WO2020074390A2 - Schnellladevorrichtung und elektrisches antriebssystem mit einer derartigen schnellladevorrichtung - Google Patents

Schnellladevorrichtung und elektrisches antriebssystem mit einer derartigen schnellladevorrichtung Download PDF

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WO2020074390A2
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Katja Stengert
Martin STÖCK
Roland BUOL
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Thyssenkrupp Ag
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Definitions

  • the invention relates to a device for charging a battery of a motor vehicle equipped with an electric drive motor and to an electric drive system with such a charging device.
  • Step-up converters also known under the terms “step-up converter”, “boost converter” or “step-up converter”, can be used to adapt the voltage level.
  • DE 10 2016 209 905 A1 shows a fast charging unit for an electric vehicle, the drive converter of the traction motor being used in conjunction with the
  • Motor coils serves as a step-up converter.
  • DE 10 2009 052 680 A1 shows a charging device for charging a battery, in which a drive converter serves as a step-up converter for charging the battery.
  • the on-board structure can be completed by connecting a step-down converter in front of the step-up converter to enable adaptation to almost any DC voltage provided by the infrastructure.
  • a disadvantage of these aforementioned solutions is that only one charging voltage can be used to charge the battery at a time. It is an object of the present invention to provide an improved quick-charging device, particularly one that is more adaptable to charge sources
  • the present invention provides a
  • the charging device is, in particular, a charging device for charging a battery of a motor vehicle designed with an electric drive motor, with an inductor, and a drive converter which, when the motor vehicle is in operation, the DC voltage of the battery for the electrical
  • a switching unit is additionally provided which is designed to connect a charge source to the battery directly or via the step-up converter
  • the charging device adapts to the properties of the charge source and enables the vehicle battery to be charged effectively without additional settings.
  • the charge source can provide a lower or the same high voltage compared to the vehicle battery, which can be achieved with the switching unit
  • the switching unit is preferably designed to identify a connected charge source. This can be done by the
  • Switching unit measures the voltage of the charge source in advance and / or certain data from the charge source, e.g. B. wired and / or wireless, reads out. Once the charge source has been identified, it becomes dependent on the charge source
  • Step-up converter or a step-down converter of the charging device connected is able to identify the connected charge source independently and without external control and with the
  • the switching unit can receive data, e.g. B. from the charge source that the Charge source identified and / or the switching unit controls the
  • the drive converter is designed as a 2-level inverter or as a 3-level inverter.
  • the 3-level inverter can in particular be designed as a neutral point clamped (NPC) or T-shape neutral point clamped (TNPC) inverter.
  • NPC neutral point clamped
  • TNPC T-shape neutral point clamped
  • the drive converter can be designed for three voltage phases and one for supplying each winding of the electric motor
  • one to three half bridges with corresponding inductances are used as step-up converters for controlling and charging the battery
  • step-up converters can be used individually or simultaneously, in particular with or without phase shift. The more step-up converters in particular are operated at the same time, the higher it is for
  • the inductance required for a step-up converter can be formed by at least one coil / wave winding of the electric motor.
  • a plurality of inductors are preferably provided, all more preferably as windings for exciting the drive motor in the form of coils or
  • Wave winding are formed.
  • the intermediate circuit capacitance of the drive converter is the intermediate circuit capacitance of the drive converter
  • An intermediate circuit capacitance optimized for driving operation can also be set up, which is decoupled in charging operation and replaced by one or more intermediate circuit capacitances optimized for charging operation, which are connected in charging operation. This allows the loading device z. B. be optimized for a charging operation.
  • Drive motor is formed, at least one fluid such.
  • the drive motor can be designed to supply the at least one fluid to additional locations or spaces within or on the engine in charging operation in order to improve the cooling effect.
  • the fluid is removed to such an extent that it is only present at those points which become very hot during driving and / or require lubrication during rotation. This can minimize drag losses in ferry operations.
  • the charging device in particular the step-up converter, preferably has at least one cooling system with two mutually independent circuits, a water circuit for the drive converter and an oil circuit for the inductance, in particular for a coil / shaft winding of the electric drive motor.
  • the water circuit can also be designed to cool the stator in addition to the drive converter via a cooling jacket.
  • the drive motor has a rotor which during the
  • Charging is cooled. It can be provided to cool the rotor from the inside and / or outside with a cooling fluid. It can be provided to make the rotor hollow and flow through it with a cooling fluid. It is also conceivable and possible to flood the interior of the entire drive motor with cooling fluid. Even in the case of cooling the rotor, it is conceivable and possible to use an oil circuit for cooling, preferably the same circuit as for the inductances of the motor.
  • the oil circuit is preferably designed such that the waste heat from the inductor and / or rotor can be released to a fluid or oil circuit of the drive motor and / or a transmission.
  • the circuit of the drive motor and / or gearbox serves to lubricate and cool moving or rotating components of the drive motor and / or gearbox. This can be, in particular, the bearing lubrication of the engine.
  • the goal of oil heating is to lower the oil viscosity and thus to improve the lubricating effect and the pump performance.
  • the cooling circuit gives its waste heat in the normal case, ie during the
  • the oil circuit of the cooling system of the charging device preferably forms at least part of the oil circuit of the drive motor and / or transmission or vice versa.
  • an intermediate circuit center of the drive converter is z. B. interconnect or connectable via a resistor with an input voltage of the charge source and / or the inductance by means of a compensating conductor.
  • a switching element can be designed to interrupt the compensating conductor for the ferry operation and to close it for the charging operation. Compensating currents can thus flow via the compensating conductor in order to maintain or stabilize the voltage of the intermediate circuit center and to ensure the predetermined function of the step-up converter.
  • the switching element can be, for. B. a contactor, relay or
  • the switching unit is preferably integrated in the housing of an electrical drive system.
  • the components of the switching unit with the are preferred
  • the switching unit and the drive converter are preferably arranged in a common housing.
  • the switching unit preferably has an upstream and / or downstream filter unit, with the aid of which the electromagnetic compatibility (EMC) can be improved.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • Such filters can advantageously be chokes and
  • the ring cores are e.g. B. made of ferrite, but particularly preferably made of amorphous or nanocrystalline materials. This enables sufficiently high inductances to be achieved even with small numbers of turns in the chokes.
  • the switching unit and / or the drive converter further preferably comprises a circuit for power adaptation in order to optimally connect the charge source to the
  • Boost converter in combination with the battery.
  • Resistors, capacitors and coils are also used here. It is even conceivable and possible to provide adjustable elements and controllable switches in order to optimize the power adjustment in each case.
  • a further filter unit can be provided between the step-up converter and the battery, which represents a corresponding power adjustment and / or a corresponding improvement in the EMC. It is conceivable and possible to provide only one or more or all of the filter units. It is also conceivable and possible to provide the circuit for power adjustment in the electrical drive system without an additional filter unit or with one or more of the filter units mentioned above.
  • the invention further relates to a motor vehicle, comprising a charging device as described above, as well as a battery and a charging connection, which is also referred to as a charging socket, the battery being exactly one
  • Power connector for connection to a power connector for the
  • Has drive converter and that exactly one connection is provided for connecting the charging socket to the switching unit, the connections for the drive converter and the connections for connecting to the charging socket being arranged on the housing.
  • the charging socket is in turn intended to make electrical contact with the charge source.
  • the present invention also provides an electric drive system with a charging device according to the invention.
  • the electric drive system is designed to drive one or more wheels.
  • it can be an electric drive axle for driving two wheels with the same axis of rotation or an electric drive unit for driving exactly one wheel.
