WO2018188894A1 - Lade-schaltanordnung für ein fahrzeug, sowie verfahren für eine lade-schaltanordnung - Google Patents

Lade-schaltanordnung für ein fahrzeug, sowie verfahren für eine lade-schaltanordnung Download PDF

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Joerg Reuss
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • Charging switching arrangement for a vehicle Charging switching arrangement for a vehicle, and method for a charging circuit arrangement
  • the invention relates to a switching arrangement, in particular a
  • DC-DC converter for charging the electrical energy storage of a vehicle.
  • Electric vehicles include electrical energy stores (e.g., batteries) that can be connected and charged to a charging station via a vehicle charging device.
  • electrical energy stores e.g., batteries
  • DC charging or AC charging is the charger, which generates the DC power (also referred to as DC current) for charging the electrical storage in the vehicle.
  • An alternating current (AC) or alternating current is transmitted on a charging cable between the charging station and the vehicle.
  • DC charging or DC charging is the charger, which generates the DC power for charging the electrical storage, in the charging station. On the charging cable thus a DC (direct current) or DC power is transmitted.
  • DC charging typically uses a maximum voltage of 500V and a maximum current of 120A, and in the future
  • Charging currents of 350A should be possible.
  • the charging voltage should also be increased to 800V or 1000V (with a maximum charging current of 350A).
  • Vehicle voltage of a high-voltage network of a vehicle increased to 800V or 1000V, so that the vehicle can not be easily charged to a 500V charging station.
  • the present document is concerned with the technical task of enabling an at least partially electrically powered vehicle with a relatively high vehicle electrical system voltage (eg of 800V or 1000V) in an efficient manner for charging at a charging station with a relatively low charging voltage (eg of 500V).
  • a shifting arrangement for a vehicle (in particular for a road motor vehicle) is described.
  • the vehicle may include an electrical energy storage for storing electrical energy.
  • the vehicle may include an electric machine that can be operated with energy from the energy storage.
  • the electric machine can be used to drive the vehicle.
  • the energy store can provide electrical energy with a vehicle electrical system voltage.
  • the vehicle electrical system voltage e.g. in a range of 800V or 1000V.
  • the switching arrangement comprises a switching unit with a plurality of switches.
  • a switch may comprise a transistor, in particular an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), and / or a semiconductor diode.
  • the switches can be arranged at least partially in series or in series to form a half-bridge.
  • the switching unit is configured to couple at least one phase of the electric machine (eg, a three-phase synchronous machine) of the vehicle in different configurations with the DC on-board voltage of the vehicle to an AC phase voltage and / or an AC phase current for the phase of the electric Generate machine.
  • the switching unit can be part of a
  • Inverter that is set up to generate a three-phase current from the DC vehicle electrical system voltage for the operation of a three-phase machine.
  • the switching arrangement comprises at least one coil and isolating switches (e.g., two isolating switches per phase).
  • the isolating switches can be set up to couple the switching unit via the coil with a DC charging voltage or to decouple from the charging voltage (or with a
  • Charging interface such as a charging socket to couple the vehicle or decouple from the charging interface.
  • the charging voltage can be lower than the vehicle electrical system voltage.
  • a first isolation switch may couple a first point within the switching unit via the coil to a first pole of the charging voltage or thereof
  • a second isolating switch can couple (or possibly directly) a second point within the switching unit with a second pole of the charging voltage or decouple it from it.
  • a disconnect switch may e.g. an IGBT, a relay or a MOSFET.
  • the coil and the switching unit can then be used in combination as a DC-DC converter between the charging voltage (for example, in the range of 500V) and the vehicle electrical system voltage.
  • the switching arrangement further comprises a control unit (eg a
  • the control unit is arranged, in a converter mode of the switching arrangement, to cause the isolating switches to couple the switching unit via the coil with the charging voltage.
  • a connection can be established between the charging voltage (i.e., with the charging interface of the vehicle) and the switching arrangement, and thus indirectly with the vehicle electrical system voltage (i.e., with the vehicle's energy storage).
  • the control unit is set up to operate the switching unit in such a way that electrical energy with the charging voltage is converted into electrical energy with the vehicle electrical system voltage via the coil.
  • the switching unit in combination with the coil as
  • DC-DC converter e.g. be operated as a boost converter, in particular as a three-level boost converter.
  • the control unit is set up to cause the disconnecting switches to decouple the switching unit from the charging voltage.
  • the vehicle electrical system voltage can thus be decoupled from the charging voltage and / or from the charging interface in order to allow undisturbed inverter operation of the switching unit.
  • Control unit is further set up in the inverter mode of
  • Switching arrangement to operate the switching unit such that based on the vehicle electrical system voltage, the phase voltage and / or the phase current for the phase of the electric machine are generated.
  • Space, weight and cost-efficient manner can provide both an inverter and a DC-DC converter function. This makes it possible to efficiently charge 800V energy storage in a vehicle via a 500V charging station.
  • the switching unit may comprise at least one first switch (eg at least one high-side switch) which is set up to supply the phase of the electrical machine with a first pole (for example with a plus pole) to the vehicle electrical system voltage couple or uncouple from it. Furthermore, the switching unit may comprise at least one second switch (eg at least one low-side switch) which is set up to couple or decouple the phase of the electrical machine with a second pole (for example with a negative pole) of the vehicle electrical system voltage.
  • the one or more first and second switches can form a half-bridge with respect to the vehicle electrical system voltage. That is, the one or more first and second switches may be arranged in series or in series with each other between the two poles of the vehicle electrical system voltage. The phase of the electrical machine can then be coupled to a midpoint of the half bridge.
  • At least one two-level inverter can be provided in which the midpoint of the half bridge is coupled to the first pole or to the second pole of the vehicle electrical system voltage in order to emulate an alternating voltage (for example a sinusoidal alternating voltage).
  • Half bridge and the first pole of the charging voltage can be arranged (via the first isolating switch). Furthermore, the second pole of the vehicle electrical system voltage can be coupled to the second pole of the charging voltage (via the second disconnecting switch).
  • PWM pulse width modulation
  • the control unit may be configured, in the converter mode, to control the switching unit in order, on the basis of the charging voltage, sequentially in a first
  • Section of a PWM period the coil directly or indirectly between the first and the second pole of the charging voltage to the coil to
  • This sequence of sections may be repeated periodically to transfer electrical energy from the charging socket of the vehicle to the electrical energy storage.
  • the switching arrangement may have one or more capacitors, which are arranged between the first and the second pole of the vehicle electrical system voltage.
  • the one or more capacitors can be used both in the converter mode and in the inverter mode to smooth the vehicle electrical system voltage.
  • the switching arrangement may comprise a capacitive voltage divider with at least two serial capacitors.
  • the at least two serial capacitors can be connected in series between the two poles of the
  • the switching unit may comprise at least two serial first switches (in particular high-side switches) which are set up in the phase of the electrical
  • the switching unit may comprise a first neutral switch arranged to connect a voltage dividing point between the two capacitors of the capacitive voltage divider to the midpoint between the two serial first ones
  • the switching unit may comprise at least two serial second switches (in particular two low-side switches) which are set up to couple or decouple the phase of the electrical machine (that is to say the midpoint of the half-bridge) with the second pole of the vehicle electrical system voltage.
  • the switching unit may include a second neutral switch configured to couple or decouple the voltage dividing point with the mid-point between the two serial second switches.
  • a switching unit for a 3-level inverter can be provided. This switching unit can then be used to provide a 3-level DC-DC converter, in particular a 3-level boost converter.
  • the control unit can be set up in the
  • Inverter mode the switching unit to control based on the
  • Vehicle electrical system voltage to generate a positive, a negative and a neutral level for the phase voltage.
  • stable operation of the electric machine can be enabled.
  • control unit may be configured, in the converter mode, to drive the switching unit to sequentially magnetize the coil via a first of the capacitors based on the charging voltage; demagnetize the coil across the capacitors of the capacitive voltage divider; to magnetize the coil via a second of the capacitors; and to demagnetize the coil across the capacitors of the capacitive voltage divider.
