WO2016131515A1 - Schaltungsanordnung zum betreiben einer elektrischen maschine in einem kraftfahrzaueg mit bereitstellung einer gleichspannung - Google Patents

Schaltungsanordnung zum betreiben einer elektrischen maschine in einem kraftfahrzaueg mit bereitstellung einer gleichspannung Download PDF

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Matthias Boesing
Alexander Ross
Rostislav Rogov
Matthias Heil
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Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement for operating an electric machine, such as an electric drive machine in an electric vehicle.
  • Electric vehicles can have multiple drive trains with battery direct converters for electric drive.
  • it is necessary to realize a possibility of charging the battery storages from the mains and providing a DC voltage.
  • the document DE 10 2011 004 248 AI relates to a circuit arrangement with a multi-stage converter for electric vehicles or hybrid vehicles.
  • the object is achieved by a circuit arrangement for operating an electrical machine of a motor vehicle, having a first electric drive train, in which a first direct-acting battery converter can be connected to the electric machine via a first switching device; a second electric drive train, in which a second direct battery converter via a second switching device with the electric machine is connectable; a third electric drive train, in which a third direct battery converter is connected to the electric machine, one converter connection of which can be connected to the second drive train via a third switching device and whose other converter connection can be connected to the second drive train via a fourth switching device; a DC section for
  • the circuit realized with little technical effort and a small number of components a charger high flexibility.
  • the operating strategy of the circuit realized with little technical effort and a small number of components a charger high flexibility.
  • Battery direct converter allows the provision of a DC voltage for a vehicle electrical system even at low engine speeds or during standstill, including the charging operation. Only the interaction of the components of charging, DC voltage and drive section leads to a vehicle-suitable drive system.
  • the charging section comprises a bridge rectifier circuit for rectifying an input voltage.
  • the charging section comprises a line filter or EMC filter for filtering an input voltage.
  • the technical advantage is achieved that high-frequency interference can be filtered.
  • the charging section comprises a regulator for regulating an input current.
  • the technical advantage achieved that the charge current controller of the half-wave sine can be tracked to force a power factor close to one. The amplitude is then within the allowable limits by the
  • the DC voltage section comprises an intermediate circuit voltage regulator for regulating a
  • the technical advantage is achieved that the output voltage of the DC voltage section can be regulated to a predetermined value.
  • the circuit arrangement is a connection of the charging section between the first direct battery converter and the first Switching device connected.
  • the technical advantage is achieved that the charging current is fed directly to the first drive train and all three drive trains are connected in series.
  • the DC voltage section comprises a capacitor for smoothing the DC voltage.
  • the circuit arrangement comprises a control device for controlling the switching devices on the basis of a charging operation or a driving operation.
  • the circuit arrangement comprises a control unit for dividing a voltage into the individual direct battery converters.
  • Switching devices formed by contactors As a result, for example, the technical advantage is achieved that a switching of large electrical power is made possible.
  • the object is achieved by a method for operating a circuit arrangement, which is used to operate an electrical machine of a
  • Motor vehicle is used, with a first electric drive train in which a first direct battery converter via a first switching device with the electric machine is connectable; a second electric drive train in which a second
  • Battery direct converter via a second switching device with the electric machine is connectable; a third electric drive train in which a third
  • Battery direct converter is connected to the electric machine, one of which
  • Converter terminal is connectable via a third switching device to the second drive train and the other converter terminal is connectable via a fourth switching device with the second drive train; a DC section for Providing a DC voltage for a vehicle electrical system, which is connected via a respective rectifier to the first, second and third drive train; and a charging section for supplying a charging current to the first, second and third battery direct converters connected to the first driveline and the third driveline, including the steps of adjusting a positive voltage offset between the two common connection points of the drive trains; or setting an always positive voltage drop across the third battery direct converter.
  • Fig. 1 shows a circuit arrangement for operating an electric machine in
  • Fig. 2 shows a circuit arrangement for operating an electric machine in
  • control device 4 shows a control device as a controller for dividing a voltage.
  • Fig. 6 is a rectified mains voltage and output voltage of
  • Fig. 7 is a rectified input current in a mains choke.
  • the circuit arrangement 100 represents a topology of an integrated drive system with a plurality of battery direct converters 105-1, 105-2 and 105-3.
  • the electrical machine serves, for example, for driving a battery electric or hybrid
  • Battery cells that can be switched individually via an H-full bridge with transistors. As a result, alternating voltages for the electric machine 101 can be generated by connecting or disconnecting individual battery cells.