  • the electric drive system preferably comprises the electric drive motor and the drive converter, which are integrated in a common housing. It can also include a transmission, which is also integrated in the common housing.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of the
  • Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of the
  • Figure 3 is a circuit diagram of a drive system of a third
  • Embodiment according to the invention with a 2-level inverter as the drive converter and with a
  • FIG. 4 shows a circuit diagram of the drive system according to FIG. 3 in a second charging mode
  • Figure 5 is a circuit diagram of a fourth drive system
  • Embodiment according to the invention with a 3-level inverter as drive converter according to a preferred embodiment in a second charging mode;
  • FIG. 6a to 6c show a circuit diagram for various embodiments of filter units; and FIG. 7 shows a structural design of an electric motor
  • FIG. 8 shows another embodiment of the invention analogous to
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a drive system 1 with a charging device according to the invention.
  • the drive system 1 has one
  • Electric motor 2 a drive converter 3 and a transmission 20, which are combined in a common housing 13.
  • a vehicle battery 7 is connected to the electrical drive unit 2 via a line between the battery connection 73, 74 and a first connection 131, 132 and feeds the drive converter 3 for driving the electric motor 2 in the travel mode.
  • the electric motor with the rotor 201 drives the wheel in the travel mode via a transmission 20 22. In the example only one wheel 22 is shown.
  • Drive system can also drive two or more wheels
  • the charging socket 6 is connected by cable to a switching unit 10, the switching unit being able to be connected to the battery 7 directly or with the interposition of a step-up converter 11 described below.
  • conductors between switching unit 10 and battery with battery connection 71, 72 and conductors between switching unit 10 and electrical drive system 1 with connection 133, 134 are formed.
  • Switching unit 10 and charging socket 6 are structurally independent
  • the switching unit 10 has three switches S1, S2, S3, one of which
  • connected charge source 8, 12 can be electrically connected to the drive system 1 or the battery 7.
  • switches S1 and S3 are closed, so that a connected charge source 12 is connected directly to the battery 7.
  • battery and charge source have a charge or target voltage of approximately 800V.
  • switches S2 and S3 are closed and connect the charging source 8 to the battery 7 indirectly via the drive system 1 equipped with a step-up function.
  • the charging source 8 and the battery have different charging or target voltages of 400V or 800V.
  • the charging voltage is increased to 800 V via a step-up converter 11 located in the drive system, the step-up converter comprising the drive motor 2 and the drive converter 3 with a capacity.
  • the electric motor has inductors LI, L2 and L3 in the form of coil and / or shaft windings, in the example with 3 phases.
  • the inductors LI, L2 and L3 are interconnected in a star connection; this means that the inductors have a common node / star point.
  • the phase outputs of the windings and the star point are connected to the inverter.
  • the charging current is conducted via the star point of the motor into the inductors LI, L2, L3 and raised via switching elements of the drive converter in connection with a capacitance and flows into the battery 7 via the connection 131, 132.
  • the drive converter 3 is activated in order to set the rotor 201 of the electric motor 2 in rotation. Via a gear 20
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the drive system 1 from FIG. 1 with comparable components in a second embodiment of the
  • the drive system is in travel mode and the switches S1, S2, S3 are opened accordingly.
  • the switches S1, S2, S3 are opened accordingly.
  • the switching unit 10 are the switching unit 10, the Drive converter 3 and the electric motor 2 arranged in a common housing 13 '.
  • the drive system 1 comprises two electrical contact connections 101, 102 for the electrical contacting of a charging socket 6 with the switching unit 10. Furthermore, the drive system 1 comprises two electrical contact connections 301, 302 for the electrical contacting of the battery 7 (connection 75, 76) with the
  • the structural integration of the switching unit 10 can further reduce the internal wiring outlay for heavy current and weak current (including sensor signals).
  • control / logic of the switching unit 10 can be integrated into the central control / logic of the electrical drive axis,
  • Figures 3 and 4 show a schematic representation of a circuit diagram of a drive system 1 in a third embodiment of the invention in a first and second charging mode, which is similar to the embodiment of Figure 2.
  • the drive system 1 is designed here as an electric drive axle with a housing 13 ′′ for driving wheels 22. As in the previous explanations, it contains an integrated switching unit 10, a motor 2 with windings connected to a star point, which the inductors LI, L2, L3 of the step-up converter form, and a drive converter 3, which is designed as a 2-level inverter.
  • the 2-level inverter comprises a positive and a negative busbar, which are connected by half bridges 4a, 4b, 4c.
  • the half bridges 4a, 4b, 4c each comprise two transistors Tla, T2a, Tlb, T2b, Tic, T2c and for each transistor a corresponding freewheeling diode Dia, D2a, Dlb, D2b Die, D2c.
  • An intermediate circuit capacitor CI is also provided.
  • transistors Various circuit breakers, for example thyristors or in particular IGBTs, can be used.
  • the electric drive system is illustrated in a first charging mode.
  • An 800 V DC voltage source 12 is connected to the electric drive system 1 via a charging socket 6. Since the vehicle battery 7 uses a voltage of 800 V, the switches of the switching unit 10 are switched in such a way that the voltage source 12 is located directly on the poles of the vehicle battery 7 via the switches S1 and S3. This means in particular that the first switch S1 and the third switch S3 are closed and the second switch S2 is open. Accordingly, the battery is charged directly from the DC voltage source 12. In particular, the charging current does not flow through the motor windings, so that the charging resistance is low.
  • Corresponding charge control mechanisms can be provided in the switching unit 10 in order to control the charging of the battery.
  • a filter Fa is shown in the example, which is arranged between the charging connection 6 and the switching unit 10, which filters out interference signals and improves the EMC.
  • a second filter Fb is arranged between the switching unit 10 and the step-up converter 11. This filter adjusts the filtering accordingly to the electrical properties of the step-up converter in order to filter out interference signals. Whether one or both filters are actually installed in real use must be decided according to the requirements.
  • the filter units can be designed in one or more stages and can be designed in such a way that legal regulations relating to emissions and immunity can be achieved.
  • FIGS. 6a, 6b and 6c Examples for the formation of such filters are shown in FIGS. 6a, 6b and 6c.
  • FIG. 4 shows the arrangement according to FIG. 3 in a second charging mode.
  • the desired step-up function is generated by appropriate activation of the transistors Tla to T2c.
  • a step-up converter in the narrower sense is formed, for example, by the periodically switched transistor T2a in conjunction with the freewheeling diodes Dia and D2a in the half bridge 4a, inductance LI and the capacitance CI.
  • the transistor Tla remains blocked for the boost position.
  • the other half bridges 4b, 4c correspondingly form further step-up converters with the inductors L2, L3.
  • Step-up converters can be operated individually or together (e.g. by operating only two of the three step-up converters), out of phase or in phase (e.g. by switching cycles of the step-up converters shifted in time). Together they form the step-up converter 11.
  • an additional adaptation element Fc can be provided, as is illustrated in FIG. 8.
  • inductors and / or capacitors and / or electrical resistors are provided in this adapter, which ensure appropriate electronic optimizations. So that's one
  • Performance adjustment can be represented, as is explained above. Furthermore, a filter element Fd is shown in FIG. 8 that an adaptation of the output of the
  • Boost converter 11 or an adaptation of the charging connection 301, 302 to the battery 7.
  • FIG. 5 shows a circuit diagram of an electric drive system 1, which is designed similarly to the embodiment of FIGS. 3, 4. Accordingly, components with comparable functions are given the same reference numerals.
  • the drive converter 3 in FIG. 5 is designed as three 3-level inverter.
  • the 3-level inverter is designed here as an NPC converter (neutral-point-clamped) familiar to the person skilled in the art. In principle, other types of 3-level converters could also be used.
  • the 3-level inverter comprises a positive and a negative busbar, which are 3 connected by half bridges 41a, 41b, 41c.
  • the half bridges 41a, 41b, 41c are 3 connected by half bridges 41a, 41b, 41c.
