinierten Motor- und Ladebetrieb beim Normalladen, und
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer weiter verbesserten Ladevorrichtung, welche wahlweise ein Schnellladen oder Normalladen ermöglicht. Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung. Die Ladevorrichtung nutzt den in einem Fahrzeug 1 für den Antrieb eines Motors 10 vorhandenen Antriebsumrichter 20 zur Ladung eines Energiespeichers 30. Für den Ladevor¬ gang ist der Motor 10 mit einer Ladestation 2 verbunden. Eine Systemgrenze zwischen dem Fahrzeug 1 und der Ladestation 2 ist mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet.
Die Ladung erfolgt über ein dreiphasiges Niederspannungsnetz mit einer Spannung von 400 V. Zum Schalten des Ladestroms ist beispielhaft in der Ladestation 2 ein Schaltelement 40 zur Auftrennung einer jeweiligen der Phasen vorgesehen. Ferner weist die Ladestation 2 einen EMV (elektromagnetische Ver¬ träglichkeit) -Filter 41 auf. Das Schaltelement 40 sowie der EMV-Filter 41 könnten in einer alternativen Ausgestaltung ebenfalls Bestandteil des Fahrzeugs 1 sein. In der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung ist das Schaltelement 40 über ein Kabel mit dem Motor 10 für den Ladebetrieb zu verbinden. In der anderen, nicht dargestellten Variante wäre der EMV-Filter über das Kabel mit der Ladestation verbunden.
Um den Antriebsumrichter 20 zum Laden des Energiespeichers 30 nutzen zu können, müssen Maßnahmen getroffen sein, die während des Ladens die Erzeugung eines Drehmoments im Motor 10 unterbinden. Zu diesem Zweck sind die Wicklungen 14, 15, 16 der Motorphasen 11, 12, 13 des Motors 10 jeweils in eine ers¬ te und eine zweite Teilwicklung 14-1, 14-2, 15-1, 15-2, 16-1, 16-2 aufgeteilt. Die ersten Teilwicklungen 14-1, 15-1, 16-1 sind mit einem Wechselspannungsteil (3AC) des ersten Teilum¬ richters 21 verbunden. Die zweiten Teilwicklungen 14-2, 15-2, 16-2 sind mit einem Wechselspannungsteil (3AC) eines zweiten Teilumrichters 22 verbunden. Eine jeweilige Mittelanzapfung der Wicklungen 14, 15, 16 ist über das Kabel mit dem Schalt¬ element 40 verbunden. Die Gleichspannungs (DC) -Teile der Tei¬ lumrichter 21, 22 sind an einen gleichen Zwischenkreis 31 geschaltet, welcher mit dem Energiespeicher 30 verbunden ist. Durch die in Fig. 1 dargestellte Ladeeinrichtung, die den Antriebsumrichter des elektrisch betriebenen Fahrzeugs 1 als Ladegerät nutzt, ist eine Schnellladung mit Leistungen von über 40 kW bis über 100 kW möglich. Dadurch, dass die Wicklungen 14, 15, 16 des Motors (d.h. die Motorinduktivität) als PFC-Drosseln verwendet werden, brauchen keine weiteren Komponenten vorgesehen werden. Aufgrund der im Schnellladebetrieb hohen Ströme ist es zweckmäßig, wenn das Kabel zwischen dem Fahrzeug 1 und der Ladestation 2 aus EMV-Gründen geschirmt ausgeführt ist.
Für den Schnellladebetrieb werden damit keine zusätzlichen Komponenten, wie z.B. PFC-Drosseln, Motorstromschalter, benötigt. Hierdurch kann die Ladevorrichtung durch Komponenten des Fahrzeugs auf einfache und kostengünstige Weise bereitge- stellt werden. Im Besonderen erhöht sich das Gewicht aufgrund der in das Fahrzeug integrierten Ladevorrichtung nicht oder kaum . Die beiden Teilumrichter 21, 22 werden synchron von derselben Steuerung betrieben. Die Teilumrichter können in der Praxis in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. In dem in Fig. 2 dargestellten Motorbetrieb arbeiten die beiden Teilumrichter 21, 22 an jeder der Motorphasen 11, 12, 13 im Gegentakt, so dass der Strom in einer jeweiligen ersten und zweiten Teilwicklung 14-1, 14-2 bzw. 15-1, 15-2 bzw. 16- 1, 16-2 in die gleiche Richtung fließt. Im Ausführungsbei- spiel der Fig. 2 ist die Stromrichtung mit dem Pfeil A gekennzeichnet. Zur Vereinfachung ist die in Fig. 1 dargestell¬ te Ladestation weggelassen. Dadurch, dass die beiden Teilwicklungen einer jeweiligen Motorphase 11, 12, 13 in der gleichen Richtung von Strom durchflössen wird, kann ein Dreh- feld erzeugt werden, wodurch der Motor in bestimmungsgemäßer Weise ein Drehmoment erzeugt.