  • the battery direct converters 105-1, 105-2 and 105-3 are modular multi-level inverters. These are battery modules, for example, four each per strand, whose output voltage can be switched bipolar by means of full bridge. This may also allow bypass, i. a voltage of 0V.
  • the circuit arrangement 100 comprises a first, second and third electrical
  • Powertrain 103-1, 103-2 and 103-3 In the first electric drive train 103-1, the first battery direct converter 105-1 is connected to the electric machine 101 via a first controllable switching device 107-1. In the second electric drive train 103-2, the second direct battery converter 105-2 is connected to the electric machine 101 via a second switching device 107-2. In the third electric drive train 103-3, a third battery direct converter 105-3 is connected to the electric machine 101.
  • the one converter terminal of the third direct battery converter 105-3 can be connected to the second drive train 103-2 via a third switching device 107-3.
  • the other converter terminal of the third battery direct converter 105-3 is a fourth one
  • Switching device 107-4 also connectable to the second drive train 103-2.
  • the fourth switching device 107-4 is connected between the battery direct converters 105-2 and 105-3 and the electric machine 101, respectively.
  • the three drive trains with the battery direct converters 105-1, 105-2 and 105-3 become a three-phase
  • the circuit arrangement 100 comprises a DC voltage section 109 for providing a DC voltage for a vehicle electrical system.
  • the DC section 109 is connected via three diodes as rectifiers 111-1, 111-2, 111-3 to the first, second and third Powertrain 103-1, 103-2, 103-3 connected.
  • the DC voltage section 109 provides a DC voltage for the electrical system of the vehicle.
  • DC section 109 includes a capacitor 119 for smoothing the
  • the electrical system with a voltage of 12 V, for example, is generated from the high-voltage vehicle electrical system.
  • the DC voltage portion 109 shown as a multi-stranded boost converter can be carried out galvanically separated and convert to a voltage of 48 V.
  • An operating strategy for a high-voltage decoupling is that a positive voltage offset between the points P s and P N is set. As a result, even at a low (down to zero) strand tension on the machine a
  • High voltage can be provided. To a voltage fluctuation at the
  • Battery direct converters 105-1, 105-2 and 105-3 are operated with Flattop modulation.
  • the circuit arrangement 100 comprises a charging section 113 for supplying a charging current to the first, second and third direct-current battery converters 105-1, 105-2, 105-3. Via the charging section 113, electrical energy is supplied from an external power network to the battery direct converters 105-1, 105-2, 105-3.
  • the loading section 113 is connected to the first drive train 103-1 and the third drive train 103-3 and comprises components for the single-phase AC charging.
  • the charging section 113 includes a bridge rectifier circuit 115 for rectifying an input voltage and a line filter or EMC filter for filtering an input voltage.
  • the EMC filter may include a low-pass filter or a sliding-type filter. These also have a low-pass behavior, but act on the difference of forward and return current. This can be done
  • Switching devices 107-1, 107-2, 107-3 and 107-4 the recording of electrical energy from the mains, a supply of electrical power to the electric machine and the supply of other electrical system components by means of DC voltage during all
  • Switching devices 107-1, 107-2, 107-3 opened and the switching device 107-4 is closed. It can be charged with single-phase AC directly from the grid, for example at 220 V as well as at 110 V or at a corresponding charging station with a DC voltage and potentially higher power.
  • FIG. 2 shows the circuit arrangement 100 for operating an electrical machine in the charging mode.
  • the circuitry 100 is reduced to elements that are active when loaded on a single-ended network.
  • the three drive trains 103-1, 103-2 and 103-3 with the direct battery converters 105-1, 105-2, 105-3 are connected in series in the charging mode.
  • the battery direct converters 105-1, 105-2, 105-3 are modulated such that the voltages u S iu S 2 + u S 3 approximately correspond to the mains voltage.
  • Battery direct converter 105-3 always be set greater than zero.
  • DC link voltage control is done by an intermediate circuit voltage regulator for controlling an output voltage.
  • FIG. 3 shows a controller 125 (grid controller) for regulating an input current through the charging section 113.
  • the regulator 123 provides a control structure for the mains current.
  • Fig. 4 shows a control device 123 (module controller) as a controller for dividing a
  • the controller distributes the load to the individual modules.