  • This sequence can be repeated in a sequence of PWM periods to convert electrical energy with the charging voltage into electrical energy with the
  • the coil can on the one hand with the midpoint between the two serial first switches and on the other hand, in particular via the first isolating switch, with the be coupled first pole of the charging voltage. Furthermore, the midpoint between the two serial second switches, in particular via the second isolating switch, can be coupled to the second pole of the charging voltage.
  • the control unit may be configured, in converter mode, to control (in particular open) a first switch and a second switch to supply both the coil and the second pole of the charging voltage from the midpoint of the half-bridge (and thus the phase of the electric machine) decouple.
  • the first switch coupled directly to the midpoint of the half bridge and the second switch coupled directly to the midpoint of the half bridge can be opened in the converter mode.
  • the switching arrangement can L switching units for L phases of the electric
  • the switching arrangement L may comprise coils and L sets of isolating switches each coupled to one of the L switching units and to the charging voltage.
  • the control unit may be configured, in the converter mode, to operate the L switching units such that L parallel DC-DC converters between the charging voltage and the vehicle electrical system voltage are provided.
  • the DC-DC converters can be operated phase shifted (e.g., with a phase offset of 360 L).
  • the ripple of the charging current can be reduced.
  • a method for operating a switching arrangement described in this document includes determining if the switching device is to be operated in a converter mode or in an inverter mode. For example, it can be determined whether a charging process should be carried out or whether the vehicle is in driving operation.
  • the method includes, when the switching device is to be operated in the converter mode, causing the isolation switches to couple the switching unit to the charging voltage via the coil.
  • the method comprises operating the switching unit in such a way that electrical energy is transferred to the charging voltage in electrical energy via the coil
  • Inverter mode is to be operated, causing the isolating switch to decouple the switching unit from the charging voltage.
  • the method further comprises operating the switching unit such that based on the
  • phase voltage for a phase of the electrical machine is generated.
  • a vehicle in particular a
  • Road vehicle e.g. a passenger car, a truck or a motorbike
  • Switching arrangement comprises.
  • SW software program
  • the SW program can be set up to run on a processor and thereby perform the method described in this document.
  • the storage medium may include an SW program that is set up to be executed on a processor, and thereby perform the same in this
  • FIG. 1 is a block diagram of an exemplary charging system for a
  • Figure 2a shows an exemplary inverter for a prime mover of a vehicle
  • FIG. 2b shows an exemplary profile of a phase voltage
  • FIG. 2 c shows an exemplary switching unit for an inverter
  • FIG. 2d shows an exemplary DC-DC converter
  • Figure 3a shows an exemplary circuit arrangement with a converter and a Wech inverter function
  • Figure 3b shows another exemplary switching arrangement with a converter and a Wech inverter function
  • FIG. 3 c shows exemplary control signals for the switches of a switching unit in the converter mode
  • Figure 4 shows an exemplary circuit arrangement with a multi-phase converter and inverter function
  • FIG. 5 is a flow chart of an example method for operating a shift arrangement of a vehicle.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an exemplary charging system 100 with a charging station 110 and a vehicle 120 in this context.
  • the vehicle 120 includes an electrical energy store 122 that can be charged with electrical energy from the charging station 110.
  • the vehicle 120 comprises a charging interface, in particular a charging socket 121, to which a corresponding plug 111 of a charging cable 112 can be plugged.
  • the charging socket 121 and the plug 111 form a plug-in system.
  • the vehicle 120 includes a control unit 123 that is configured to control a charging process at the charging station 110.
  • the Control unit 123 of the vehicle 120 may be configured to communicate with the charging station 110 according to a predefined communication protocol.
  • FIG. 2a shows an exemplary inverter 200 that is configured based on a vehicle electrical system voltage VB 210 (i.e., a DC voltage).
  • VB 210 i.e., a DC voltage
  • Phase voltages 211 (i.e., AC voltages) for the coils of an electric machine 203 of the vehicle 120 to generate.
  • the inverter 200 (or inverter) comprises a plurality of switches 202, which are arranged in the illustrated example for each phase in each case in a half-bridge.
  • the switches 202 are driven by a control unit 201 to generate the phase voltages 211 for the electric machine 203.
  • FIG. 2b shows an exemplary phase voltage 211 that can be generated by the switches 202 of a half-bridge. As shown in Fig. 2b, the switches 202 are switched at a certain switching frequency (i.e., opened and closed, respectively).
  • FIG. 2 c shows further details of a phase of an inverter 200, in particular a 3-level NPC (Neutral Point Clamped) inverter 200
  • Inverter 200 may include capacitors 231 for smoothing vehicle electrical system voltage 210 and for providing a neutral level.
  • the inverter 200 includes switches 202 that enable three different ones
  • phase of the inverter 200 To provide output levels, in particular a + Vß / 2 level, a Neurai level (between the capacitors 231) and a -Vß / 2 level, so that a phase voltage 211 and a phase current 221 at the output of the phase of the inverter 200 with increased accuracy, in particular with a unique zero crossing, can be generated.
  • Inverter 200 includes for this purpose first switches or high side switches Ti 311 and T 2 312, with which the + Vß / 2 level can be generated, second switches or low side switches T 3 313 and T 4 314, with which the -VB / 2 level can be generated, and switches T 2 312 and Ds 315 and / or T 3 313 and Dö 316, with which the neutral level can be generated.
  • the highest possible on-board electrical system voltage 210 eg at 800 V
  • the charging voltage used to charge the energy storage 122 of the vehicle 120 may be less than the vehicle electrical system voltage 210.
  • FIG. 2 d shows an exemplary DC-DC converter 250, in particular a boost converter, which is set up to boost the charging voltage 240 to the vehicle electrical system voltage 210 in order to charge the energy store 122 with the vehicle electrical system voltage 210.
  • the DC-DC converter 250 comprises a coil 241, various switches 251, 254, 255, 256 and smoothing capacitors 231.
  • Fig. 3a shows an exemplary combined
  • Inverter / DC converter 300 which comprises a common switching matrix or switching unit 310 with switches 202, which are suitable both for the
  • Inverter function as well as for the DC-DC converter function can be used.
  • the smoothing capacitors 231 may be used for the inverter function and for the DC-DC converter function.
  • the combined smoothing capacitors 231 may be used for the inverter function and for the DC-DC converter function.
  • Inverter / DC converter 300 a coil 241, which can be connected via isolating switch 301 with terminals or poles for the charging voltage 204 and separated therefrom.
  • the isolating switches 301 can be opened so that a phase current 221 can be provided via the switching matrix 310.
  • the switches 311, 312, 313, 314, 315, 316 may be driven to provide the different voltage levels for the phase voltage 211.
  • the isolating switches 301 can be closed, so that via the coil 241 and by operation of the switching matrix 310 electrical energy with the charging voltage 240 can be converted into electrical energy with the vehicle electrical system voltage 210.
  • the switches 312 and 313 may remain open to decouple the DC-DC converter from the motor 203.
  • the switches 311 and 314 may be operated as diodes having the orientation of the body diodes of the switches 311, 314 shown in FIG. 3a.
  • the switches 315 and 316 may be closed and opened at a certain PWM frequency. In this case, the PWM duty cycle of the switches 315, 316 may be adjusted to be based on the
  • 3c shows exemplary drive signals 355, 356 for driving the switches 315, 316 when the switching arrangement 300 is operated as a DC-DC converter.
  • switch 315 may be closed (while switch 316 remains open).
  • the coil current 359 rises through the coil 241 (i.e., the coil 241 is magnetized) and flows through the switch 315, the lower one
  • Voltage drop across the coil 241 is VL-VB / 2, where VL the
  • Charging voltage 240 and VB is the vehicle electrical system voltage 210. It will
  • the capacitors 231 are dimensioned the same (and thus form a capacitive voltage divider with respect to the vehicle electrical system voltage 210, which bisects the vehicle electrical system voltage 210).
  • the switch 315 is closed, so that the coil current 259 through the diode-operated switch 311, the upper capacitor 231, the lower capacitor 231 and the operated as a diode switch 314 flows. Coil current 259 decreases (ie, coil 241 is demagnetized), with the voltage drop across coil 241 being VB-VL.
  • the switch 316 is actuated at the times 363, 364 in a corresponding manner.