Demgegenüber arbeiten im Ladebetrieb (Fig. 3) die beiden Teilumrichter 21, 22 an jeder Motorphase 11, 12, 13 im Gleich- takt, so dass der Strom in der ersten und zweiten Teilwicklung 14-1, 14-2 bzw. 15-1, 15-2 bzw. 16-1, 16-2 in unterschiedliche Richtungen (vgl. den Pfeil B) fließt. Durch die unterschiedliche Stromrichtung wird ein in den jeweiligen Teilwicklungen erzeugtes Drehfeld kompensiert, so dass kein Motormoment entsteht. Hierdurch ist sichergestellt, dass sich das Fahrzeug während des Ladebetriebs nicht unbeabsichtigt in Bewegung setzen kann.
Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht dar- in, dass mit den beiden Teilumrichtern 21, 22 des Antriebsumrichters 20 im Ladebetrieb mehr unterschiedliche Raumzeiger realisiert werden können. Hierdurch ist es möglich, den durch die Teilumrichter erzeugten Strom besser einer idealen Sinusform anzunähern. Während mit einem herkömmlichen sog. Zwei- Level-Umrichter außer den beiden Nullzeigern (000,111) noch weitere sechs Zeiger erzeugbar sind, können mit dem in Fig. 1 dargestellten Antriebsumrichter, der aus zwei Teilumrichtern 21, 22 gebildet ist, acht Nullzeiger und 18 unterschiedliche Spannungszeiger ausgegeben werden.
In den nachfolgend beschriebenen Figuren 4 und 5 wird eine Ladevorrichtung beschrieben, welche ein Normalladen mit Leistungen bis etwa 25 kW, entsprechend 32 A, aus einem dreipha¬ sigen 400 V-Netz erlaubt. Bei einer derartigen Leistung ist der Antriebsumrichter des Fahrzeugs 1, der in der Regel mehr als 100 kW aufweist, deutlich überdimensioniert. Dieser ar- beitet daher im Teilleistungsbereich mit niedrigem Wirkungsgrad. Die Verwendung von leistungsmäßig angepassten Halblei¬ tern in einem zusätzlichen Umrichter 23 bietet hier Vorteile. Wenn sich der Auftriebsumrichter für den Fahrbetrieb und der weitere Umrichter für den Ladebetrieb eine gemeinsame Steue- rung und den Zwischenkreis teilen, ist der Mehraufwand für die Integration des weiteren Umrichters 23 gering. Durch die getrennten Umrichter ist darüber hinaus kein Schalter zum Trennen des Motors 10 erforderlich. In Fig. 4 umfasst der Antriebsumrichter 20 einen Umrichter 21 zum Antreiben des Motors 10. Die Wicklungen des Motors 10 sind wiederum mit den Bezugszeichen 14, 15, 16 gekennzeichnet. Der Gleichspannungs (DC) -Teil des Antriebsumrichters 20 ist mit dem Gleichspannungszwischenkreis 31 und dem Energie- Speicher 30 gekoppelt. In gleicher Weise ist der Gleichspannung (DC) -Leistungsteil des weiteren Umrichters 23 mit dem Zwischenkreis 31 verbunden. Der dreiphasige Wechselstrom (3AC) -Teil ist über ein Kabel mit der Ladestation 2 verbunden. Die Systemgrenze zwischen Fahrzeug und Ladestation 2 ist wiederum mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet. Die Ladesta¬ tion 2 umfasst neben dem Schaltelement 45 und dem EMV-Filter 46 für jede Phase eine PFC-Drossel 47, da für das Normalladen die Induktivität des Motors nicht genutzt werden kann. Der EMV-Filter 46 ist mit dem dreiphasigen Netz verbunden.