  • the half bridges 41a, 41a, 41b, 41c are 3 connected by half bridges 41a, 41b, 41c.
  • 41b, 41c each comprise four transistors Tla to T4c connected in series with corresponding freewheeling diodes Dia to D4c. They continue to point
  • DC link center point 5 lies between the two DC link capacitances CI and C2, which are arranged parallel to the three half bridges 4a, 4b and 4c.
  • the intermediate circuit center must be connected to the compensating conductor 9 with the
  • a switch S4 can be provided, which is the compensating conductor for the
  • a resistor RI in particular a PTC resistor (positive temperature
  • FIGS. 6a-c show exemplary filter structures for the filters Fa, Fb and Fd.
  • FIG. 6a shows a filter F1 with an LC-LC element.
  • Figure 6b shows one
  • Filter unit F2 with R and C elements connected in parallel. 6c shows a filter unit F3, in particular a preferred embodiment of the filter unit Fa. This has two times two ring cores (denoted by L). To a
  • busbar pairs are simply carried out through the ring cores.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a cooling system which is used for cooling a charging device according to the invention. Shown is a longitudinal section through an electric motor 50 with a connected oil circuit 40 (in particular for cooling / lubricating the electric motor and a transmission 20) and a connected water circuit 42 (in particular for cooling the electric motor 50 and a drive converter 26).
  • the electric motor 50 can be used as part of a drive system according to the present invention (e.g. according to FIG. 1).
  • the motor 50 has a rotor 30, the shaft of which is rotatably supported by means of bearing devices 32. These bearing devices 32 are lubricated by the oil circuit 40.
  • the rotor is designed as a hollow shaft and is connected to the oil circuit 40 for cooling.
  • the windings 36 are for
  • Magnetic field generation available and housed in a motor housing 34.
  • a stator jacket 28 is arranged on the motor housing 34, which is supplied with water by the water circuit 42 and thereby cools the motor 50.
  • the oil circuit 40 has a pump 48 and a heat exchanger 38 connected to the water circuit 42, which can be deactivated if necessary.
  • the oil circuit is e.g. B. one within one
  • the water circuit 42 located in the drive unit.
  • the water circuit 42 has its own pump 24 and in addition a radiator / heat exchanger 44 in order to
  • the water circuit 42 serves to cool the drive converter 26 (also described as a drive converter 3 from FIG. 1) and the stator jacket 28.
  • the water circuit can be a
  • Drive unit / drive system is located.
  • the heat generated in the rotor is dissipated by the flow of oil or other fluids through the hollow rotor shaft, so that the
  • Charging power can be increased. Furthermore, the motor interior is flooded, so that oil penetrates the air gap between the rotor and stator, and that
  • Rotor core is additionally cooled from the outside.
  • the flooding also effectively cools the stator winding.
  • the oil circulates during the charging process.
  • the water flow to the stator jacket 28 can occur during charging
  • a water flow to the heat exchanger 38 which in this example is connected in series to the water flow through the stator jacket 28, can also be analog
  • the vehicle or its drive system can be prepared for the ferry operation by an advantageous oil temperature.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie (7) eines mit einem elektrischen Antriebsmotor (2) ausgebildetem Kraftfahrzeugs, mit einer Induktivität, und einem Antriebsumrichter (3), der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie (7) für den elektrischen Antriebsmotor (2) wandelt, wobei die Induktivität zusammen mit dem Antriebsumrichter (3) für einen Ladebetrieb der Batterie (7) als Hochsetzsteller dient. Mit dem Ziel, eine verbesserte und insbesondere anpassungsfähigere Ladevorrichtung bereitzustellen, ist eine Schalteinheit (10) in der Ladevorrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, eine Ladungsquelle (8, 12) direkt oder über den Hochsetzsteller mit der Batterie (7) zu verschalten.

Description

Schnellladevorrichtung und elektrisches Antriebssystem mit einer derartigen Schnellladevorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines mit einem elektrischen Antriebsmotor ausgestatteten Kraftfahrzeugs sowie ein elektrisches Antriebssystem mit einer derartigen Ladevorrichtung.
Zum Laden von Elektrofahrzeugen kommen unterschiedliche Ladekonzepte zum Einsatz. Das Laden mit Wechselstrom über die Haussteckdose ist nahezu überall verfügbar, weist jedoch nur geringe Ladeleistungen von meist unter 5 kW auf. Demgegenüber sind beim Schneiladen an Gleichstromquellen (DC-Laden), etwa über spezielle Ladesäulen, sehr viel höhere Leistungen möglich (50 kW und darüber). Dies erfordert jedoch eine Anpassung der Spannung, wenn das verfügbare Spannungslevel der Ladesäule, typischerweise 400 V DC, geringer ist als das Spannungslevel der Fahrzeugbatterie, von beispielsweise 800V DC.
Zur Anpassung des Spannungslevels können Hochsetzsteller, auch unter den Begriffen„Aufwärtswandler",„Boost-Converter" oder„Step-Up-Converter" bekannt, verwendet werden.
DE 10 2016 209 905 Al zeigt eine Schnellladeeinheit für ein Elektrofahrzeug, wobei der Antriebsumrichter des Traktionsmotors in Verbindung mit den
Motorspulen als Hochsetzsteller dient.
DE 10 2009 052 680 Al zeigt die eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie, bei der ein Antriebsumrichter als Hochsetzsteller zum Aufladen der Batterie dient. Zur Anpassung an eine gewünschte Ladespannung kann die an board vorhandene Struktur durch das Vorschalten eines Tiefsetzstellers vor dem Hochsetzsteller vervollständigt werden, um eine Anpassung an eine nahezu beliebige jeweils durch die Infrastruktur bereitgestellte DC-Spannung zu ermöglichen.
Ein Nachteil dieser vorgenannten Lösungen besteht darin, dass jeweils nur eine Ladespannung zum Aufladen der Batterie verwendet werden kann. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte, insbesondere an Ladungsquellen anpassungsfähigere, Schnellladevorrichtung für ein
Elektrofahrzeug anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung eine
Ladevorrichtung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Bei der Ladevorrichtung handelt es sich insbesondere um eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines mit einem elektrischen Antriebsmotor ausgebildetem Kraftfahrzeugs, mit einer Induktivität, und einem Antriebsumrichter, der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie für den elektrischen
Antriebsmotor wandelt, wobei die Induktivität zusammen mit dem
Antriebsumrichter für einen Ladebetrieb der Batterie als Hochsetzsteller dient. Dabei ist zusätzlich eine Schalteinheit vorgesehen, die ausgebildet ist, eine Ladungsquelle direkt oder über den Hochsetzsteller mit der Batterie zu
verschalten.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dargestellt. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Ladevorrichtung ohne
Weiteres an die Ladungsquelle angeschlossen werden kann. Dabei passt sich die Ladevorrichtung an die Eigenschaften der Ladungsquelle an und ermöglicht, ohne zusätzliche Einstellungen, ein effektives Aufladen der Fahrzeugbatterie. So kann die Ladungsquelle eine gegenüber der Fahrzeugbatterie geringere oder gleiche hohe Spannung bereitstellen, die mittels der Schalteinheit derart mit der
Ladevorrichtung und schlussendlich mit der Fahrzeugbatterie verschaltet wird, dass die Fahrzeugbatterie aufgeladen werden kann.
