WO2023006726A1 - Elektrisches antriebssystem für ein fahrzeug, fahrzeug mit einem entsprechenden elektrischen antriebssystem sowie verfahren zum betreiben eines entsprechenden elektrischen antriebssystems - Google Patents

Elektrisches antriebssystem für ein fahrzeug, fahrzeug mit einem entsprechenden elektrischen antriebssystem sowie verfahren zum betreiben eines entsprechenden elektrischen antriebssystems Download PDF

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WO2023006726A1
WO2023006726A1 PCT/EP2022/070910 EP2022070910W WO2023006726A1 WO 2023006726 A1 WO2023006726 A1 WO 2023006726A1 EP 2022070910 W EP2022070910 W EP 2022070910W WO 2023006726 A1 WO2023006726 A1 WO 2023006726A1
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inverter
electrical energy
energy store
voltage
charging
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PCT/EP2022/070910
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Urs Boehme
Markus Orner
Nathan Tröster
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Mercedes-Benz Group AG
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    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters

Definitions

  • the invention relates to an electric drive system for a vehicle according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention also relates to a vehicle with a corresponding electric drive system.
  • the invention also relates to a method for operating an electric drive system according to the preamble of patent claim 9.
  • Electrically driven or operated vehicles today have a voltage level of 800 volts. These vehicles have an 800-volt vehicle battery, with which an on-board network and/or an electric drive motor can be supplied with energy. For example, this is disclosed in DE 102019005621 A1 and DE 102009052680 A1.
  • the vehicle's electric drive machine In order for the vehicle's electric drive machine to be able to drive the vehicle, it needs an AC voltage.
  • This AC voltage is generated from a battery voltage of the vehicle battery by means of an inverter. For example, this is disclosed in DE 102018000488 A1.
  • DE 102018009848 A1 and DE 102018009840 A1 each disclose switching arrangements for motor vehicles.
  • an electric machine of a vehicle is supplied with electrical energy by means of a power converter via a high-voltage battery of the vehicle.
  • One object of the present invention is to be able to charge an electric vehicle with a voltage level of 800 volts more easily and without additional effort at a 400 volt charging station. This object is achieved by an electric drive system, a vehicle and a method according to the independent patent claims. Useful further developments result from the dependent patent claims.
  • One aspect of the invention relates to an electric drive system for a vehicle, with
  • the inverter of the electric three-phase machine that is already present in the vehicle has a secondary function in addition to its primary function.
  • the primary function of the inverter is to provide AC voltage for the three-phase machine.
  • the secondary function is the misuse of an inverter for charging the vehicle, especially at a 400 volt charging station. Consequently, since the inverter is already present in the vehicle, backward compatibility of the vehicle can occur without the use of additional components and/or parts. This misappropriation of the inverter, in particular through the use of the secondary function of the inverter, can save costs, weight and installation space of an electric vehicle.
  • the switching device and the respective switching states of the switching device allow the vehicle to be charged at a 400-volt charging station without access to the star point of the electric three-phase machine being necessary or a corresponding switching element within the inverter also having to be taken into account or used .
  • the vehicle can be an at least partially electrically operated vehicle.
  • the vehicle is an electric vehicle, a hybrid vehicle or a plug-in vehicle.
  • the vehicle is a passenger car or truck.
  • the electrical energy store can be, for example, a vehicle battery, traction battery or battery system of the vehicle.
  • the electrical energy store is a high-voltage battery with a voltage level of 800 volts.
  • the electric three-phase machine is in particular an electric machine or an electric motor for driving the vehicle for a locomotion journey.
  • the switching device can be used to represent or implement the inverter as a boost converter or step-up converter, so that the electrical energy store can be charged at a charging station with a lower voltage level than the electrical energy store. This is done in particular without any intervention in the electrical three-phase machines.
  • the input voltage can be stepped up for the charging process. This can be done in particular by means of the inverter and the center tap between the first and second capacitor.
  • a DC boost function can be implemented using the electric drive system via the inverter of the electric three-phase machine. Additional charging units or voltage converters can thus be dispensed with for step-up operation of the input voltage for charging the electrical energy store.
  • the individual positive potentials can be associated with a common positive potential.
  • the individual positive potentials can be referred to as partial potentials of the positive potential.
  • the individual negative potentials can also be associated with a common negative potential.
  • the individual negative potentials can be referred to as partial potentials of the positive potential.
  • the switching device can have the first and second switching states as possible operating states.
  • the switching device can have the first and third switching states as possible operating states exhibit. It can also be the case that the switching device has a combination of both variants. This can prevent overloading of the electrical insulation of the charging station due to a potential asymmetry in the vehicle in relation to PE.
  • the invention provides that the inverter is set up to charge the first capacitor and/or the second capacitor, and a sum of a first voltage of the first capacitor and a second voltage of the second capacitor is provided as an output voltage of the inverter for charging the electrical energy store.