Da EMV-Filter und PFC-Drosseln aufgrund der vergleichsweise kleinen Leistungen klein und leicht ausfallen, könnte diese auch in das Fahrzeug integriert werden. Die in Fig. 4 darge- stellte Variante einer Ladevorrichtung kann auch unabhängig von der Nutzung des Antriebsumrichters als Ladevorrichtung realisiert werden. Fig. 4 zeigt den diesbezüglichen Anwendungsfall .
Aufgrund der durch den Antriebsumrichter hohen zu schaltenden Ströme werden in diesem typischerweise IGBTs als Schaltele¬ mente verwendet. Demgegenüber kann der weitere Umrichter 23 für den Ladebetrieb unabhängig vom Antriebsumrichter 20 als Zwei-, Drei- oder Mehrlevel-Umrichter realisiert werden, um die Anforderungen aus dem Ladebetrieb optimal zu erfüllen. Aufgrund der geringeren zu schaltenden Leistungen können anstelle von IGBTs auch MOSFETs eingesetzt werden. Die beiden Umrichter 20, 23 können von einer einzigen Steuervorrichtung angesteuert werden. Zur Realisierung des weiteren Umrichters sind daher lediglich die in diesem erforderlichen Leistungshalbleiter und Treiber erforderlich. In einer bevorzugten Ausgestaltung können die Leistungshalb- leiterschaltelemente für den Motor- und Ladebetrieb eine Pha¬ se zusammengefasst werden, wie dies für eine Phase in Fig. 5 dargestellt ist. Dort ist eine kombinierte Halbbrücke für Mo¬ tor- und Ladebetrieb gezeigt. Die für den Motorbetrieb erfor- derlichen Elemente sind Bestandteil eines ersten Leistungs¬ teils 201, das als Zwei-Level-Umrichter ausgebildet ist. Zwi¬ schen einer positiven und negativen Versorgungsspannung
(+, -) sind in Reihe zwei Schaltelemente 202, 203 in Form von IGBTs verschaltet. Ein Knotenpunkt 204 zwischen den Schalt- elementen 203, 204 bildet einen Ausgang 205 für eine Phase des Motors.
Ein zweites Leistungsteil für den Ladebetrieb des kombinier¬ ten Umrichters 200 ist mit dem Bezugszeichen 210 gekennzeich- net. Das zweite Leistungsteil 210 ist als Drei-Level-Um¬ richter ausgebildet. Zwischen dem positiven und negativen Versorgungsspannungsanschluss sind vier Schaltelemente 211, 212, 215, 216 mit ihren Laststrecken in Serie verschaltet. Als Schaltelemente können aufgrund der geringeren zu tragen¬ den Ströme und der geringeren Spannungsbeanspruchung bei Mehr-Level-Topologien MOSFETs eingesetzt werden. Ein Knotenpunkt zwischen dem Schaltelement 212 und dem Schaltelement 215 bildet den Eingang 220 einer Phase für den Netzanschluss . Zwischen einem Knotenpunkt 213 und einem Knotenpunkt 217 der Schaltelemente 211, 212, 215, 216 des zweiten Leistungsteils ist eine Serienschaltung aus zwei Dioden 214, 218 verschal¬ tet. Ein Knotenpunkt 219 zwischen den beiden Dioden 214, 218 kann wahlweise auf den Mittelpunkt des Energiespeichers ge¬ legt werden oder auf einen künstlichen Mittelpunkt aus Kondensatoren .
Grundsätzlich sind auch andere Ausführungen möglich, je nach vorliegendem Spannungsniveau und Topologie. Die Freilaufdio- den der Leistungshalbleiterschalter sind nicht dargestellt. Die Steueranschlüsse der Schaltelemente sind wegen der besse¬ ren Übersichtlichkeit nicht als Anschlüsse gezeichnet. Fig. 6 zeigt eine Kombination der Ladevorrichtung aus Fig. 1 und der Ladevorrichtung aus Fig. 4. Bei dieser Ladevorrichtung ist ein wahlweises Schnellladen über den Antriebsumrichter 20 oder ein Normalladen über den weiteren Umrichter 23 möglich. Die jeweilige Ladeleistung wird begrenzt durch die Leistungsfähigkeit der Ladestation 3, den Antriebsumrichter 20 und den Energiespeicher 30.