Vorzugsweise ist die Schalteinheit derart ausgebildet, eine angeschlossene Ladungsquelle zu identifizieren. Dies kann dadurch erfolgen, dass die
Schalteinheit vorab die Spannung der Ladungsquelle misst und/oder bestimmten Daten von der Ladungsquelle, z. B. kabelgebunden und/oder drahtlos, herausliest. Sobald die Ladungsquelle identifiziert wurde, wird abhängig von der
Identifizierung die Ladungsquelle mit der Batterie z. B. direkt, über den
Hochsetzsteller oder einen Tiefsetzsteller der Ladungsvorrichtung verschaltet. Dadurch ist die Ladevorrichtung in der Lage, die angeschlossene Ladungsquelle selbstständig und ohne Fremdsteuerung zu identifizieren und mit der
Fahrzeugbatterie zu verschalten/verbinden. Alternativ oder zusätzlich kann die Schalteinheit Daten empfangen, z. B. von der Ladungsquelle, die die Ladungsquelle identifiziert und/oder die Schalteinheit steuert, um die
Ladungsquelle mit der Fahrzeugbatterie entsprechend zu verschalten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Antriebsumrichter als 2- Level-Wechselrichter oder als 3-Level-Wechselrichter ausgebildet. Der 3-Level- Wechselrichter kann insbesondere als Neutral Point Clamped (NPC) oder T-shape Neutral Point Clamped (TNPC) Wechselrichter ausgeführt sein.
Des Weiteren kann der Antriebsumrichter für drei Spannungsphasen ausgelegt sein und zur Versorgung jeder Wicklung des Elektromotors jeweils eine
Halbbrücke aufweisen.
Vorzugsweise sind zum Laden der Batterie ein bis drei Halbbrücken mit entsprechenden Induktivitäten jeweils als Hochsetzsteller Steuer- und
verwendbar. Die Hochsetzsteller können einzeln oder gleichzeitig, insbesondere mit oder ohne Phasenversatz verwendet werden. Je mehr Hochsetzsteller insbesondere gleichzeitig betrieben werden, desto höher ist die für die
Fahrzeugbatterie zur Verfügung stehende Ladeleistung.
Um die Anzahl der Bauelemente und somit die Kosten für die Ladevorrichtung zu sparen, kann die für einen Hochsetzsteller notwendige Induktivität durch mindestens eine Spulen-/Wellenwicklung des Elektromotors gebildet sein.
Bevorzugt sind mehrere Induktivitäten vorgesehen, die mehr bevorzugt alle als Wicklungen zur Erregung des Antriebsmotors in Form von Spulen- oder
Wellenwicklung ausgebildet sind.
Vorzugsweise kann die Zwischenkreiskapazität des Antriebsumrichters
veränderlich ausgebildet sein. Dies kann zum Beispiel durch ein oder mehrere zusätzliche parallel und/oder seriell schaltbare Kapazitäten erfolgen. Diese können Schalter zur An- und Abkopplung im Ladebetrieb aufweisen. Auch kann eine für den Fahrtbetrieb optimierte Zwischenkreiskapazität eingerichtet sein, welche im Ladebetrieb abgekoppelt und durch eine oder mehrere für den Ladebetrieb optimierte Zwischenkreiskapazitäten ersetzt wird, die im Ladebetrieb hinzugeschalten werden. Dadurch kann die Ladevorrichtung z. B. auf einen Ladebetrieb optimiert werden.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der elektrische
Antriebsmotor ausgebildet ist, mindestens ein Fluid wie z. B. Öl und/oder Wasser zur Kühlung zu verwenden und insbesondere an die mindestens eine Spulen- /Wellenwicklung zuzuführen. Dies kann durch Pumpen und/oder durch
entsprechend ausgebildete Zu-/Abflussstrukturen, die z. B. schwerkraftgetrieben funktionieren, ermöglicht werden. Zusätzlich kann der Antriebsmotor ausgebildet sein, im Ladebetrieb das mindestens eine Fluid an zusätzlich Stellen bzw. Räume innerhalb bzw. am Motor zuzuführen, um die Kühlwirkung zu verbessern. Sobald der Motor in den Fahrtbetrieb gesetzt wird, kann es vorgesehen sein, das Fluid soweit zu entfernen, dass es nur noch an den Stellen vorliegt, die sich während des Fahrtbetriebes stark erhitzen und/oder Schmierung während der Rotation brauchen. Dadurch können Schleppverluste im Fährbetrieb minimiert werden. Insofern besteht die Möglichkeit, z. B. Öl nicht nur im gegenüber dem Stator abgedichteten Wickelkopfraum zu führen, sondern auch im Statorinnenraum des Elektromotors, insbesondere in dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor.
Vorzugsweise weist die Ladevorrichtung, insbesondere der Hochsetzsteller, mindestens ein Kühlsystem mit zwei voneinander unabhängigen Kreisläufen auf, einen Wasserkreislauf für den Antriebsumrichter und einen Ölkreislauf für die Induktivität, insbesondere für eine Spulen-/Wellenwicklung des elektrischen Antriebsmotors. Der Wasserkreislauf kann auch derart ausgebildet sein, neben dem Antriebsumrichter auch den Stator über einen Kühlmantel zu kühlen.
Vorzugsweise weist der Antriebsmotor einen Rotor auf, der während des
Ladevorgangs gekühlt wird. Dabei kann es vorgesehen sein, den Rotor von innen und/oder aussen mit einem Kühlfluid zu kühlen. Dabei kann es vorgesehen sein, den Rotor hohl auszubilden und mit einem Kühlfluid zu durchströmen. Weiter ist es denkbar und möglich, den Innenraum des gesamten Antriebsmotors mit Kühlfluid zu fluten. Auch im Falle der Kühlung des Rotors ist es denkbar und möglich, einen Ölkreislauf für die Kühlung zu verwenden, bevorzugt denselben Kreislauf, wie für die Induktivitäten des Motors.
Des Weiteren ist der Ölkreislauf vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Abwärme der Induktivität und/oder Rotors an einen Fluid- bzw. Ölkreislauf des Antriebsmotors und/oder eines Getriebes abgegeben werden kann. Hierbei dient der Kreislauf des Antriebsmotors und/oder Getriebes zum Schmieren und Kühlen von beweglichen bzw. rotierenden Bauteilen des Antriebsmotors und/oder Getriebes. Hierbei kann es sich insbesondere um die Lagerschmierung des Motors handeln. Ziel der Ölerwärmung ist die Senkung der Öl-Viskosität und somit die Verbesserung der Schmierwirkung und die Senkung der Pumpleistung. Der Kühlkreislauf gibt hierbei seine Abwärme im Normalfall, d.h. während des
Fährbetriebs, über einen Wärmetauscher an den Wasserkreislauf ab. Die
Ladevorrichtung kann somit zusätzlich ausgebildet sein, diese
Wärmetauscherfunktion gezielt zu unterbinden, damit das Öl schneller seine Zieltemperatur und/oder Viskosität erreicht, und den Wärmetauscher erst dann wieder einzukoppeln.
Vorzugsweise bildet der Ölkreislauf des Kühlsystems der Ladevorrichtung mindestens ein Teil des Ölkreislaufes des Antriebsmotors und/oder Getriebes oder umgekehrt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Zwischenkreismittelpunkt des Antriebsumrichters z. B. über einen Widerstand mit einer Eingangsspannung der Ladungsquelle und/oder der Induktivität mittels eines Ausgleichsleiters verschalten oder zuschaltbar. Hierbei kann ein Schaltelement ausgebildet sein, den Ausgleichsleiter für den Fährbetrieb zu unterbrechen und für den Ladebetrieb zu schließen. Somit können Ausgleichsströme über den Ausgleichsleiter fließen, um die Spannung des Zwischenkreismittelpunkts zu halten bzw. zu stabilisieren und die vorbestimmte Funktion des Hochsetzstellers zu gewährleisten. Bei dem Schaltelement kann es sich z. B. um ein Schütz, Relais oder auch
Halbleiterschalter handeln.