  • the vehicle electrical system voltage 240 in a stable manner over a three-level
  • the switches 315, 316 may possibly be formed only as passive diodes (as shown in Fig. 3b). In this case, the active switches 311, 312, 313, 314 may be used to provide a two-level rectifier for boosting the
  • the switches 312, 313 may be closed (while the switches 311, 314 are open) to store energy in the coil 241 (i.e., to magnetize the coil 241). The voltage across the coil 241 then corresponds to the charging voltage VL 240.
  • the switches 311, 314 may be closed (while the switches 312, 313 are closed), so that the energy stored in the coil 241 can be forwarded to the output of the DC-DC converter (and the coil 241 is demagnetized).
  • the voltage VB-VL is then applied to the coil 241.
  • a coil 241 and isolation switch 310 are provided for each phase to provide the
  • Control unit 201 of inverter 200 may be configured to selectively switch switches 202 for the inverter function (i.e.
  • control unit 201 may drive the disconnect switches 301.
  • the individual DC-DC converters can in the first variant according to FIG. 3a in different phases (eg with a phase offset of 120 ° each). operate.
  • DC-DC converter should be operated synchronously to each other. Nevertheless, the use of multiple parallel DC-DC converters can increase the charging power that can be transferred.
  • the shift arrangement 400 can have both an inverter function and a function
  • Switching arrangement 400 comprise a switching unit or a switching matrix 310 with a plurality of switches 311, 312, 313, 314, 315, 316.
  • the switching unit 310 is set up, at least one phase of an electrical machine 203
  • On-board voltage 210 may be provided by an electrical energy store 122 (e.g., by a lithium-ion storage) of the vehicle 120.
  • the switching unit 310 may thus provide an inverter 200 for at least one phase of the electric machine 203.
  • the switching arrangement 200 comprises a coil 241 and isolating switch 301.
  • the isolating switches 301 are set up to couple the switching unit 310 via the coil 241 with a DC charging voltage 240 or from the
  • the charging voltage 240 may be e.g. be provided at a charging interface 121 of the vehicle 120.
  • the coil 241 is coupled to the switching unit 310 such that by means of the coil 241 a DC-DC converter, in particular a Hochsetzer, between the
  • the method 500 includes determining 501 whether the switching arrangement 400 is to be operated in a converter mode or in an inverter mode. In addition, when the switching arrangement 400 is to be operated in the converter mode, the method 500 includes causing the separation switch 301 502a to couple the switching unit 310 to the charging voltage 240 via the coil 241. For this purpose, the disconnect switches 301 can be closed. In addition, if the switching arrangement 400 is to be operated in the converter mode, the method 500 comprises operating the switching unit 310 in such a way that electrical energy with the charging voltage 240 is converted into electrical energy with the vehicle electrical system voltage 210 via the coil 241. It can thus via the switching unit 310 and by means of the coil 241 a switched
  • DC-DC converter can be provided.
  • the method 500 includes when the switching arrangement 400 in the
  • the method 500 includes operating the switching unit 310 in such a way that the phase voltage 211 for the phase of the electrical machine 203 is generated on the basis of the vehicle electrical system voltage 210.
  • the switching unit 310 can thus be operated as an inverter or inverter.
  • the installation space, the weight and the cost of a vehicle 120 can be reduced.
  • the present invention is not limited to the embodiments shown. In particular, it should be noted that the description and figures are intended to illustrate only the principle of the proposed methods, apparatus and systems.

Abstract

Es wird eine Schaltanordnung (400) für ein Fahrzeug (120) beschrieben. Die Schaltanordnung (400) umfasst eine Schalteinheit (310), die eingerichtet ist, zumindest eine Phase einer elektrischen Maschine (203) des Fahrzeugs (120) in unterschiedlichen Konfigurationen mit einer DC-Bordnetzspannung (210) des Fahrzeugs (120) zu koppeln, um eine AC-Phasenspannung (211) für die Phase der elektrischen Maschine (203) zu generieren. Außerdem umfasst die Schaltanordnung (400) eine Spule (241) und Trenn-Schalter (301), wobei die Trenn-Schalter (301) eingerichtet sind, die Schalteinheit (310) über die Spule (241) mit einer DC-Ladespannung (240) zu koppeln oder von der Ladespannung (240) zu entkoppeln. Außerdem umfasst die Schaltanordnung (400) eine Steuereinheit (201, 123), die eingerichtet ist, die Schaltanordnung in einem Wandlermodus oder in einem Wechselrichtermodus zu betreiben.

Description

Lade- Schaltanordnung für ein Fahrzeug, sowie Verfahren für eine Lade- Schaltanordnung
Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung, insbesondere einen
Gleichspannungswandler, zum Laden des elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs.
Fahrzeuge mit Elektroantrieb (z.B. ein PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle, oder ein BEV, ein Battery Electric Vehicle) umfassen elektrische Energiespeicher (z.B. Batterien), die über eine Ladevorrichtung des Fahrzeugs an eine Ladestation angeschlossen und aufgeladen werden können. Zum Aufladen der elektrischen Energiespeicher solcher Elektro- und/oder Hybrid-Fahrzeuge existieren verschiedene konduktive, d.h. kabelgebundene, Ladetechnologien. Bei dem sogenannten AC- Laden oder Wechselstromladen befindet sich das Ladegerät, welches den Gleichstrom (auch als DC-Strom bezeichnet) zur Aufladung des elektrischen Speichers erzeugt, im Fahrzeug. Auf einem Ladekabel zwischen Ladestation und Fahrzeug wird ein AC- (Alternating Current) oder Wechselstrom übertragen. Bei dem sogenannten DC-Laden oder Gleichstromladen befindet sich das Ladegerät, welches den Gleichstrom zur Aufladung des elektrischen Speichers erzeugt, in der Ladestation. Auf dem Ladekabel wird somit ein DC- (Direct Current) oder Gleichstrom übertragen.
Derzeit werden beim DC-Laden typischerweise eine maximale Spannung von 500V und ein maximaler Strom von 120A verwendet, wobei in Zukunft
Ladeströme von 350A möglich sein sollen. Um die Ladeleistung weiter zu steigern, soll auch die Ladespannung auf 800V oder 1000V erhöht werden (bei einem maximalen Ladestrom von 350A). Als Folge daraus wird auch die
Bordnetzspannung eines Hochvoltnetzes eines Fahrzeugs auf 800V oder 1000V erhöht, so dass das Fahrzeug nicht ohne weiteres an einer 500V Ladestation geladen werden kann. Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer relativ hohen Bordnetzspannung (z.B. von 800V oder 1000V) in effizienter Weise für das Laden an einer Ladestation mit einer relativ niedrigen Ladespannung (z.B. von 500V) zu befähigen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
Gemäß einem Aspekt wird eine Schaltanordnung für ein Fahrzeug (insbesondere für ein Straßenkraftfahrzeug) beschrieben. Das Fahrzeug kann einen elektrischen Energiespeicher zur Speicherung von elektrischer Energie umfassen. Des Weiteren kann das Fahrzeug eine elektrische Maschine umfassen, die mit Energie aus dem Energiespeicher betrieben werden kann. Die elektrische Maschine kann zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden. Der Energiespeicher kann elektrische Energie mit einer Bordnetzspannung bereitstellen. Dabei kann die Bordnetzspannung z.B. in einem Bereich von 800V oder 1000V liegen.
Die Schaltanordnung umfasst eine Schalteinheit mit mehreren Schaltern. Ein Schalter kann dabei einen Transistor, insbesondere einen IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder einen MOSFET (Metall- Oxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor), und/oder eine Halbleiter-Diode umfassen. Die Schalter können dabei zumindest teilweise in Serie bzw. in Reihe angeordnet sein, um eine Halbbrücke zu bilden.