  • FIG. 5 shows an intermediate circuit voltage regulator 121 (DC link controller) for regulating an output voltage.
  • Fig. 6 shows a rectified mains voltage and output voltage of
  • Battery direct converter 105-1 On the abscissa the time t is plotted in seconds. The ordinate shows the voltage in volts. It is the course of the rectified Mains voltage u gri d and the output voltage u s of a battery direct converter 105-1, 105- 2, 105-3 shown.
  • Fig. 7 shows a rectified input current in a mains choke.
  • the time t is plotted in seconds.
  • the input current is plotted in amperes.
  • the illustrated input current with an effective value of 16 A (rms) is produced when using a 500 ⁇ choke and switching frequency of 10 kHz, without taking into account another input filter.
  • the distribution of the total output voltage to the individual submodules is effected by means of the control device 123 as a module controller.
  • Input rectification can be omitted in the loading section 113. If this is used, the operating strategy for the high-voltage decoupling becomes simpler.
  • the anode of the rectifier 111-1 may be connected between the switching device 107-1 and the battery direct converter 105-1.
  • the switching device 107-4 can be connected between the electric machine 101 and the switching device 107-2.
  • the inductance of the electric machine 101 can be used for charging.
  • the switching device 107-4 can be omitted in this case.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betriffteine Schaltungsanordnung (100) zum Betreiben einer elektrischen Maschine (101) eines Kraftfahrzeugs, mit einem ersten elektrischen Antriebsstrang (103-1), in dem ein erster Batteriedirektumrichter (105-1) über eine erste Schalteinrichtung (107-1) mit der elektrischen Maschine (101) verbindbarist;einem zweiten elektrischen Antriebsstrang (103-2), in dem ein zweiter Batteriedirektumrichter (105-2) über eine zweite Schalteinrichtung (107-2) mit der elektrischen Maschine (101) verbindbarist; einem dritten elektrischen Antriebsstrang (103-3), in dem ein dritter Batteriedirektumrichter (105-3) mit der elektrischen Maschine (101) verbunden ist, dessen einer Umrichteranschluss über eine dritte Schalteinrichtung (107-3) mit dem zweiten Antriebsstrang (103-2) verbindbar istund dessen anderer Umrichteranschluss über eine vierte Schalteinrichtung (107-4) mit dem zweiten Antriebsstrang (103-2) verbindbar ist; einem Gleichspannungsabschnitt (109) zum Bereitstellen einer Gleichspannung für ein Bordnetz, der über jeweils einen Gleichrichter (111-1, 111-2, 111-3) mit dem ersten, zweiten und dritten Antriebsstrang (103-1, 103-2, 103- 3) verbunden ist; und einem Ladeabschnitt (113) zum Zuführen eines Ladestroms zu dem ersten, zweiten und dritten Batteriedirektumrichter (105-1, 105-2, 105-3), der mit dem ersten Antriebsstrang (103-1) und dem dritten Antriebsstrang (103-3) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Titel
SCHALTUNGSANORDNUNG ZUM BETREIBEN EINER ELEKTRISCHEN MASCHINE IN EINEM KRAFTFAHRZAUEG MIT BEREITSTELLUNG EINER GLEICHSPANNUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, wie beispielsweise einer elektrischen Antriebsmaschine in einem Elektrofahrzeug.
Elektrofahrzeuge können mehrere Antriebstränge mit Batteriedirektumrichtern für einen elektrischen Antrieb aufweisen. Zusätzlich ist es in Elektrofahrzeugen erforderlich, eine Möglichkeit zum Laden der Batteriespeicher aus dem Netz und zur Bereitstellung einer Gleichspannung zu realisieren.