Die Schalteinheit ist bevorzugt in das Gehäuse eines elektrischen Antriebssystems integriert. Bevorzugt sind dabei die Bestandteile der Schalteinheit mit den
Bestandteilen des Antriebssystems, insbesondere der Antriebsumrichter, integriert. Dabei werden gemeinsame Bauteile, wie z. B. Stromschienen und z. B. Kühleinrichtungen, nur einmal ausgebildet. Dadurch kann der interne
Schaltungsaufwand und auch die Teileanzahl reduziert werden. Die Integration der Schalteinheit bietet weiterhin den Vorteil, dass auch der externe
Schaltungsaufwand reduziert werden kann.
Entsprechend ist bevorzugt die Schalteinheit und der Antriebsumrichter bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Die Schalteinheit weist vorzugsweise eine vorgelagerte und/oder nachgelagerte Filtereinheit auf, mit deren Hilfe die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) verbessert werden kann. Derartige Filter können mit Vorteil Drosseln und
Kondensatoren aufweisen. Drosseln mit Windungszahl 1 sind dabei zu
bevorzugen, da dadurch ein aufwendiges Biegen/Umwickeln von Ringkernen entfällt. Die Ringkerne sind z. B. aus Ferrit, besonders bevorzugt jedoch aus amorphen oder nanokristallinen Materialien gefertigt. Dadurch lassen sich ausreichend hohe Induktivitäten auch bei geringen Windungszahlen der Drosseln erreichen.
Weiter bevorzugt umfasst die Schalteinheit und/oder der Antriebsumrichter eine Schaltung zur Leistungsanpassung, um die Ladungsquelle optimal an den
Hochsetzsteller in Kombination mit der Batterie anzupassen. Hier kommen ebenfalls Widerstände, Kondensatoren und Spulen zum Einsatz. Dabei ist es sogar denkbar und möglich einstellbare Elemente und steuerbare Schalter vorzusehen, um die Leistungsanpassung jeweils zu optimieren.
Zwischen Hochsetzsteller und Batterie kann eine weitere Filtereinheit vorgesehen sein, die eine entsprechende Leistungsanpassung und/oder eine entsprechende Verbesserung der EMV darstellt. Dabei ist es denkbar und möglich nur eine oder mehrere oder alle der Filtereinheiten vorzusehen. Es ist auch denkbar und möglich die Schaltung zur Leistungsanpassung ohne zusätzliche Filtereinheit oder mit ein oder mehreren der oben genannten Filtereinheiten in dem elektrischen Antriebssystem vorzusehen.
Weiter betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Ladevorrichtung wie sie oben beschrieben wurde, sowie eine Batterie, sowie einen Ladeanschluss, der auch als Ladedose bezeichnet wird, wobei die Batterie genau einen
Stromanschluss zur Verbindung mit einem Stromanschluss für den
Antriebsumrichter aufweist, und dass genau ein Anschluss zur Verbindung der Ladedose mit der Schalteinheit vorgesehen ist, wobei die Anschlüsse für den Antriebsumrichter und die Anschlüsse zur Verbindung mit der Ladedose an dem Gehäuse angeordnet sind. Die Ladedose ist ihrerseits vorgesehen zur Herstellung der elektrischen Kontaktierung mit der Ladungsquelle.
Auf diese Weise ist eine einfach austauschbare Antriebseinheit oder auch
Antriebssystem dargestellt, die mit wenigen elektrischen Verbindungen, beispielsweise Steckkontakten, auskommt. Intern im Gehäuse sind nur kurze Leitungswege ausgebildet, die die Störempfindlichkeit des Systems verringern.
Die hier vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung bereit. Das elektrische Antriebssystem ist zum Antrieb eines oder mehrerer Räder ausgebildet. Es kann sich insbesondere um eine elektrische Antriebsachse zum Antrieb zweier drehachsgleicher Räder oder um eine elektrische Antriebseinheit zum Antrieb genau eines Rades handeln. Das elektrische Antriebssystem umfasst bevorzugt den elektrischen Antriebsmotor und den Antriebsumrichter, die in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind. Es kann auch ein Getriebe umfassen, welches ebenfalls in das gemeinsame Gehäuse integriert ist.
Die nachfolgend beschriebenen Figuren beziehen sich auf bevorzugte
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung, wobei diese Figuren nicht der Einschränkung, sondern im Wesentlichen der Veranschaulichung der Erfindung dienen.
Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der
Erfindung;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung;
Figur 3 einen Schaltungsplan eines Antriebssystems einer dritten
erfindungsgemässen Ausführungsform mit einem 2-Level- Wechselrichter als Antriebsumrichter und mit einer
erfindungsgemäßen Ladevorrichtung in einem ersten Lademodus;
Figur 4 einen Schaltungsplan des Antriebssystems gemäß Figur 3 in einem zweiten Lademodus;
Figur 5 einen Schaltungsplan eines Antriebssystems einer vierten
erfindungsgemässen Ausführungsform mit einem 3-Level- Wechselrichter als Antriebsumrichter gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem zweiten Lademodus;
Figur 6a bis 6c einen Schaltungsplan für verschiedene Ausführungsformen von Filtereinheiten; und Figur 7 einen strukturellen Aufbau eines Elektromotors mit
angeschlossenen Kühlkreisläufen.
Figur 8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung analog zur
Ausbildung in Figur 3 und 4.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebssystems 1 mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung. Das Antriebssystem 1 weist einen
Elektromotor 2, einen Antriebsumrichter 3 sowie ein Getriebe 20 auf, die in einem gemeinsamen Gehäuse 13 zusammengefasst sind.
Eine Fahrzeugbatterie 7 ist über eine Leitung zwischen Batterieanschluss 73,74 und einem ersten Anschluss 131,132 mit der elektrischen Antriebseinheit 2 verbunden und speist im Fahrtmodus den Antriebsumrichter 3 zum Antrieb des Elektromotors 2. Der Elektromotor mit Rotor 201 treibt im Fahrtmodus über ein Getriebe 20 das Rad 22. Im Beispiel ist nur ein Rad 22 dargestellt. Das
Antriebssystem kann auch für den Antrieb zweier oder mehrerer Räder
ausgebildet sein.
Eine Ladedose 6, die auch als Ladeanschluss bezeichnet werden kann, kann mit einem Plus- und Minuspol einer Gleichstrom-Ladungsquelle 8, 12 verbunden werden. Die Ladedose 6 ist über Kabel mit einer Schalteinheit 10 verbunden, wobei die Schalteinheit unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines weiter unten ausgeführten Hochsetzstellers 11 mit der Batterie 7 verbindbar ist. Hierzu sind Leiter zwischen Schalteinheit 10 und Batterie mit Batterieanschluss 71,72 sowie Leiter zwischen Schalteinheit 10 und elektrischem Antriebssystem 1 mit Anschluss 133, 134 ausgebildet.
Schalteinheit 10 und Ladedose 6 sind dabei als baulich eigenständige
Komponenten ausgeführt, die physisch nicht in das elektrische Antriebssystem integriert sind.
Die Schalteinheit 10 weist drei Schalter Sl, S2, S3 auf, welche eine
angeschlossene Ladungsquelle 8,12 mit dem Antriebssystem 1 oder der Batterie 7 elektrisch verbinden können.
In einem ersten Lademodus sind Schalter Sl und S3 geschlossen, so dass eine angeschlossene Ladungsquelle 12 direkt mit der Batterie 7 verbunden ist. Batterie und Ladungsquelle weisen hierbei eine Lade- bzw. Zielspannung von ca. 800V auf.
In einem zweiten Lademodus sind Schalter S2 und S3 geschlossen und verbinden die Ladungsquelle 8 mittelbar über das mit Hochsetzstellfunktion ausgestattete Antriebssystem 1 mit der Batterie 7. Ladungsquelle 8 und Batterie weisen unterschiedliche Lade- bzw. Zielspannungen von 400V bzw. 800V auf.