Die Schalteinheit ist eingerichtet, zumindest eine Phase der elektrischen Maschine (z.B. einer Drehstrom-Synchronmaschine) des Fahrzeugs in unterschiedlichen Konfigurationen mit der DC-Bordnetzspannung des Fahrzeugs zu koppeln, um eine AC-Phasenspannung und/oder einen AC-Phasenstrom für die Phase der elektrischen Maschine zu generieren. Die Schalteinheit kann Teil eines
Wechselrichters sein, der eingerichtet ist, aus der DC-Bordnetzspannung einen Drehstrom für den Betrieb einer Drehstrom-Maschine zu generieren. Die
Schaltanordnung kann z.B. L, mit L>1, z.B. L=3, Schalteinheiten für L
unterschiedliche Phasen der elektrischen Maschine aufweisen.
Außerdem umfasst die Schaltanordnung zumindest eine Spule und Trenn-Schalter (z.B. zwei Trenn-Schalter pro Phase). Die Trenn-Schalter können dabei eingerichtet sein, die Schalteinheit über die Spule mit einer DC-Ladespannung zu koppeln oder von der Ladespannung zu entkoppeln (bzw. mit einer
Ladeschnittstelle, etwa einer Ladebuchse, des Fahrzeugs zu koppeln bzw. von der Ladeschnittstelle zu entkoppeln. Die Ladespannung kann geringer sein als die Bordnetzspannung.
Ein erster Trenn-Schalter kann einen ersten Punkt innerhalb der Schalteinheit über die Spule mit einem ersten Pol der Ladespannung koppeln bzw. davon
entkoppeln. Des Weiteren kann ein zweite Trenn-Schalter einen zweiten Punkt innerhalb der Schalteinheit (ggf. direkt) mit einem zweiten Pol der Ladespannung koppeln bzw. davon entkoppeln. Ein Trenn-Schalter kann z.B. einen IGBT, ein Relais oder ein MOSFET umfassen. Über die Trenn-Schalter kann somit eine Verbindung zwischen der Schalteinheit (und folglich zwischen der
Bordnetzspannung) und der Ladespannung bereitgestellt werden. Die Spule und die Schalteinheit können dann in Kombination als Gleichspannungswandler zwischen der Ladespannung (die z.B. im Bereich von 500V liegt) und der Bordnetzspannung verwendet werden. Die Schaltanordnung umfasst weiter eine Steuereinheit (z.B. einen
Mikroprozessor). Die Steuereinheit ist eingerichtet, in einem Wandlermodus der Schaltanordnung, die Trenn-Schalter zu veranlassen, die Schalteinheit über die Spule mit der Ladespannung zu koppeln. Es kann somit eine Verbindung zwischen der Ladespannung (d.h. mit der Ladeschnittstelle des Fahrzeugs) und der Schaltanordnung und damit indirekt bzw. mittelbar mit der Bordnetzspannung (d.h. mit dem Energiespeicher des Fahrzeugs) hergestellt werden. Außerdem ist die Steuereinheit eingerichtet, in dem Wandlermodus der Schaltanordnung, die Schalteinheit derart zu betreiben, dass über die Spule elektrische Energie mit der Ladespannung in elektrische Energie mit der Bordnetzspannung gewandelt wird. Insbesondere kann die Schalteinheit in Kombination mit der Spule als
Gleichspannungswandler, z.B. als Boost- Wandler, insbesondere als Drei-Level- Boost- Wandler, betrieben werden.
Andererseits ist die Steuereinheit eingerichtet, in einem Wechselrichtermodus der Schaltanordnung, die Trenn-Schalter zu veranlassen, die Schalteinheit von der Ladespannung zu entkoppeln. Die Bordnetzspannung kann somit von der Ladespannung und/oder von der Ladeschnittstelle entkoppelt werden, um einen ungestörten Wechselrichterbetrieb der Schalteinheit zu ermöglichen. Die
Steuereinheit ist weiter eingerichtet, in dem Wechselrichtermodus der
Schaltanordnung, die Schalteinheit derart zu betreiben, dass auf Basis der Bordnetzspannung die Phasenspannung und/oder der Phasenstrom für die Phase der elektrischen Maschine generiert werden.
Es wird somit eine Schaltanordnung für ein Fahrzeug beschrieben, die in
Bauraum-, Gewichts- und Kosten-effizienter Weise sowohl eine Wechselrichter- als auch eine Gleichspannungswandlerfunktion bereitstellen kann. So kann in effizienter Weise das Laden von 800V Energiespeichern in einem Fahrzeug über eine 500V Ladestation ermöglicht werden.
Die Schalteinheit kann zumindest einen ersten Schalter (z.B. zumindest einen High Side Schalter) umfassen, der eingerichtet ist, die Phase der elektrischen Maschine mit einem ersten Pol (z.B. mit einem Pluspol) der Bordnetzspannung zu koppeln oder davon zu entkoppeln. Des Weiteren kann die Schalteinheit zumindest einen zweiten Schalter (z.B. zumindest einen Low Side Schalter) umfassen, der eingerichtet ist, die Phase der elektrischen Maschine mit einem zweiten Pol (z.B. mit einem Minuspol) der Bordnetzspannung zu koppeln oder davon zu entkoppeln. Dabei können die ein oder mehreren ersten und zweiten Schalter eine Halbbrücke in Bezug auf die Bordnetzspannung bilden. Das heißt, die ein oder mehreren ersten und zweiten Schalter können in Serie bzw. in Reihe zueinander zwischen den beiden Polen der Bordnetzspannung angeordnet sein. Die Phase der elektrischen Maschine kann dann mit einem Mittelpunkt der Halbbrücke gekoppelt sein.
Durch eine derartige Halbbrücke kann zumindest ein Zwei-Level-Wechselrichter bereitgestellt werden, bei dem der Mittelpunkt der Halbbrücke zur Nachbildung einer Wechselspannung (z.B. einer sinusförmigen Wechselspannung) mit dem ersten Pol bzw. mit dem zweiten Pol der Bordnetzspannung gekoppelt wird.
Andererseits kann durch eine derartige Halbbrücke in Kombination mit der Spule zumindest ein Zwei-Level-Gleichspannungswandler, insbesondere ein Boost- Wandler, zwischen der Ladespannung und der Bordnetzspannung bereitgestellt werden. Zu diesem Zweck kann die Spule zwischen dem Mittelpunkt der
Halbbrücke und dem ersten Pol der Ladespannung angeordnet werden (über den ersten Trenn- Schalter). Des Weiteren kann der zweite Pol der Bordnetzspannung mit dem zweiten Pol der Ladespannung gekoppelt werden (über den zweiten Trenn-Schalter). Durch eine alternierende Aktivierung des ersten Schalters bzw. des zweiten Schalters in einer Sequenz von PWM (Pulsweitenmodulation)- Perioden kann dann eine Gleichspannungswandlung erfolgen.
Es wird somit eine effiziente Kombination eines Wechselrichters und eines Gleichspannungswandlers ermöglicht.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, im Wandlermodus, die Schalteinheit anzusteuern, um auf Basis der Ladespannung sequentiell in einem ersten
Abschnitt einer PWM-Periode die Spule direkt oder indirekt zwischen dem ersten und dem zweiten Pol der Ladespannung anzuordnen, um die Spule zu
magnetisieren, und in einem zweiten Abschnitt einer PWM-Periode die Spule zwischen dem ersten Pol der Bordnetzspannung und dem ersten Pol der
Ladespannung anzuordnen, um die Spule zu entmagnetisieren. Diese Sequenz von Abschnitten kann periodisch wiederholt werden, um elektrische Energie von der Ladebuchse des Fahrzeugs in den elektrischen Energiespeicher zu übertragen.
Die Schaltanordnung kann ein oder mehrere Kondensatoren aufweisen, die zwischen dem ersten und dem zweiten Pol der Bordnetzspannung angeordnet sind. Die ein oder mehreren Kondensatoren können sowohl im Wandlermodus als auch im Wechselrichtermodus dazu genutzt werden, die Bordnetzspannung zu glätten.