Die Druckschrift DE 10 2011 004 248 AI betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, die eine Aufnahme elektrischer Leistung zum Laden von Batteriezellen, eine Abgabe elektrischer Leistung an den Antrieb und die Speisung weiterer Bordnetzkomponenten mittels einer Gleichspannung ermöglicht.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs gelöst, mit einem ersten elektrischen Antriebsstrang, in dem ein erster Batteriedirektumrichter über eine erste Schalteinrichtung mit der elektrischen Maschine verbindbar ist; einem zweiten elektrischen Antriebsstrang, in dem ein zweiter Batteriedirektumrichter über eine zweite Schalteinrichtung mit der elektrischen Maschine verbindbar ist; einem dritten elektrischen Antriebsstrang, in dem ein dritter Batteriedirektumrichter mit der elektrischen Maschine verbunden ist, dessen einer Umrichteranschluss über eine dritte Schalteinrichtung mit dem zweiten Antriebsstrang verbindbar ist und dessen anderer Umrichteranschluss über eine vierte Schalteinrichtung mit dem zweiten Antriebsstrang verbindbar ist; einem Gleichspannungsabschnitt zum
Bereitstellen einer Gleichspannung für ein Bordnetz, der über jeweils einen Gleichrichter mit dem ersten, zweiten und dritten Antriebsstrang verbunden ist; und einem Ladeabschnitt zum Zuführen eines Ladestroms zu dem ersten, zweiten und dritten Batteriedirektumrichter, der mit dem ersten Antriebsstrang und dem dritten Antriebsstrang verbunden ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Schaltungsanordnung eine
Aufnahme elektrischer Energie aus dem Netz, eine Abgabe elektrischer Leistung an den Antrieb und eine Speisung weiterer Bordnetzkomponenten mittels einer Gleichspannung während aller Betriebszustände der Gleichspannungseinspeisung ermöglicht.
Die Schaltungsanordnung realisiert mit geringem technischem Aufwand und einer geringen Anzahl von Bauteilen ein Ladegerät hoher Flexibilität. Die Betriebsstrategie des
Batteriedirektumrichters erlaubt die Bereitstellung einer Gleichspannung für ein Bordnetz auch bei geringen Motordrehzahlen oder während des Stillstands, einschließlich des Ladebetriebs. Erst das Zusammenspiel der Komponenten von Lade-, Gleichspannungs- und Antriebsabschnitt führt zu einem fahrzeuggeeigneten Antriebssystem.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst der Ladeabschnitt eine Brücken-Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten einer Eingangsspannung. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine Wechselspannung
gleichgerichtet werden kann und sich eine Betriebsstrategie vereinfacht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst der Ladeabschnitt einen Netzfilter oder EMV-Filter zum Filtern einer Eingangsspannung.
Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass hochfrequente Störungen gefiltert werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst der Ladeabschnitt einen Regler zum Regeln eines Eingangsstromes. Dadurch wird
beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass beim Ladestromregler der Halbwellen- Sinus zum Erzwingen eines Leistungsfaktors nahe Eins nachgeführt werden kann. Die Amplitude wird innerhalb der zulässigen Grenzwerte dann durch das
Batteriemanagementsystem des Batteriedirektumrichters bestimmt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst der Gleichspannungsabschnitt einen Zwischenkreisspannungsregler zum Regeln einer
Ausgangsspannung. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Ausgangsspannung des Gleichspannungsabschnitts auf einen vorgegebenen Wert geregelt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist ein Anschluss des Ladeabschnittes zwischen dem ersten Batteriedirektumrichter und der ersten Schalteinrichtung verbunden. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Ladestrom direkt zu in den ersten Antriebsstrang eingespeist wird und alle drei Antriebsstränge in Serie geschaltet sind. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst der Gleichspannungsabschnitt einen Kondensator zum Glätten der Gleichspannung. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich der Klirrfaktor der
Gleichspannung verringert und eine Begrenzung der Schaltüberspannung durchgeführt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst die Schaltungsanordnung ein Steuergerät zum Steuern der Schalteinrichtungen auf Basis eines Ladebetriebes oder eines Fahrbetriebes. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Schalteinrichtungen je nach erforderlichem Zustand geschaltet werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst die Schaltungsanordnung ein Steuergerät zum Aufteilen einer Spannung auf die einzelnen Batteriedirektumrichter. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Batteriedirektumrichter jeweils je nach Zustand mit einer unterschiedlichen Spannung versorgt werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung sind die