Die Ladespannung wird über einen im Antriebssystem befindlichen Hochsetzsteller 11 auf 800V hochgesetzt, wobei der Hochsetzsteller den Antriebsmotor 2 und den Antriebsumrichter 3 mit einer Kapazität umfasst.
Der Elektromotor weist Induktivitäten LI, L2 und L3 in Form von Spulen- und/oder Wellenwicklungen, im Beispiel mit 3 Phasen, auf. Die Induktivitäten LI, L2 und L3 sind in einer Sternschaltung miteinander verschaltet; das heisst, dass die Induktivitäten einen gemeinsamen Knoten-/Sternpunkt haben.
Die Phasenabgänge der Wicklungen und der Sternpunkt sind mit dem Inverter verschaltet. Zur Hochsetzstellung wird der Ladestrom über den Sternpunkt des Motors in die Induktivitäten LI, L2, L3 geführt und über Schaltelemente des Antriebsumrichters in Verbindung mit einer Kapazität hochgestellt und fließt über den Anschluss 131, 132 in die Batterie 7.
Für eine konkrete Umsetzungsmöglichkeit eines derartigen Hochsetzstellers wird auf die Erklärungen in den weiter unten stehenden Ausführungsbeispielen verwiesen.
Gemäß Figur 1 sind alle Schalter Sl, S2, S3 der Schalteinheit 10 geöffnet und das Antriebssystem 1 für den Fahrtmodus bereit.
Im Fahrtmodus wird der Antriebsumrichter 3 angesteuert, um den Rotor 201 des Elektromotors 2 in Rotation zu versetzen. Über ein Getriebe 20 wird ein
Antriebsrad 22 eines Kraftfahrzeugs angetrieben.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des Antriebssystems 1 aus Figur 1 mit vergleichbaren Bauelementen in einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung. In diesem Fall befindet sich das Antriebssystem im Fahrtmodus und die Schalter Sl, S2, S3 sind entsprechend geöffnet. Im Unterschied zur
Ausführung entsprechend der Figur 1 sind die Schalteinheit 10, der Antriebsumrichter 3 und der Elektromotor 2 in einem gemeinsamen Gehäuse 13' angeordnet.
Das Antriebssystem 1 umfasst zwei elektrische Kontaktverbindungen 101, 102 zur elektrischen Kontaktierung einer Ladedose 6 mit der Schalteinheit 10. Weiter umfasst das Antriebssystem 1 zwei elektrische Kontaktverbindungen 301, 302 zur elektrischen Kontaktierung der Batterie 7 (Anschluss 75,76) mit dem
Antriebsumrichter 3, sowie die Schalteinheit und den Antriebsumrichter.
Der externe Verschaltungsaufwand V zum Anschluss der Batterie 7, des
Antriebssystems 1 und den übrigen elektrischen Gliedern reduziert sich
gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 auf nurmehr einen Kabelstrang. Durch die bauliche Integration der Schalteinheit 10 können weiterhin interne Verschaltungsaufwände für Starkstrom und Schwachstrom (u.a. Sensorsignale) verringert werden.
Weiterhin kann die Ansteuerung/Logik der Verschalteinheit 10 in die zentrale Ansteuerung/Logik der elektrischen Antriebsachse integriert werden,
beispielsweise auf derselben Platine, so dass baulich separate Steuereinheiten entfallen können.
Figuren 3 und 4 zeigen eine schematische Darstellung eines Schaltungsplans eines Antriebssystem 1 in einer dritten Ausführungsform der Erfindung in einem ersten bzw. zweiten Lademodus, die ähnlich zur Ausführungsform der Figur 2 ausgebildet ist.
Das Antriebssystem 1 ist hier als elektrische Antriebsachse mit einem Gehäuse 13" zum Antrieb von Rädern 22 ausgebildet. Es enthält analog vorhergehender Ausführungen eine integrierte Schalteinheit 10, einen Motor 2 mit zu einem Sternpunkt verschalteten Wicklungen, die die Induktivitäten LI, L2, L3 des Hochsetzstellers bilden, und einen Antriebsumrichter 3, der als 2-Level- Wechselrichter ausgebildet ist.
Der 2-Level-Wechselrichter umfasst eine positive und eine negative Stromschiene, die durch Halbbrücken 4a, 4b, 4c verbunden sind. Die Halbbrücken 4a, 4b, 4c umfassen jeweils zwei Transistoren Tla, T2a, Tlb, T2b, Tic, T2c und zu jedem Transistor eine entsprechende Freilaufdiode Dia, D2a, Dlb, D2b Die, D2c.
Weiters ist ein Zwischenkreiskondensator CI vorgesehen. Als Transistoren können dabei verschiedene Leistungsschalter, beispielsweise Thyristoren oder insbesondere IGBTs eingesetzt werden.
Gemäß Figur 3 ist das elektrische Antriebssystem in einem ersten Lademodus veranschaulicht. Über einen Ladedose 6 ist eine 800 V Gleichspannungsquelle 12 mit dem elektrischen Antriebssystem 1 verbunden. Da die Fahrzeugbatterie 7 eine Spannung von 800 V verwendet, sind die Schalter der Schalteinheit 10 derart geschaltet, dass die Spannungsquelle 12 über die Schalter S1 und S3 direkt an den Polen der Fahrzeugbatterie 7 liegen. Das heißt insbesondere, dass der erste Schalter S1 und der dritte Schalter S3 geschlossen sind und der zweite Schalter S2 offen ist. Entsprechend erfolgt die Aufladung der Batterie direkt von der Gleichspannungsquelle 12. Insbesondere fließt der Ladestrom nicht durch die Motorwicklungen, so dass der Ladewiderstand gering ausfällt.
In der Schalteinheit 10 können entsprechende Ladekontrollmechanismen vorgesehen sein, um das Aufladen der Batterie zu steuern.
Weiter ist im Beispiel ein Filter Fa dargestellt, der zwischen dem Ladeanschluss 6 und der Schalteinheit 10 angeordnet ist, der Störsignale ausfiltert und die EMV verbessert. Ein zweiter Filter Fb ist zwischen der Schalteinheit 10 und dem Hochsetzsteller 11 angeordnet ist. Dieser Filter passt entsprechend die Filterung an die elektrischen Eigenschaften des Hochsetzstellers an, um Störsignale auszufiltern. Ob im realen Einsatz einer oder beide Filter tatsächlich eingebaut werden, ist jeweils nach den Anforderungen zu entscheiden.
Die Filtereinheiten können ein- oder mehrstufig ausgebildet sein und können derart ausgestaltet sein, dass gesetzliche Vorschriften in Bezug auf Emission und Immunität erreichet werden können.
Beispiele für die Ausbildung derartiger Filter sind in den Figuren 6a, 6b und 6c dargestellt.
Figur 4 zeigt die Anordnung gemäss Figur 3 in einem zweiten Lademodus.
In diesem Fall wird eine Gleichspannungsquelle 8 mit einer niedrigeren
Ladespannung, im Beispiel 400V, an das Antriebssystem 1 angeschlossen. Damit die Transformation der niedrigeren Ladespannung auf die für die Ladung der Batterie 7 erforderlichen Ladespannung, im Beispiel 800V, ermöglicht wird, wird der Ladestrom über den geschlossenen Schalter S2 in den als Hochsetzsteller 11, der aus den Wicklungen LI, L2, L3 und den Halbbrücken, sowie dem Kondensator CI des Antriebsumrichter 3 gebildet ist, geleitet. Dazu muss der Schalter S1 geöffnet sein und der Schalter S3 geschlossen sein.
Durch eine entsprechende Ansteuerung der Transistoren Tla bis T2c wird die gewünschte Hochsetzfunktion erzeugt.