Insbesondere kann die Schaltanordnung einen kapazitiven Spannungsteiler mit zumindest zwei seriellen Kondensatoren umfassen. Die zumindest zwei seriellen Kondensatoren können in Reihe zwischen den beiden Polen der
Bordnetzspannung angeordnet sein, und die Bordnetzspannung in zwei oder mehr (ggf. gleiche) Teilspannungen aufteilen. Durch die Verwendung eines kapazitiven Spannungsteilers können mehr als zwei Spannungs-Levels bzw. Spannungs- Niveaus bereitgestellt werden. Dies ist sowohl für den Wandlermodus als auch für den Wechselrichtermodus vorteilhaft. Insbesondere können so ein gleichmäßiger Betrieb der elektrischen Maschine einerseits und ein gleichmäßiger Ladestrom andererseits bereitgestellt werden. Die Schalteinheit kann zumindest zwei serielle erste Schalter (insbesondere High Side Schalter) umfassen, die eingerichtet sind, die Phase der elektrischen
Maschine (d.h. den Mittelpunkt der Halbbrücke) mit dem ersten Pol der
Bordnetzspannung zu koppeln oder davon zu entkoppeln. Des Weiteren kann die Schalteinheit einen ersten Neutral-Schalter umfassen, der eingerichtet ist, einen Spannungsteilungspunkt zwischen den zwei Kondensatoren des kapazitiven Spannungsteilers mit dem Mittelpunkt zwischen den zwei seriellen ersten
Schaltern zu koppeln oder davon zu entkoppeln. Durch eine derartige Anordnung von Schaltern kann ein Neutral-Spannungs-Niveau (zwischen dem Potential des ersten Pols und dem Potential des zweiten Pols der Bordnetzspannung) bereitgestellt werden.
In entsprechender Weise kann die Schalteinheit zumindest zwei serielle zweite Schalter (insbesondere zwei Low Side Schalter) umfassen, die eingerichtet sind, die Phase der elektrischen Maschine (d.h. den Mittelpunkt der Halbbrücke) mit dem zweiten Pol der Bordnetzspannung zu koppeln oder davon zu entkoppeln. Außerdem kann die Schalteinheit einen zweiten Neutral- Schalter umfassen, der eingerichtet ist, den Spannungsteilungspunkt mit dem Mittelpunkt zwischen den zwei seriellen zweiten Schaltern zu koppeln oder davon zu entkoppeln.
Insgesamt kann somit eine Schalteinheit für einen 3-Level-Wechselrichter bereitgestellt werden. Diese Schalteinheit kann dann dazu verwendet werden einen 3-Level-Gleichspannungswandler, insbesondere einen 3-Level-Boost- Wandler, bereitzustellen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, im
Wechselrichtermodus, die Schalteinheit anzusteuern, um auf Basis der
Bordnetzspannung ein positives, ein negatives und ein neutrales Niveau für die Phasenspannung zu generieren. So kann ein stabiler Betrieb der elektrischen Maschine ermöglicht werden.
Andererseits kann die Steuereinheit eingerichtet sein, im Wandlermodus, die Schalteinheit anzusteuern, um auf Basis der Ladespannung sequentiell die Spule über einen ersten der Kondensatoren zu magnetisieren; die Spule über die Kondensatoren des kapazitiven Spannungsteilers zu entmagnetisieren; die Spule über einen zweiten der Kondensatoren zu magnetisieren; und die Spule über die Kondensatoren des kapazitiven Spannungsteilers zu entmagnetisieren. Diese Abfolge kann in einer Sequenz von PWM-Perioden wiederholt werden, um elektrische Energie mit der Ladespannung in elektrische Energie mit der
Bordnetzspannung zu wandeln. So kann ein stabiler Ladestrom zum Laden des Energiespeichers des Fahrzeugs bereitgestellt werden.
Die Spule kann einerseits mit dem Mittelpunkt zwischen den zwei seriellen ersten Schaltern und andererseits, insbesondere über den ersten Trenn-Schalter, mit dem ersten Pol der Ladespannung gekoppelt sein. Des Weiteren kann der Mittelpunkt zwischen den zwei seriellen zweiten Schaltern, insbesondere über den zweiten Trenn-Schalter, mit dem zweiten Pol der Ladespannung gekoppelt sein. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, im Wandlermodus, einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter anzusteuern (insbesondere zu öffnen), um sowohl die Spule als auch den zweiten Pol der Ladespannung von dem Mittelpunkt der Halbbrücke (und damit von der Phase der elektrischen Maschine) zu entkoppeln. Insbesondere können der direkt an den Mittelpunkt der Halbbrücke gekoppelte erste Schalter und der direkt an den Mittelpunkt der Halbbrücke gekoppelte zweite Schalter im Wandlermodus geöffnet werden. So kann ein besonders energieeffizienter Gleichspannungswandler-Betrieb ermöglicht werden, da die Schalteinheit von der elektrischen Maschine entkoppelt wird. Die Schaltanordnung kann L Schalteinheiten für L Phasen der elektrischen
Maschine umfassen, mit L>1 (z.B. L=3). Des Weiteren kann die Schaltanordnung L Spulen und L Sätze von Trenn-Schaltern umfassen, die jeweils mit einer der L Schalteinheiten und mit der Ladespannung gekoppelt sind. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, im Wandlermodus, die L Schalteinheiten derart zu betreiben, dass L parallele Gleichspannungswandler zwischen der Ladespannung und der Bordnetzspannung bereitgestellt werden. So kann die Ladeleistung, die über die Schaltanordnung übertragen wird, erhöht werden. Die Gleichspannungswandler können phasen verschoben betrieben werden (z.B. mit einem Phasen versatz von 360 L). So kann der Rippel des Ladestroms reduziert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb einer in diesem Dokument beschriebenen Schaltanordnung beschrieben. Das Verfahren umfasst das Ermitteln, ob die Schaltanordnung in einem Wandlermodus oder in einem Wechselrichtermodus betrieben werden soll. Beispielsweise kann ermittelt werden, ob ein Ladevorgang durchgeführt werden soll oder ob sich das Fahrzeug im Fahrbetrieb befindet. Das Verfahren umfasst, wenn die Schaltanordnung in dem Wandlermodus betrieben werden soll, das Veranlassen der Trenn-Schalter, die Schalteinheit über die Spule mit der Ladespannung zu koppeln. Außerdem umfasst das Verfahren das Betreiben der Schalteinheit derart, dass über die Spule elektrische Energie mit der Ladespannung in elektrische Energie mit der
Bordnetzspannung gewandelt wird. Andererseits umfasst das Verfahren, wenn die Schaltanordnung in dem
Wechselrichtermodus betrieben werden soll, das Veranlassen der Trenn-Schalter, die Schalteinheit von der Ladespannung zu entkoppeln. Das Verfahren umfasst weiter das Betreiben der Schalteinheit derart, dass auf Basis der
Bordnetzspannung die Phasenspannung für eine Phase der elektrischen Maschine generiert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein
Straßenfahrzeug z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene
Schaltanordnung umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem
Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
Figur 1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Ladesystems für einen
Energiespeicher eines Fahrzeugs;
Figur 2a einen beispielhaften Wechselrichter für eine Antriebsmaschine eines Fahrzeugs;
Figur 2b einen beispielhaften Verlauf einer Phasenspannung;
Figur 2c eine beispielhafte Schalteinheit für einen Wechselrichter;
Figur 2d einen beispielhaften Gleichspannungswandler;
Figur 3a eine beispielhafte Schaltanordnung mit einer Wandler- und einer Wech selrichterfunktion ;
Figur 3b eine weitere beispielhafte Schaltanordnung mit einer Wandler- und einer Wech selrichterfunktion ;
Figur 3c beispielhafte Steuersignale für die Schalter einer Schalteinheit im Wandlermodus;
Figur 4 eine beispielhafte Schaltanordnung mit einer mehrphasigen Wandler- und Wechselrichterfunktion; und
Figur 5 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb einer Schaltanordnung eines Fahrzeugs.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten Bereitstellung eines Hochsetzers in einem Fahrzeug. Fig. 1 zeigt in diesem Zusammenhang ein Blockdiagram eines beispielhaften Ladesystems 100 mit einer Ladestation 110 und einem Fahrzeug 120. Das Fahrzeug 120 umfasst einen elektrischen Energiespeicher 122, der mit elektrischer Energie aus der Ladestation 110 aufgeladen werden kann. Das Fahrzeug 120 umfasst eine Ladeschnittstelle, insbesondere eine Ladedose, 121 an der ein entsprechender Stecker 111 eines Ladekabels 112 angesteckt werden kann. Die Ladedose 121 und der Stecker 111 bilden ein Stecksystem.