Schalteinrichtungen durch Schütze gebildet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein Schalten von großen elektrischen Leistungen ermöglicht wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung gelöst, die zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines
Kraftfahrzeugs dient, mit einem ersten elektrischen Antriebsstrang, in dem ein erster Batteriedirektumrichter über eine erste Schalteinrichtung mit der elektrischen Maschine verbindbar ist; einem zweiten elektrischen Antriebsstrang, in dem ein zweiter
Batteriedirektumrichter über eine zweite Schalteinrichtung mit der elektrischen Maschine verbindbar ist; einem dritten elektrischen Antriebsstrang, in dem ein dritter
Batteriedirektumrichter mit der elektrischen Maschine verbunden ist, dessen einer
Umrichteranschluss über eine dritte Schalteinrichtung mit dem zweiten Antriebsstrang verbindbar ist und dessen anderer Umrichteranschluss über eine vierte Schalteinrichtung mit dem zweiten Antriebsstrang verbindbar ist; einem Gleichspannungsabschnitt zum Bereitstellen einer Gleichspannung für ein Bordnetz, der über jeweils einen Gleichrichter mit dem ersten, zweiten und dritten Antriebsstrang verbunden ist; und einem Ladeabschnitt zum Zuführen eines Ladestroms zu dem ersten, zweiten und dritten Batteriedirektumrichter, der mit dem ersten Antriebsstrang und dem dritten Antriebsstrang verbunden ist, mit den Schritten eines Einstellens eines positiven Spannungsoffsets zwischen den zwei gemeinsamen Verbindungspunkten der Antriebsstränge; oder eines Einstellens eines stets positiven Spannungsabfalls über dem dritten Batteriedirektumrichter. Dadurch werden die gleichen technischen Vorteile wie durch die Schaltungsanordnung nach dem ersten Aspekt erreicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine im
Fahrbetrieb;
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine im
Ladebetrieb;
Fig. 3 einen Regler zum Regeln eines Eingangsstromes;
Fig. 4 ein Steuergerät als Regler zum Aufteilen einer Spannung;
Fig. 5 einen Zwischenkreisspannungsregler;
Fig. 6 eine gleichgerichtete Netzspannung und Ausgangsspannung des
Batteriedirektumrichters; und
Fig. 7 einen gleichgerichteten Eingangsstrom in einer Netzdrossel.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 100 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 101 Die Schaltungsanordnung 100 stellt eine Topologie eines integrierten Antriebssystems mit mehreren Batteriedirektumrichtern 105-1, 105-2 und 105-3 dar. Die elektrische Maschine dient beispielsweise zum Antreiben eines batterieelektrischen oder hybriden
Straßenfahrzeugs. Die Schaltungsanordnung 100 stellt neben den Antriebsträngen 103-1, 103-2 und 103-3 gleichzeitig einen Ladeabschnitt 113 zum Zuführen eines Ladestroms und einen Gleichspannungsabschnitt 109 zum Bereitstellen einer Gleichspannung für ein Bord netz bereit. Die Batteriedirektumrichter 105-1, 105-2 und 105-3 umfassen eine Vielzahl von
Batteriezellen, die einzeln über eine H-Vollbrücke mit Transistoren geschaltet werden können. Dadurch lassen sich Wechselspannungen für die elektrische Maschine 101 durch Zu- oder Abschalten einzelner Batteriezellen erzeugen. Die Batteriedirektumrichter 105-1, 105-2 und 105-3 sind modulare Mehrlevel-Umrichter. Dabei handelt es sich um Batteriemodule, beispielsweise vier Stück pro Strang, deren Ausgangsspannung mittels Vollbrücke bipolar geschaltet werden kann. Dadurch kann ebenfalls ein Bypass ermöglicht werden, d.h. eine Spannung von 0V. Die Schaltungsanordnung 100 umfasst einen ersten, zweiten und dritten elektrischen
Antriebsstrang 103-1, 103-2 und 103-3. In dem ersten elektrischen Antriebsstrang 103-1 ist der erste Batteriedirektumrichter 105-1 über eine erste steuerbare Schalteinrichtung 107-1 mit der elektrischen Maschine 101 verbunden. In dem zweiten elektrischen Antriebsstrang 103-2 ist der zweite Batteriedirektumrichter 105-2 über eine zweite Schalteinrichtung 107-2 mit der elektrischen Maschine 101 verbunden. In dem dritten elektrischen Antriebsstrang 103-3 ist ein dritter Batteriedirektumrichter 105-3 mit der elektrischen Maschine 101 verbunden.