Einen Hochsetzsteller im engeren Sinn bilden beispielsweise der periodisch geschaltete Transistor T2a in Verbindung mit den Freilaufdioden Dia und D2a in der Halbbrücke 4a, Induktivität LI und der Kapazität CI. Der Transistor Tla bleibt für die Hochsetzstellung gesperrt. Entsprechend bilden die anderen Halbbrücken 4b, 4c mit den Induktivitäten L2, L3 weitere Hochsetzsteller aus. Die
Hochsetzsteller können einzeln oder gemeinsam (z. B. durch Betrieb von nur zwei der drei Hochsetzsteller), phasenversetzt oder phasengleich (z. B. durch zeitlich verschobene Schaltzyklen der Hochsetzsteller) betrieben werden. Sie bilden gemeinsam den Hochsetzsteller 11 aus.
Zur Optimierung der elektronischen Anpassung der elektrischen Ansteuerung in dem Antriebsumrichter 3, der einmal im Fahrtbetrieb den Elektromotor treiben soll und im Ladebetrieb an der Hochsetzstellung mitwirken soll, zu verbessern, kann ein zusätzliches Anpassungsglied Fc vorgesehen sein, wie dies in Figur 8 veranschaulicht ist. In diesem Anpassungsglied sind entsprechend Induktivitäten und/oder Kapazitäten und/oder elektrische Widerstände vorgesehen, die entsprechende elektronische Optimierungen gewährleisten. Damit ist eine
Leistungsanpassung darstellbar, wie dies oben ausgeführt ist. Weiter ist in Figur 8 ein Filterelement Fd gezeigt, dass eine Anpassung des Ausgangs des
Hochsetzstellers 11 oder eine Anpassung des Ladeanschlusses 301, 302 an die Batterie 7 ermöglicht.
Figur 5 zeigt einen Schaltungsplan eines elektrischen Antriebssystems 1, das ähnlich zur Ausführungsform der Figuren 3,4 ausgebildet ist. Entsprechend werden Bauteile mit vergleichbaren Funktionen mit gleichen Bezugszeichen benannt.
Im Gegensatz zum Antriebssystem 1 aus Figur 3,4, ist der Antriebsumrichter 3 in Figur 5 als drei 3-Level-Welchselrichter ausgebildet. Der 3-Level-Wechselrichter ist hier als ein dem Fachmann geläufiger NPC- Umrichter (neutral-point-clamped) ausgeführt. Es könnten grundsätzlich auch andere Typen von 3-Level-Umrichtern verwendet werden.
Der 3-Level-Wechselrichter umfasst eine positive und eine negative Stromschiene, die 3 durch Halbbrücken 41a, 41b, 41c verbunden sind. Die Halbbrücken 41a,
41b, 41c umfassen jeweils vier in Serie geschaltete Transistoren Tla bis T4c mit entsprechenden Freilaufdioden Dia bis D4c. Sie weisen weiterhin
jeweils zwei Zwischendioden D5a bis D6c auf, die mit einem
Zwischenkreismittelpunkt 5 des Antriebsumrichters 3 verbunden sind. Der
Zwischenkreismittelpunkt 5 liegt zwischen den beiden Zwischenkreiskapazitäten CI und C2, die parallel zu den drei Halbbrücken 4a, 4b und 4c angeordnet sind.
Um im Ladebetrieb eine Überspannung des Kondensators C2 bzw. eine
Überschreitung der zulässigen Durchspruchspannung der Dioden zu verhindern, ist der Zwischenkreismittelpunkt über einen Ausgleichsleiter 9 mit dem
Sternpunkt der Motorwicklung eine schaltbare Verbindung vorgesehen. Es kann ein Schalter S4 vorgesehen sein, welcher den Ausgleichsleiter für den
Fahrtbetrieb auftrennt, um unnötige Ausgleichsströme, z. B. aufgrund von
Spannungsschwankungen des Sternpunktes, zu vermeiden. Zusätzlich ist ein Widerstand RI, insbesondere ein PTC-Widerstand (positive temperature
coefficient) zu Entkopplungszwecken im Ausgleichsleiter angeordnet. Es kann auch eine zusätzliche Induktivität im Ausgleichsleiter vorgesehen sein.
Figuren 6a-c zeigen beispielhafte Filterstrukturen für die Filter Fa, Fb und Fd.
Figur 6a zeigt einen Filter Fl mit einem LC-LC-Glied. Figur 6b zeigt eine
Filtereinheit F2 mit parallel geschaltetem R- und C-Glied. Fig. 6c zeigt eine Filtereinheit F3, insbesondere eine bevorzugte Ausprägung der Filtereinheit Fa. Diese weist zwei mal zwei Ringkerne (mit L bezeichnet) auf. Um ein
Biegen/Umwickeln der Ringkerne mit den Leitern/Stromschienen zu vermeiden, sind die Stromschienenpaare einfach durch die Ringkerne durchgeführt. Jeweils zusammen mit den geerdeten Kondensatoren bzw. dem nicht geerdeten
Kondensator bilden die Drosseln eine mehrstufige Schaltung mit common mode und differential mode-Eigenschaften aus, die eine einfache und kostengünstige Filtereinheit darstellt. Bestandteil ist weiterhin eine passive Entladeschaltung, hier bestehend aus vier Widerständen R. Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kühlsystems, welches zur Kühlung einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung Einsatz findet. Dargestellt ist ein Längsschnitt durch einen Elektromotor 50 mit einem angeschlossenen Ölkreislauf 40 (insbesondere zur Kühlung/Schmierung des Elektromotors und eines Getriebes 20) und einem angeschlossenen Wasserkreislauf 42 (insbesondere zur Kühlung des Elektromotors 50 und eines Antriebsumrichters 26). Der Elektromotor 50 kann als Teil eines Antriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung (z. B. gemäß Fig. 1) verwendet werden. Der Motor 50 weist einen Rotor 30 auf, dessen Welle mittels Lagereinrichtungen 32 drehbar gelagert ist. Diese Lagereinrichtungen 32 werden durch den Ölkreislauf 40 geschmiert. Der Rotor ist als Hohlwelle ausgeführt und ist zur Kühlung an den Ölkreislauf 40 angeschlossen. Neben dem Rotor 30 und den Lagereinrichtungen 32 sind die Wicklungen 36 zur
Magnetfelderzeugung vorhanden und in einem Motorgehäuse 34 untergebracht. Zur Kühlung des Motors 50 ist auf dem Motorgehäuse 34 ein Statormantel 28 angeordnet, der durch den Wasserkreislauf 42 mit Wasser versorgt wird und dadurch den Motor 50 kühlt. Der Ölkreislauf 40 weist eine Pumpe 48 und einen mit dem Wasserkreislauf 42 verbundenen Wärmetauscher 38 auf, der bei Bedarf deaktiviert werden kann. Der Ölkreislauf ist z. B. ein innerhalb einer
Antriebseinheit befindlicher Ölkreislauf. Der Wasserkreislauf 42 weist eine eigene Pumpe 24 und zusätzlich einen Radiator/Wärmetauscher 44 auf, um die
Wassertemperatur zu reduzieren. Der Wasserkreislauf 42 dient zum Kühlen des Antriebsumrichters 26 (auch als Antriebsumrichter 3 aus Fig. 1 beschrieben) und des Statormantels 28. Bei dem Wasserkreislauf kann es sich um ein
fahrzeugseitiges Kühlsystem handeln, welches nicht vollständig in der
Antriebseinheit/Antriebssystem befindlich ist.
Im Ladebetrieb wird über die Durchströmung der Rotorhohlwelle mit Öl oder anderen Fluiden die im Rotor entstehende Wärme abgeführt, so dass die
Ladeleistung erhöht werden kann. Weiterhin wird der Motorinnenraum geflutet, so dass Öl in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator eindringt und das
Rotorblechpaket zusätzlich von außen gekühlt wird. Gleichzeitig bewirkt die Flutung auch eine effektive Kühlung der Statorwicklung. Das Öl zirkuliert während des Ladevorgangs.