Das Fahrzeug 120 umfasst eine Steuereinheit 123, die eingerichtet ist, einen Ladevorgang an der Ladestation 110 zu steuern. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 123 des Fahrzeugs 120 eingerichtet sein, mit der Ladestation 110 gemäß einem vordefinierten Kommunikations-Protokoll zu kommunizieren.
Fig. 2a zeigt einen beispielhaften Wechselrichter 200, der eingerichtet ist, auf Basis einer Bordnetzspannung VB 210 (d.h. einer Gleichspannung)
Phasenspannungen 211 (d.h. Wechselspannungen) für die Spulen einer elektrischen Maschine 203 des Fahrzeugs 120 zu generieren. Der Wechselrichter 200 (bzw. Inverter) umfasst mehrere Schalter 202, die in dem dargestellten Beispiel für jede Phase jeweils in einer Halbbrücke angeordnet sind. Die Schalter 202 werden durch eine Steuereinheit 201 angesteuert, um die Phasenspannungen 211 für die elektrische Maschine 203 zu generieren.
Fig. 2b zeigt eine beispielhafte Phasenspannung 211, die durch die Schalter 202 einer Halbbrücke generiert werden können. Wie aus Fig. 2b ersichtlich, werden die Schalter 202 mit einer bestimmten Schaltfrequenz geschaltet (d.h. geöffnet bzw. geschlossen).
Fig. 2c zeigt weitere Details einer Phase eines Wechselrichters 200, insbesondere eines 3-Level NPC (Neutral Point Clamped) Wechselrichters 200.Der
Wechselrichter 200 kann Kondensatoren 231 zur Glättung der Bordnetzspannung 210 und zur Bereitstellung eines Neutral- Niveaus aufweisen. Der Wechselrichter 200 umfasst Schalter 202, die es ermöglichen, drei unterschiedliche
Ausgangsniveaus, insbesondere ein +Vß/2-Niveau, ein Neurai-Niveau (zwischen den Kondensatoren 231) und ein -Vß/2-Niveau, bereitzustellen, so dass eine Phasenspannung 211 bzw. ein Phasenstrom 221 am Ausgang der Phase des Wechselrichters 200 mit erhöhter Genauigkeit, insbesondere mit einem eindeutigen Nulldurchgang, generiert werden können. Die Phase des
Wechselrichters 200 umfasst zu diesem Zweck erste Schalter bzw. High Side Schalter Ti 311 und T2 312, mit denen das +Vß/2-Niveau generiert werden kann, zweite Schalter bzw. Low Side Schalter T3 313 und T4 314, mit denen das -VB/2- Niveau generiert werden kann, sowie Schalter T2 312 und Ds 315 und/oder T3 313 und Dö 316, mit denen das Neutral-Niveau generiert werden kann. Wie eingangs dargelegt, wird bevorzugt eine möglichst hohe Bordnetzspannung 210 (z.B. bei 800V) verwendet, um möglichst hohe Energiemengen an den Energiespeicher 122 eines Fahrzeugs 120 zu übertragen. Andererseits kann die Ladespannung, die zum Laden des Energiespeichers 122 des Fahrzeugs 120 verwendet wird, geringer als die Bordnetzspannung 210 sein. Fig. 2d zeigt einen beispielhaften Gleichspannungswandler 250, insbesondere einen Boost- Wandler, der eingerichtet ist, die Ladespannung 240 auf die Bordnetzspannung 210 hochzusetzen, um den Energie Speicher 122 mit der Bordnetzspannung 210 zu laden. Der Gleichspannungswandler 250 umfasst eine Spule 241, diverse Schalter 251, 254, 255, 256 und Glättungs-Kondensatoren 231.
Der Verbau eines zusätzlichen Gleichspannungswandlers 250 für einen
Ladevorgang ist mit zusätzlichen Kosten und zusätzlichem Bauraum / Gewicht verbunden. Andererseits zeigt ein Vergleich der Figuren 2c und 2d, dass der Gleichspannungswandler 250 Komponenten erfordert, die bereits in einer Phase des Wechselrichters 200 verbaut sind. Insbesondere sind bereits die für einen Gleichspannungswandler 250 erforderlichen Schalter 202 und Kondensatoren 231 in einem Wechselrichter 200 verbaut. Eine Phase eines Wechselrichters 200 kann somit in effizienter Weise für die Bereitstellung eines Gleichspannungswandlers 250 verwendet werden.
Fig. 3a zeigt einen beispielhaften kombinierten
Wechselrichter/Gleichspannungswandler 300, der ein gemeinsame Schaltmatrix bzw. Schalteinheit 310 mit Schaltern 202 umfasst, die sowohl für die
Wechselrichterfunktion als auch für die Gleichspannungswandlerfunktion verwendet werden können. Außerdem können auch die Glättungs-Kondensatoren 231 für die Wechselrichterfunktion und für die Gleichspannungswandlerfunktion verwendet werden. Darüber hinaus weist der kombinierte
Wechselrichter/Gleichspannungswandler 300 eine Spule 241 auf, die über Trenn- Schalter 301 mit Anschlüssen bzw. Polen für die Ladespannung 204 verbunden bzw. davon getrennt werden kann. Zur Bereitstellung der Wechselrichterfunktion können die Trenn-Schalter 301 geöffnet werden, so dass über die Schaltmatrix 310 ein Phasenstrom 221 bereitgestellt werden kann. Dazu können die Schaltern 311, 312, 313, 314, 315, 316 angesteuert werden, um die unterschiedlichen Spannungs-Niveaus für die Phasenspannung 211 bereitzustellen.
Zur Bereitstellung der Gleichspannungswandlerfunktion können die Trenn- Schalter 301 geschlossen werden, so dass über die Spule 241 und durch Betrieb der Schaltmatrix 310 elektrische Energie mit der Ladespannung 240 in elektrische Energie mit der Bordnetzspannung 210 gewandelt werden kann. Dazu können die Schalter 312 und 313 geöffnet bleiben, um den Gleichspannungswandler von dem Motor 203 zu entkoppeln. Die Schalter 311 und 314 können als Dioden betrieben werden, die die Ausrichtung der Body-Dioden, der in Fig. 3a gezeigten Schalter 311, 314 aufweisen. Die Schalter 315 und 316 können mit einer bestimmten PWM-Frequenz geschlossen bzw. geöffnet werden. Dabei kann das PWM- Tastverhältnis der Schalter 315, 316 angepasst werden, um auf Basis der
Ladespannung 240 eine bestimmte Bordnetzspannung 210 am Ausgang des Gleichrichters bereitzustellen. Fig. 3c zeigt beispielhafte Ansteuersignale 355, 356 zur Ansteuerung der Schalter 315, 316, wenn die Schaltanordnung 300 als Gleichspannungswandler betrieben wird. Zu Beginn einer PWM-Periode 360, d.h. zum Zeitpunkt 361, kann der Schalter 315 geschlossen werden (während der Schalter 316 geöffnet bleibt). Als Folge daraus steigt der Spulenstrom 359 durch die Spule 241 an (d.h. die Spule 241 wird magnetisiert), und fließt durch den Schalter 315, den unteren
Kondensator 231 und den als Diode betriebenen Schalter 314. Der
Spannungsabfall über der Spule 241 ist dabei VL-VB/2, wobei VL die
Ladespannung 240 und VB die Bordnetzspannung 210 ist. Dabei wird
angenommen, dass die Kondensatoren 231 gleich dimensioniert sind (und somit einen kapazitiven Spannungsteiler in Bezug auf die Bordnetzspannung 210 bilden, der die Bordnetzspannung 210 halbiert). Am Zeitpunkt 262 wird der Schalter 315 geschlossen, so dass der Spulenstrom 259 durch den als Diode betriebenen Schalter 311, den oberen Kondensator 231, den unteren Kondensator 231 und den als Diode betriebenen Schalter 314 fließt. Der Spulenstrom 259 sinkt dabei (d.h. die Spule 241 wird entmagnetisiert), wobei der Spannungsabfall an der Spule 241 VB-VL ist. In der nächsten Hälfte der PWM-Periode 360 wird der Schalter 316 an den Zeitpunkten 363, 364 in entsprechender Weise angesteuert. So kann die Bordnetzspannung 240 in stabiler Weise über einen Drei-Level
Gleichspannungswandler hochgesetzt werden.