  • upward operation or a boost function can be implemented in that the center tap between the first and second capacitors can be connected to the charging connection by means of the inverter.
  • the first capacitor and/or the second capacitor are charged alternately. This can be done in particular depending on the current switching state or clocked operation of the inverter.
  • the first capacitor can be charged in a first cycle and the second capacitor can be charged in a second cycle immediately following the first cycle.
  • the first and second capacitors can each be charged with a voltage of essentially 400 volts.
  • the sum of the first and second capacitors can thus be used to provide the required output voltage for the electrical energy store.
  • a further exemplary embodiment of the invention provides for the inverter to be in the form of a three-level T-type inverter.
  • This special design of the inverter allows step-up operation to be implemented without intervention at the star point of the electric three-phase machine.
  • the inverter can be a three-level inverter, an S-three inverter, or a three-level T-type inverter.
  • the inverter can be a three-level inverter in NPC (Neutral Point Claimedj topology or as a three-point inverter in NPC circuit.
  • the inverter is a neutral point claimed -Three-level inverter In contrast to the conventionally used 2-level inverters, this has a significantly higher dielectric strength.
  • the inverter is set up to adapt a voltage difference between a battery voltage of the electrical energy store and the input voltage in the second switching state by lowering a voltage level of the negative potentials by this voltage difference, and in the third switching state a Adjust voltage difference between the battery voltage and the input voltage by a voltage level of the positive potentials is increased by this voltage difference.
  • step-up operation can be achieved, in which the positive potential of the charging column or charging station is connected directly to the positive potential of the electrical energy store.
  • a voltage adjustment of the voltage difference between the charging station of, for example, 400 volts and the electrical energy store of, for example, 800 volts is carried out by adjusting or lowering the voltage level in the negative potentials by, for example, 400 volts (corresponds to the voltage difference).
  • This voltage difference can be generated by a choke or motor winding of the electric three-phase machine being operated in a clocked manner.
  • clocked operation can be understood to mean a change from short circuit or build-up of an inductor current in the inductor to opening of the short circuit or freewheeling of the inductor current via freewheeling diodes and vice versa.
  • the voltage difference between the charging station and the electrical energy store is present in the inductor current build-up on the blocking freewheeling diode.
  • the electrical energy store cannot be charged at this moment. Instead, the energy in the choke can be increased by the increasing choke current. In this case, the positive potentials have the same potential reference.
  • the negative potential between the vehicle and the charging station is directly connected to one another.
  • the voltage difference between the charging station (400 volts) and the electrical energy store (800 volts) is adjusted in particular by adjusting or increasing the voltage level of the positive potentials by 400 volts (corresponds to the voltage difference).
  • the voltage difference is generated in an analogous manner, as already explained above, via the choke operated in a clocked manner. However, here the choke and the freewheeling diode are now located in the positive potential.
  • the switching device has a first charging contactor for connecting the positive potential of the charging connection to the positive potential of the electrical energy store.
  • the switching device has a second charging contactor for connecting the positive potential of the charging connection to the center tap of the inverter.
  • the switching device can have a third charging contactor for connecting the negative potential of the charging connection to the center tap of the inverter.
  • the switching device has a fourth charging contactor for connecting the negative potential of the charging connection to the negative potential of the inverter.
  • the first to fourth charging contactors are electrical switches or switching elements.
  • the switching device can switch the charging contactors accordingly.
  • the charging contactors of the switching device can be switched accordingly, for example with a control unit or a control unit of the electric drive system.
  • the switching device can be switched in such a way that the charging process of the electrical energy store can be carried out either via the negative potential or via the positive potential by means of the inverter.
  • the first and fourth charging contactors can be used to charge the electrical energy storage device independently of the inverter, in particular in the case of a direct 800 volt charging process.
  • a further exemplary embodiment of the invention provides that the switching device is set up to change over automatically in the first switching state when the input voltage of the charging connection has a first predetermined voltage value.
  • the corresponding switching state can be set or switched automatically.
  • the first switching state is always used or set automatically when the input voltage corresponds to a first predetermined voltage value.
  • the first predetermined voltage value is in particular a voltage value which essentially corresponds to the voltage level of the electrical energy store. For example, in the case of an 800-volt vehicle with an 800-volt energy store, the first predetermined Voltage value correspond to 800 volts.
  • the electrical energy store is charged directly via the charging connection and consequently directly via the charging station.
  • the switching device can have a control unit or a control unit with which the switching states can be changed automatically.
  • the input voltage can be determined for this purpose by means of voltmeters, so that this can be taken into account for the decision on the switching state to be set.
  • a further exemplary embodiment provides that the switching device is set up to switch to the second switching state automatically when the input voltage of the charging connection has a second predefined voltage value and the inverter is operated as a step-up converter for lowering a voltage level of the negative potentials.
  • the switching states are changed automatically. For example, an automatic change from the first switching state to the second or vice versa can be carried out. In particular, only one switching state can currently be switched or activated by the switching device.
  • a second predetermined voltage value is in particular a voltage value of the charging station.