Der Wasserfluss zum Statormantel 28 kann während des Ladebetriebs
unterbunden werden, um eine Wärmeabfuhr aus dem Ölkreislauf zu unterbinden bzw. zu verringen, um so das Öl schneller zu erwärmen. Auch ein Wasserfluss zum Wärmetauscher 38, der in diesem Beispiel in Serie zum Wasserfluss durch den Statormantel 28 geschaltet ist, kann aus analogen
Gründen unterbunden werden. So kann das Fahrzeug bzw. dessen Antriebssystem durch eine vorteilhafte Öltemperatur für den Fährbetrieb vorbereitet werden.
Bezugszeichenliste
Elektrisches Antriebssystem
Elektromotor / elektrischer Antriebsmotor
Antriebsumrichter
a,b,c Halbbrücken
Zwischenkreismittel punkt
Ladedose/Ladeanschluss
Fahrzeugbatterie/Traktionsbatterie
Ladequelle bzw. Ladesäule 400V DC
Ausgleichsleiter
0 Schalteinheit
1 Hochsetzsteller
2 Ladequelle bzw. Ladesäule 800V DC
3 Gehäuse der elektrischen Antriebseinheit
3' Gehäuse der elektrischen Antriebseinheit
3" Gehäuse der elektrischen Antriebseinheit
0 Getriebe
2 Fahrzeugrad
4 Wasserpumpe
6 Antriebsumrichter
8 Statormantel
0 Rotor
2 Lagereinrichtung für Rotor
4 Motorgehäuse
6 Wicklungen bzw. Wickelkopf des Motors
8 Wärmetauscher zwischen Ölkreislauf und Wasserkreislauf0 Ölkreislauf
1a, b,c Halbbrücken
2 Wasserkreislauf
4 Radiator/Wärmetauscher für Wasserkreislauf
6 Abschaltbarer Zufluss zum Statormantel
8 Ölpumpe
0 Elektromotor
1,72 Ladeanschluss der Batterie
3,74 Lade- und Speiseanschluss der Batterie
5,76 Lade/Speiseanschluss der Batterie 101, 102 Ladeanschluss der elektrischen Antriebseinheit
131,132 Speiseanschluss der elektrischen Antriebseinheit
133,134 Ladeanschluss der elektrischen Antriebseinheit
301, 302 Lade/Speiseanschluss der elektrischen Antriebseinheit
L1,L2,L3 Induktivitäten/Motorwicklungen
CI Erster Kondensator
C2 Zweiter Kondensator
TJj Transistor
DJj Diode
RI Entkopplungswiderstand
Sl-3 Schalter der Schalteinheit 10
S4 Ladeschalter
V (externer) Verschaltungsaufwand

Claims

Ansprüche
1. Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie (7) eines mit einem
elektrischen Antriebsmotor (2) ausgebildetem Kraftfahrzeugs, mit
- einer Induktivität,
- einem Antriebsumrichter (3), der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie (7) für den elektrischen Antriebsmotor (2) wandelt,
wobei die Induktivität zusammen mit dem Antriebsumrichter (3) für einen Ladebetrieb der Batterie (7) als Hochsetzsteller dient,
dad u rch geken nzeich net, dass
eine Schalteinheit (10) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, eine
Ladungsquelle (8; 12) direkt oder über den Hochsetzsteller mit der Batterie (7) zu verschalten.
2. Ladevorrichtung nach Anspruch 1,
dad u rch geken nzeich net, dass
die Schalteinheit (10) ausgebildet ist, eine Ladungsquelle (8; 12) und deren Spannung zu detektieren und zu messen und abhängig davon mit der Batterie (7) direkt oder über den Hochsetzsteller zu verschalten.
3. Ladevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Antriebsumrichter (3) als 2-Level-Wechselrichter oder als 3-Level- Wechselrichter ausgebildet ist, wobei der 3-Level-Wechselrichter insbesondere in Form eines NPC- oder TNPC-Wechselrichters ausgeführt ist.
4. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Antriebsumrichter (3) für drei Spannungsphasen jeweils eine
Halbbrücke (4a; 4b; 4c) aufweist, die jeweils mit einer der drei
Spulenwicklungen (LI; L2; L3) des elektrischen Antriebsmotors (2) verbunden ist.
5. Ladevorrichtung nach Anspruch 4,
dad u rch geken nzeich net, dass
zum Laden der Batterie ein bis drei Halbbrücken (4a; 4b; 4c) für den Hochsetzsteller Steuer- und verwendbar sind.
6. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dad u rch geken nzeich net, dass
die Induktivität (LI) durch mindestens eine Spulen-/Wellenwicklung des elektrischen Antriebsmotors (2) gebildet ist.
7. Ladevorrichtung nach Anspruch 6,
dad u rch geken nzeich net, dass
der elektrische Antriebsmotor (2) derart ausgebildet ist, dass während des Ladevorgangs an die mindestens eine Spulen-/Wellenwicklung zur Kühlung Öl gepumpt werden kann.
8. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Antriebsmotor (2) einen Rotor aufweist, der während des
Ladevorgangs gekühlt wird.
9. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Hochsetzsteller mindestens ein Kühlsystem mit zwei voneinander unabhängigen Kreisläufen aufweist.
10. Ladevorrichtung nach Anspruch 9,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Ölkreislauf ausgebildet ist, die Abwärme der Induktivität an einen Ölkreislauf des Antriebsmotors und/oder eines Getriebes abzugeben, wobei der Ölkreislauf des Antriebsmotors und/oder Getriebes zum Schmieren von beweglichen bzw. rotierenden Bauteilen des
Antriebsmotors und/oder Getriebes dient.
11. Ladevorrichtung nach Anspruch 10,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Ölkreislauf des Kühlsystems mindestens einen Teil des Ölkreislaufs des Antriebsmotors und/oder Getriebes bildet oder umgekehrt.
12. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dad u rch geken nzeich net, dass
ein Zwischenkreismittelpunkt (5) des Antriebsumrichters über einen Widerstand (RI) mit einer Eingangsspannung der Ladungsquelle (8) und/oder der Induktivität (LI) mittels eines Ausgleichsleiters (9) verschalten und/oder verschaltbar ist.
13. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dad u rch geken nzeich net, dass
eine Zwischenkreiskapazität des Inverters für den Ladebetrieb
veränderlich ausgestaltet ist.
14. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dad u rch geken nzeich net, dass
die Schalteinheit (10) und der Antriebsumrichter (3) in einem
gemeinsamen Gehäuse (13) angeordnet sind.
15. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass
die Schalteinheit (10), der Antriebsumrichter (3) und der Antriebsmotor (2) in einem gemeinsamen Gehäuse (13) angeordnet sind.
16. Kraftfahrzeug, umfassend eine Ladevorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 14 oder 15, eine Batterie (7), sowie eine Ladedose (6),
dad u rch geken nzeich net, dass
die Batterie (7) genau einen Stromanschluss (75, 76) zur Verbindung mit einem Stromanschluss (301, 302) für den Antriebsumrichter (3) aufweist, dass genau ein Anschluss (101, 102) zur elektrischen Verbindung der Ladedose (6) mit der Schalteinheit (10) vorgesehen ist, wobei die
Anschlüsse (301, 302) für den Antriebsumrichter (3) und die Anschlüsse (101, 102) zur elektrischen Verbindung mit der Ladedose (6) an dem Gehäuse (13', 13") angeordnet sind.
17. Elektrisches Antriebssystem (1) mit einer Ladevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 16.
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