Der eine Umrichteranschluss des dritten Batteriedirektumrichters 105-3 ist über eine dritte Schalteinrichtung 107-3 mit dem zweiten Antriebsstrang 103-2 verbindbar. Der andere Umrichteranschluss des dritten Batteriedirektumrichters 105-3 ist über eine vierte
Schalteinrichtung 107-4 ebenfalls mit dem zweiten Antriebsstrang 103-2 verbindbar. Die vierte Schalteinrichtung 107-4 ist jeweils zwischen den Batteriedirektumrichtern 105-2 und 105-3 und der elektrischen Maschine 101 angeschlossen. Durch die drei Antriebstränge mit den Batteriedirektumrichtern 105-1, 105-2 und 105-3 wird eine dreiphasige
Wechselspannung erzeugt. Jede Phase wird durch einen entsprechenden Antriebstrang 103-1, 103-2 und 103-3 der elektrischen Maschine 101 zugeführt. Die Schalteinrichtungen 107-1, 107-4 sind beispielsweise durch Schütze oder Halbleiterschalter gebildet. Zusätzlich umfasst die Schaltungsanordnung 100 einen Gleichspannungsabschnitt 109 zum Bereitstellen einer Gleichspannung für ein Bordnetz. Der Gleichspannungsabschnitt 109 ist über drei Dioden als Gleichrichter 111-1, 111-2, 111-3 mit dem ersten, zweiten und dritten Antriebsstrang 103-1, 103-2, 103-3 verbunden. Durch den Gleichspannungsabschnitt 109 wird eine Gleichspannung für das Bordnetz des Fahrzeugs bereitgestellt. Der
Gleichspannungsabschnitt 109 umfasst einen Kondensator 119 zum Glätten der
Gleichspannung und Komponenten für eine Hochvolt- Zwischenkreisauskopplung. Das Bordnetz mit einer Spannung von beispielsweise 12 V wird aus dem Hochvoltbordnetz erzeugt. Der als mehrsträngiger Hochsetzsteller gezeigte Gleichspannungsabschnitt 109 kann galvanisch getrennt ausgeführt werden und auf eine Spannung von 48 V wandeln.
Eine Betriebsstrategie für eine Hochvolt-Auskopplung besteht darin, dass ein positives Spannungsoffset zwischen den Punkten Ps und PN eingestellt wird. Dadurch kann auch bei einer geringen (bis hinunter zu Null) Strangspannung an der Maschine eine
Hochvoltspannung bereitgestellt werden. Um eine Spannungsschwankung an der
Kathodenseite der Dioden 111-1, 111-2, 111-3 gering zu halten, können die
Batteriedirektumrichter 105-1, 105-2 und 105-3 mit einer Flattop-Modulation betrieben werden.
Weiter umfasst die Schaltungsanordnung 100 einen Ladeabschnitt 113 zum Zuführen eines Ladestroms zu dem ersten, zweiten und dritten Batteriedirektumrichter 105-1, 105-2, 105-3. Über den Ladeabschnitt 113 wird elektrische Energie aus einem externen Stromnetz an die Batteriedirektumrichter 105-1, 105-2, 105-3 geleitet. Der Ladeabschnitt 113 ist mit dem ersten Antriebsstrang 103-1 und dem dritten Antriebsstrang 103-3 verbunden und umfasst Komponenten für das einphasige Wechselstromladen. Der Ladeabschnitt 113 umfasst eine Brücken-Gleichrichterschaltung 115 zum Gleichrichten einer Eingangsspannung und einen Netzfilter oder EMV- Filter zum Filtern einer Eingangsspannung. Der EMV- Filter kann ein Tiefpassfilter oder ein Gleittaktfilter umfassen. Diese weisen ebenfalls ein Tiefpassverhalten auf, wirken aber auf die Differenz von Hin- und Rückstrom. Dadurch lassen sich
Netzrückwirkungen unterdrücken, die in Richtung Netz zu wirken. Ein Gleichstromladen ist per Abgriff parallel zu den Komponenten für das Wechselstromladen möglich. Durch die Schaltungsanordnung 100 wird ein vollständiges batteriedirektumrichterbasiertes Antriebssystem realisiert. In Verbindung mit einer Betriebsstrategie für die
Schalteinrichtungen 107-1, 107-2, 107-3 und 107-4 wird die Aufnahme elektrischer Energie aus dem Stromnetz, eine Abgabe elektrischer Leistung an die elektrische Maschine und die Speisung weiterer Bordnetzkomponenten mittels Gleichspannung während aller
Betriebszustände erreicht. Im Fahrbetrieb sind die Schalteinrichtungen 107-1, 107-2, 107-3 geschlossen und die Schalteinrichtung 107-4 ist geöffnet. Im Ladebetrieb sind in umgekehrter Weise die
Schalteinrichtungen 107-1, 107-2, 107-3 geöffnet und die Schalteinrichtung 107-4 ist geschlossen. Es kann sowohl mit einphasiger Wechselspannung direkt am Stromnetz geladen werden, beispielsweise auf 220- V- wie auf 110- Volt- Ebene oder an einer entsprechenden Ladesäule mit einer Gleichspannung und potentiell höherer Leistung.
Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung 100 zum Betreiben einer elektrischen Maschine im Ladebetrieb. Die Schaltungsanordnung 100 ist auf Elemente reduziert, die beim Laden an einem einsträngigen Netz aktiv sind.
Die drei Antriebstränge 103-1, 103-2 und 103-3 mit den Batteriedirektumrichtern 105-1, 105- 2, 105-3 sind im Ladebetrieb in Serie geschaltet. Die Batteriedirektumrichter 105-1, 105-2, 105-3 werden so moduliert, dass die Spannungen uSi-uS2+uS3 in etwa der Netzspannung entsprechen.
Um unabhängig von der pulsierenden Ladeleistung von einer Netzseite her, den
Hochvoltkreis speisen zu können, kann der Spannungsabfall uS3 über dem dritten
Batteriedirektumrichter 105-3 stets größer Null eingestellt werden. Die
Zwischenkreisspannungsregelung geschieht durch einen Zwischenkreisspannungsregler zum Regeln einer Ausgangsspannung.
Fig. 3 zeigt einen Regler 125 (Grid-Controller) zum Regeln eines Eingangsstromes durch den Ladeabschnitt 113. Durch den Regler 123 wird eine Regelstruktur für den Netzstrom geschaffen.
Fig. 4 zeigt ein Steuergerät 123 (Module-Controller) als Regler zum Aufteilen einer
Spannung auf die einzelnen Batteriedirektumrichter 105-1, 105-2, 105-3. Durch den Regler erfolgt eine Lastaufteilung auf die Einzelmodule.
Fig. 5 zeigt einen Zwischenkreisspannungsregler 121 (DC Link-Controller) zum Regeln einer Ausgangsspannung umfasst.
Fig. 6 zeigt eine gleichgerichtete Netzspannung und Ausgangsspannung des
Batteriedirektumrichters 105-1. Auf der Abszisse ist die Zeit t in Sekunden aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Spannung in Volt aufgetragen. Es ist der Verlauf der gleichgerichteten Netzspannung ugrid und der Ausgangsspannung us eines Batteriedirektumrichters 105-1, 105- 2, 105-3 gezeigt.
Fig. 7 zeigt einen gleichgerichteten Eingangsstrom in einer Netzdrossel. Auf der Abszisse ist die Zeit t in Sekunden aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Eingangsstrom in Ampere aufgetragen. Der gezeigte Eingangsstrom mit einem Effektivwert von 16 A (rms) entsteht bei Verwendung einer 500 μΗ Drossel und Schaltfrequenz von 10 kHz, ohne dass ein weiterer Eingangsfilter berücksichtigt ist. Die Aufteilung der Gesamtausgangsspannung auf die einzelnen Submodule wird mittels des Steuergeräts 123 als Module-Controller bewirkt.
Im Allgemeinen kann bei der Schaltungsanordnung 100 auch auf eine
Eingangsgleichrichtung in dem Ladeabschnitt 113 verzichtet werden. Wird diese verwendet, vereinfacht sich Betriebsstrategie für die Hochvoltauskopplung. Die Anode des Gleichrichters 111-1 kann zwischen der Schalteinrichtung 107-1 und dem Batteriedirektumrichter 105-1 verbunden werden. Die Schalteinrichtung 107-4 kann zwischen der elektrischen Maschine 101 und der Schalteinrichtung 107-2 verbunden werden. Die Induktivität der elektrischen Maschine 101 kann zum Laden verwendet werden. Die Schalteinrichtung 107-4 kann in diesem Fall entfallen. Durch die Schaltungsanordnung 100 werden die funktionalen
Anforderungen an ein batterieelektrisches Antriebssystem in einem Fahrzeug mit
Batteriedirektumrichter vollständig erfüllt.
Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Schaltungsanordnung (100) zum Betreiben einer elektrischen Maschine (101) eines Kraftfahrzeugs, mit: einem ersten elektrischen Antriebsstrang (103-1), in dem ein erster
Batteriedirektumrichter (105-1) über eine erste Schalteinrichtung (107-1) mit der elektrischen Maschine (101) verbindbar ist; einem zweiten elektrischen Antriebsstrang (103-2), in dem ein zweiter
Batteriedirektumrichter (105-2) über eine zweite Schalteinrichtung (107-2) mit der elektrischen Maschine (101) verbindbar ist; - einem dritten elektrischen Antriebsstrang (103-3), in dem ein dritter
Batteriedirektumrichter (105-3) mit der elektrischen Maschine (101) verbunden ist, dessen einer Umrichteranschluss über eine dritte Schalteinrichtung (107-3) mit dem zweiten Antriebsstrang (103-2) verbindbar ist und dessen anderer Umrichteranschluss über eine vierte Schalteinrichtung (107-4) mit dem zweiten Antriebsstrang (103-2) verbindbar ist; einem Gleichspannungsabschnitt (109) zum Bereitstellen einer Gleichspannung für ein Bordnetz, der über jeweils einen Gleichrichter (111-1, 111-2, 111-3) mit dem ersten, zweiten und dritten Antriebsstrang (103-1, 103-2, 103-3) verbunden ist; und einem Ladeabschnitt (113) zum Zuführen eines Ladestroms zu dem ersten, zweiten und dritten Batteriedirektumrichter (105-1, 105-2, 105-3), der mit dem ersten
Antriebsstrang (103-1) und dem dritten Antriebsstrang (103-3) verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei der Ladeabschnitt (113) eine Brücken-Gleichrichterschaltung (115) zum Gleichrichten einer Eingangsspannung umfasst.
3. Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ladeabschnitt (113) ein Netzfilter oder E MV- Filter (117) zum Filtern einer
Eingangsspannung umfasst. Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ladeabschnitt (113) einen Regler (125) zum Regeln eines Eingangsstromes umfasst.
Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gleichspannungsabschnitt (109) einen Zwischenkreisspannungsregler (121) zum Regeln einer Ausgangsspannung umfasst.
Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Anschluss des Ladeabschnittes (113) zwischen dem ersten Batteriedirektumrichter (105-1) und der ersten Schalteinrichtung (107-1) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung (100) ein Steuergerät zum Steuern der Schalteinrichtungen (107-1, 107-4) auf Basis eines Ladebetriebes oder eines Fahrbetriebes umfasst.
Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung (100) ein Steuergerät (123) zum Aufteilen einer Spannung auf die einzelnen Batteriedirektumrichter (105-1, 105-2, 105-3) umfasst.
Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schalteinrichtungen (107-1, 107-4) durch Schütze oder Halbleiterbauelemente gebildet sind.
Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (100), die zum Betreiben einer elektrischen Maschine (101) eines Kraftfahrzeugs dient, mit einem ersten elektrischen Antriebsstrang (103-1), in dem ein erster Batteriedirektumrichter (105-1) über eine erste Schalteinrichtung (107-1) mit der elektrischen Maschine (101) verbindbar ist; einem zweiten elektrischen Antriebsstrang (103-2), in dem ein zweiter
Batteriedirektumrichter (105-2) über eine zweite Schalteinrichtung (107-2) mit der elektrischen Maschine (101) verbindbar ist; einem dritten elektrischen Antriebsstrang (103-3), in dem ein dritter Batteriedirektumrichter (105-3) mit der elektrischen Maschine (101) verbunden ist, dessen einer Umrichteranschluss über eine dritte
Schalteinrichtung (107-3) mit dem zweiten Antriebsstrang (103-2) verbindbar ist und dessen anderer Umrichteranschluss über eine vierte Schalteinrichtung (107-4) mit dem zweiten Antriebsstrang (103-2) verbindbar ist; einem Gleichspannungsabschnitt (109) zum Bereitstellen einer Gleichspannung für ein Bordnetz, der über jeweils einen Gleichrichter (111-1, 111-2, 111-3) mit dem ersten, zweiten und dritten Antriebsstrang (103-1, 103-2, 103-3) verbunden ist; und einem Ladeabschnitt (113) zum Zuführen eines Ladestroms zu dem ersten, zweiten und dritten Batteriedirektumrichter (105-1, 105-2, 105-3), der mit dem ersten Antriebsstrang (103-1) und dem dritten
Antriebsstrang (103-3) verbunden ist, mit den Schritten:
Einstellen eines positiven Spannungsoffsets zwischen den zwei gemeinsamen Verbindungspunkten (Ps, Pn) der Antriebsstränge (103-1, 103-2, 103-3); und/oder
Einstellen eines stets positiven Spannungsabfalls (Us3) über dem dritten
Batteriedirektumrichter (105-3).
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