Die Schalter 315, 316 können ggf. nur als passive Dioden ausgebildet sein (wie in Fig. 3b dargestellt). In diesem Fall können die aktiven Schalter 311, 312, 313, 314 dazu verwendet werden, eine Zwei- Level Gleichrichter zum Hochsetzen der
Ladespannung 240 bereitzustellen. In einem ersten Abschnitt einer PWM-Periode 360 können die Schalter 312, 313 geschlossen werden (während die Schalter 311, 314 geöffnet sind), um Energie in der Spule 241 zu speichern (d.h. um die Spule 241 zu magnetisieren). Die Spannung über der Spule 241 entspricht dann der Ladespannung VL 240. In einem zweiten Abschnitt der PWM-Periode 360 können die Schalter 311, 314 geschlossen werden (während die Schalter 312, 313 geschlossen sind), so dass die in der Spule 241 gespeicherte Energie an den Ausgang des Gleichspannungswandlers weitergeleitet werden kann (und die Spule 241 entmagnetisiert wird). An der Spule 241 liegt dann die Spannung VB-VL an.
Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Schaltanordnung 400, bei der L=3 Phasen des Wechselrichters 200 dazu verwendet werden, jeweils einen
Gleichspannungswandler bereitzustellen. Zu diesem Zweck werden für jede Phase eine Spule 241 und Trenn-Schalter 310 bereitgestellt, um die
Gleichspannungswandler mit der Ladespannung 240 zu koppeln. Die
Steuereinheit 201 des Wechselrichters 200 kann eingerichtet sein, die Schalter 202 wahlweise für die Wechselrichterfunktion (d.h. für einen
Wechselrichtermodus) oder für die Gleichspannungswandlerfunktion (d.h. für einen Wandlermodus) anzusteuern. Des Weiteren kann die Steuereinheit 201 die Trenn-Schalter 301 ansteuern.
Die einzelnen Gleichspannungswandler können in der ersten Variante gemäß Fig. 3a in unterschiedlichen Phasen (z.B. mit einem Phasenversatz von jeweils 120°) betrieben werden. So kann der Rippel des Ladestroms am Ausgang der
Gleichspannungswandler reduziert werden. Andererseits besteht bei der Variante 2 gemäß Fig. 3b eine Kopplung zwischen den einzelnen
Gleichspannungswandlern über den Motor 203, so dass die einzelnen
Gleichspannungswandler synchron zueinander betrieben werden sollten. Durch die Verwendung von mehreren parallelen Gleichspannungswandlern kann dennoch die Ladeleistung, die übertragen werden kann, erhöht werden.
Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 500 zum Betrieb einer Schaltanordnung 400 in einem Fahrzeug 120. Die Schaltanordnung 400 kann dabei sowohl eine Wechselrichterfunktion als auch eine
Gleichspannungswandlerfunktion aufweisen. Insbesondere kann die
Schaltanordnung 400 eine Schalteinheit bzw. eine Schaltmatrix 310 mit mehreren Schaltern 311, 312, 313, 314, 315, 316 umfassen. Dabei ist die Schalteinheit 310 eingerichtet ist, zumindest eine Phase einer elektrischen Maschine 203
(insbesondere einer Antriebsmaschine) des Fahrzeugs 120 in unterschiedlichen Konfigurationen mit einer DC (Direkt Current)-Bordnetzspannung 210 des Fahrzeugs 120 zu koppeln, um eine AC (Alternating Current)-Phasenspannung 211 für die Phase der elektrischen Maschine 203 zu generieren. Die
Bordnetzspannung 210 kann durch einen elektrischen Energie Speicher 122 (z.B. durch einen Lithium-Ionen Speicher) des Fahrzeugs 120 bereitgestellt werden. Die Schalteinheit 310 kann somit einen Wechselrichter bzw. einen Inverter 200 für zumindest eine Phase der elektrischen Maschine 203 bereitstellen. Außerdem umfasst die Schaltanordnung 200 eine Spule 241 und Trenn- Schalter 301. Dabei sind die Trenn-Schalter 301 eingerichtet, die Schalteinheit 310 über die Spule 241 mit einer DC-Ladespannung 240 zu koppeln oder von der
Ladespannung 240 zu entkoppeln. Die Ladespannung 240 kann z.B. an einer Ladeschnittstelle 121 des Fahrzeugs 120 bereitgestellt werden. Die Spule 241 ist derart mit der Schalteinheit 310 gekoppelt, dass mittels der Spule 241 ein Gleichspannungswandler, insbesondere ein Hochsetzer, zwischen der
Ladespannung 240 und der Bordnetzspannung 210 bereitgestellt werden kann. Das Verfahren 500 umfasst das Ermitteln 501, ob die Schaltanordnung 400 in einem Wandlermodus oder in einem Wechselrichtermodus betrieben werden soll. Außerdem umfasst das Verfahren 500, wenn die Schaltanordnung 400 in dem Wandlermodus betrieben werden soll, das Veranlassen 502a der Trenn-Schalter 301, die Schalteinheit 310 über die Spule 241 mit der Ladespannung 240 zu koppeln. Zu diesem Zweck können die Trenn-Schalter 301 geschlossen werden. Außerdem umfasst das Verfahren 500, wenn die Schaltanordnung 400 in dem Wandlermodus betrieben werden soll, das Betreiben 503a der Schalteinheit 310 derart, dass über die Spule 241 elektrische Energie mit der Ladespannung 240 in elektrische Energie mit der Bordnetzspannung 210 gewandelt wird. Es kann somit über die Schalteinheit 310 und mittels der Spule 241 ein geschalteter
Gleichspannungswandler bereitgestellt werden.
Das Verfahren 500 umfasst, wenn die Schaltanordnung 400 in dem
Wechselrichtermodus betrieben werden soll, das Veranlassen 502b der Trenn- Schalter 301, die Schalteinheit 310 von der Ladespannung 240 zu entkoppeln. Dadurch kann auch die Spule 241 von der Schalteinheit 310 entkoppelt werden oder zumindest potentialfrei geschaltet werden. Außerdem umfasst das Verfahren 500, wenn die Schaltanordnung 400 in dem Wechselrichtermodus betrieben werden soll, das Betreiben 503b der Schalteinheit 310 derart, dass auf Basis der Bordnetzspannung 210 die Phasenspannung 211 für die Phase der elektrischen Maschine 203 generiert wird. Die Schalteinheit 310 kann somit als Inverter bzw. Wechselrichter betrieben werden. Durch die Bereitstellung einer Schalteinheit 310, die sowohl für das Laden des Energiespeichers 122 als auch für den Betrieb der elektrischen Maschine 203 eines Fahrzeugs 120 verwendet werden kann, können der Bauraum, das Gewicht und die Kosten eines Fahrzeugs 120 reduziert werden. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Ansprüche
1) Schaltanordnung (400) für ein Fahrzeug (120), wobei die Schaltanordnung (400) umfasst,
- eine Schalteinheit (310) mit mehreren Schaltern (311, 312, 313, 314, 315, 316); wobei die Schalteinheit (310) eingerichtet ist, zumindest eine Phase einer elektrischen Maschine (203) des Fahrzeugs (120) in unterschiedlichen Konfigurationen mit einer DC-Bordnetzspannung
(210) des Fahrzeugs (120) zu koppeln, um eine AC-Phasenspannung
(211) für die Phase der elektrischen Maschine (203) zu generieren;
- eine Spule (241) und Trenn-Schalter (301); wobei die Trenn- Schalter (301) eingerichtet sind, die Schalteinheit (310) über die Spule (241) mit einer DC-Ladespannung (240) zu koppeln oder von der Ladespannung (240) zu entkoppeln; und
- eine Steuereinheit (201, 123), die eingerichtet ist,
- in einem Wandlermodus, die Trenn-Schalter (301) zu
veranlassen, die Schalteinheit (310) über die Spule (241) mit der Ladespannung (240) zu koppeln, und die Schalteinheit (310) derart zu betreiben, dass über die Spule (241) elektrische Energie mit der Ladespannung (240) in elektrische Energie mit der Bordnetzspannung (210) gewandelt wird; und
- in einem Wechselrichtermodus, die Trenn-Schalter (301) zu veranlassen, die Schalteinheit (310) von der Ladespannung (240) zu entkoppeln, und die Schalteinheit (310) derart zu betreiben, dass auf Basis der Bordnetzspannung (210) die Phasenspannung (211) für die Phase der elektrischen Maschine (203) generiert wird.