Claims

Patentansprüche
1. Ladevorrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1), das einen Motor (10), einen Antriebsumrichter (20) und einen Energiespeicher (30) umfasst, wobei der Antriebsumrichter (20) des Fahrzeugs (1) beim Anschluss der Phasen (14, 15, 16) des Motors (10) an ein Niederspannungsnetz (4) die Ladevorrichtung ausbildet.
2. Ladevorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wicklungen des Motors (10) eine Mittelpunktsanzapfung aufweisen, wodurch jede Motorphase (14, 15, 16) eine erste und eine zweite Teilwicklung (14-1, 14-2; 15-1, 15-2; 16- 1, 16-2) aufweist, wobei die Mittelpunktsanzapfungen zum Laden des Energiespeichers (30) mit dem Niederspannungs¬ netz (4) verbunden sind, und
der Antriebsumrichter (20) zwei Teilumrichter (21, 22) umfasst, wobei der erste Teilumrichter (21) zwischen dem Energiespeicher (30) und den ersten Teilwicklungen (14-1; 15-1; 16-1) verschaltet ist und der zweite Teilumrichter (22) zwischen dem Energiespeicher (30) und den zweiten Teilwicklungen (14-2; 15-2; 16-2) verschaltet ist.
3. Ladevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Teilumrichter (21, 22) vorgesehen ist, welche im Motorbetrieb den ersten und den zweiten Teilumrichter (21, 22) im Gegentakt ansteuert, dass die ersten und zweiten Teilwicklungen (14-1, 14-2; 15-1, 15-2; 16-1, 16-2) der Motorphasen (14, 15, 16) in der gleichen Richtung von Strom durchflössen werden.
4. Ladevorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung zur Steuerung der Teilumrichter (21, 22) dazu ausgebildet ist, im Ladebetrieb den ersten und den zweiten Teilumrichter (21, 22) im Gleichtakt anzusteuern, dass die ersten und zweiten Teilwicklungen (14- 1, 14-2; 15-1, 15-2; 16-1, 16-2) der Motorphasen (14, 15, 16) in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflössen werden.
5. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunktsanzapfungen direkt oder über ein Schaltelement mit einem EMV-Filter verschaltet sind.
6. Ladevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement und/oder der EMV-Filter in dem Fahr- zeug (1) oder in einer Ladestation angeordnet sind.
7. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (14, 15, 16) des Motors (10) im Ladebetrieb als PFC-Drosseln der Ladevorrich- tung genutzt werden.
8. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Umrichter (23) vorgesehen ist, welcher zwischen dem Energiespeicher (30) und einem Netzanschluss verschaltet ist, wobei der weitere Um¬ richter (23) im Vergleich zum Antriebsumrichter (20) derart dimensioniert ist, dass dieser mit Leistungen von maximal 25 %, insbesondere bis höchstens 50 %, der Leistung des Antrieb¬ sumrichters (20) betreibbar ist.
9. Ladevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Umrichter (23) und der Antriebsumrichter (20) an den gleichen Gleichspannungszwischenkreis geschaltet sind, an den der Energiespeicher (30) angeschlossen ist.
10. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7 in Verbindung mit Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Umrichter (23) und einer der Teilumrichter (21, 22) als kombinierter Teilumrichter (200) ausgebildet sind, wobei ein zweites Leistungsteil (210) des Teilumrichters (21, 22) für den Ladebetrieb unabhängig von einem ersten Leistungsteil (201) für den Motorbetrieb als Zwei-, Drei- oder Mehrlevel-Umrichter ausgebildet ist.
11. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Steuerung für den Antriebsumrichter (20) und den weiteren Umrichter (23) vorgesehen ist.
12. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass fahrzeugseitig oder Ladestati- onsseitig für jede Phase (14, 15, 16) ein EMV-Filter (46) und eine PFC-Drossel (47) vorgesehen sind.
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