2) Schaltanordnung (400) gemäß Anspruch 1, wobei
- die Schalteinheit (310) zumindest einen ersten Schalter (311, 312) umfasst, der eingerichtet ist, die Phase der elektrischen Maschine (203) mit einem ersten Pol der Bordnetzspannung (210) zu koppeln oder davon zu entkoppeln; - die Schalteinheit (310) zumindest einen zweiten Schalter (313, 314) umfasst, der eingerichtet ist, die Phase der elektrischen Maschine (203) mit einem zweiten Pol der Bordnetzspannung (210) zu koppeln oder davon zu entkoppeln;
- die ersten und zweiten Schalter (311, 312, 313, 314) eine Halbbrücke in Bezug auf die Bordnetzspannung (210) bilden; und
- die Phase der elektrischen Maschine (203) mit einem Mittelpunkt der Halbbrücke gekoppelt ist. 3) Schaltanordnung (400) gemäß Anspruch 2, wobei
- die Schaltanordnung (400) einen kapazitiven Spannungsteiler mit zumindest zwei seriellen Kondensatoren (231) umfasst; und
- der kapazitive Spannungsteiler zwischen dem ersten Pol und dem
zweiten Pol der Bordnetzspannung (210) angeordnet ist.
4) Schaltanordnung (400) gemäß Anspruch 3, wobei die Schalteinheit (310) umfasst,
- zumindest zwei serielle erste Schalter (311, 312), die eingerichtet sind, die Phase der elektrischen Maschine (203) mit dem ersten Pol der Bordnetzspannung (210) zu koppeln oder davon zu entkoppeln;
- einen ersten Neutral- Schalter (315), der eingerichtet ist, einen
Spannungsteilungspunkt zwischen den zwei Kondensatoren (231) des kapazitiven Spannungsteilers mit einem Mittelpunkt zwischen den zwei seriellen ersten Schaltern (311, 312) zu koppeln oder davon zu entkoppeln;
- zumindest zwei serielle zweite Schalter (313, 314), die eingerichtet sind, die Phase der elektrischen Maschine (203) mit dem zweiten Pol der Bordnetzspannung (210) zu koppeln oder davon zu entkoppeln;
- einen zweiten Neutral-Schalter (316), der eingerichtet ist, den
Spannungsteilungspunkt mit einem Mittelpunkt zwischen den zwei seriellen zweiten Schaltern (313, 313) zu koppeln oder davon zu entkoppeln. Schaltanordnung (400) gemäß Anspruch 4, wobei die Steuereinheit (201, 123) eingerichtet ist, im Wechselrichtermodus, die Schalteinheit (310) anzusteuern, um auf Basis der Bordnetzspannung (210) ein positives, ein negatives und ein neutrales Niveau für die Phasenspannung (211) zu generieren.
Schaltanordnung (400) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei die Steuereinheit (201, 123) eingerichtet ist, im Wandlermodus, die Schalteinheit (310) anzusteuern, um auf Basis der Ladespannung (240) sequentiell
- die Spule (241) über einen ersten der Kondensatoren (231) zu
magnetisieren;
- die Spule (241) über die Kondensatoren (231) des kapazitiven
Spannungsteilers zu entmagnetisieren;
- die Spule (241) über einen zweiten der Kondensatoren (241) zu
magnetisieren; und
- die Spule (241) über die Kondensatoren (231) des kapazitiven
Spannungsteilers zu entmagnetisieren.
Schaltanordnung (400) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei
- die Spule (241) einerseits mit dem Mittelpunkt zwischen den zwei seriellen ersten Schaltern (311, 312) und andererseits, insbesondere über einen Trenn-Schalter (301), mit einem ersten Pol der
Ladespannung (240) gekoppelt ist;
- der Mittelpunkt zwischen den zwei seriellen zweiten Schaltern (313, 313), insbesondere über einen Trenn-Schalter (301), mit einem zweiten Pol der Ladespannung (240) gekoppelt ist; und
- die Steuereinheit (201, 123) eingerichtet ist, im Wandlermodus, einen ersten Schalter (312) und einen zweiten Schalter (313) anzusteuern, um die Spule (241) und den zweiten Pol der Ladespannung (240) von dem Mittelpunkt der Halbbrücke zu entkoppeln. 8) Schaltanordnung (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (201, 123) eingerichtet ist, im Wandlermodus, die
Schalteinheit (310) anzusteuern, um auf Basis der Ladespannung (240) sequentiell
- die Spule (241) direkt oder indirekt zwischen einem ersten und einem zweiten Pol der Ladespannung (240) anzuordnen, um die Spule (241) zu magnetisieren; und
- die Spule (241) zwischen dem ersten Pol der Bordnetzspannung (210) und dem ersten Pol der Ladespannung (240) anzuordnen, um die Spule (241) zu entmagnetisieren.
9) Schaltanordnung (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die Schaltanordnung (400) L Schalteinheiten (310) für L Phasen der elektrischen Maschine (203) umfasst, mit L>1;
- die Schaltanordnung (400) L Spulen (241) und L Sätze von Trennschaltern (301) umfasst, die jeweils mit einer der L Schalteinheiten (310) und mit der Ladespannung (240) gekoppelt sind; und
- die Steuereinheit (201, 123) eingerichtet ist, im Wandlermodus, die L Schalteinheiten (310) derart zu betreiben, dass L parallele, insbesondere phasenverschobene, Gleichspannungswandler zwischen der Ladespannung (240) und der Bordnetzspannung (210) bereitgestellt werden.
10) Verfahren (500) zum Betrieb einer Schaltanordnung (400) in einem Fahrzeug (120), wobei die Schaltanordnung (400) umfasst,
- eine Schalteinheit (310) mit mehreren Schaltern (311, 312, 313, 314, 315, 316); wobei die Schalteinheit (310) eingerichtet ist, zumindest eine Phase einer elektrischen Maschine (203) des Fahrzeugs (120) in unterschiedlichen Konfigurationen mit einer DC-Bordnetzspannung (210) des Fahrzeugs (120) zu koppeln, um eine AC-Phasenspannung
(211) für die Phase der elektrischen Maschine (203) zu generieren; - eine Spule (241) und Trenn-Schalter (301); wobei die Trenn- Schalter (301) eingerichtet sind, die Schalteinheit (310) über die Spule (241) mit einer DC-Ladespannung (240) zu koppeln oder von der
Ladespannung (240) zu entkoppeln; und
wobei das Verfahren (500) umfasst,
- Ermitteln (501), ob die Schaltanordnung (400) in einem
Wandlermodus oder in einem Wechselrichtermodus betrieben werden soll;
- wenn die Schaltanordnung (400) in dem Wandlermodus betrieben werden soll,
- Veranlassen (502a) der Trenn-Schalter (301), die Schalteinheit (310) über die Spule (241) mit der Ladespannung (240) zu koppeln; und
- Betreiben (503a) der Schalteinheit (310) derart, dass über die Spule (241) elektrische Energie mit der Ladespannung (240) in elektrische Energie mit der Bordnetzspannung (210) gewandelt wird; und
- wenn die Schaltanordnung (400) in dem Wechselrichtermodus
betrieben werden soll,
- Veranlassen (502b) der Trenn-Schalter (301), die Schalteinheit
(310) von der Ladespannung (240) zu entkoppeln; und
- Betreiben (503b) der Schalteinheit (310) derart, dass auf Basis der Bordnetzspannung (210) die Phasenspannung (211) für die Phase der elektrischen Maschine (203) generiert wird.
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