  • the predetermined second voltage value is 400 volts for a 400 volt charging station.
  • the second switching state of the switching device is set or used when the negative potential is to be lowered by a voltage difference. In this case, the positive potential between the charging station and the vehicle would be directly connected.
  • the switching device is set up to switch to the third switching state automatically when the input voltage of the charging connection has a second predetermined voltage value and the inverter is operated as a step-up converter to increase a voltage level of the positive potentials.
  • the second predetermined voltage value 400 volts, for example, is decisive for using or switching on a third switching state.
  • the third switching status is then set automatically or switched on if, in particular, the positive potential of the electric drive system is to be adjusted or increased. In this case, the negative potential of the charging station and the vehicle are directly connected to each other.
  • the voltage level of the positive potentials can be increased by the voltage difference.
  • the specified voltage values are to be understood as setpoint voltage values, which can have measurement tolerances and/or tolerances of 5 percent, in particular 10 percent.
  • a further aspect of the invention relates to a vehicle with an electric drive system according to the preceding aspect or an advantageous embodiment thereof.
  • the electric drive system described above can be integrated in the vehicle.
  • the vehicle has a corresponding electric drive system according to the previous aspect.
  • the vehicle is an electric vehicle or an at least partially electrically operated vehicle.
  • the vehicle has a voltage level of 800 volts.
  • the electric drive system can be used to drive the vehicle for a locomotion journey.
  • Another aspect of the invention relates to a method for operating an electric drive system according to one of the preceding aspects or an advantageous embodiment thereof, wherein
  • the electrical three-phase machine is electrically supplied with the electrical energy store, having
  • the method allows a charging process for an 800-volt electric vehicle to be carried out more easily and without additional effort, even with a 400-volt charging station.
  • the method just described can be carried out with an electric drive system according to one of the preceding aspects or an advantageous embodiment thereof.
  • the method just described is carried out with the electric drive system described above.
  • Advantageous configurations of the electric drive system are to be regarded as advantageous configurations of the vehicle and of the method.
  • the electric drive system and the vehicle have specific features which enable the method to be carried out or an advantageous embodiment thereof.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of an embodiment of an electric drive system according to the invention
  • Fig. 3 is a schematic representation of a simulation setup of the electrical
  • FIG. 4 exemplary simulation results of the simulation setup from FIG. 3;
  • Figure 5 is a schematic block diagram of another embodiment of the electric drive system of Figure 1;
  • FIG. 1 shows, for example, a schematic block diagram of an electric drive system 1 of a vehicle 2.
  • the electric drive system 1 is in particular an electric drive or an electric drive unit for driving the vehicle 2.
  • the electric drive system 1 serves to drive the vehicle 2 for a locomotion journey. Consequently, a variety of components or systems can be associated with the electric drive system 1 with which the vehicle 2 can be propelled.
  • the electrical drive system 1 can be referred to as a drive device, a switching arrangement or an electrical system.
  • the vehicle 2 can be an at least partially electrically operated vehicle such as a hybrid vehicle or an electric vehicle.
  • the electric drive system 1 can have an electric three-phase machine 3 for driving the vehicle 2 .
  • this electrical three-phase machine 3 is an electrical machine, in particular an electric motor.
  • the electric three-phase machine 3 can be operated in a motor mode and thus as an electric motor.
  • the electric three-phase machine 3 can be supplied with an electrical AC voltage, in particular with an electrical high-voltage AC voltage, via its phases.
  • the phases of the electric three-phase machine 3 can be connected to one another, for example, via a common neutral point.
  • the electric drive system 1 and thus the vehicle 2 can have at least one electric energy store 4 .
  • the electrical energy store 4 With the help of the electrical energy store 4, the electrical three-phase machine 3 and other vehicle components and/or vehicle systems and/or vehicle electrical systems can be supplied with electrical energy.
  • the electrical energy store 4 can be a number of individual batteries or a battery system.
  • the electrical energy store 4 is a battery, in particular a vehicle battery.
  • the electrical energy store 4 can be referred to as a high-voltage battery.
  • a battery voltage U ßatt can be provided with the aid of the electrical energy store 4 .
  • the vehicle 2 can be a battery-powered vehicle with a voltage level of 800 volts.
  • a voltage of essentially 800 volts can be provided by means of the battery voltage Ußatt.
  • the electric three-phase machine 3 requires an AC voltage for its operating state.
  • This AC voltage can be provided by means of an inverter 5. This is done by converting the battery voltage U ßatt into an AC voltage.
  • the inverter 5 can be a power converter or an inverter, for example.
  • the inverter 5 can be referred to as a drive inverter.
  • the inverter 5 can be connected or arranged between the electrical energy store 4 and the electrical three-phase machine 3 .
  • a positive potential P1 of the electrical energy store 4 is connected or wired to a positive potential P2 of the inverter 5 .
  • a negative potential N1 of the electrical energy store 4 is connected or wired to a negative potential N2 of the inverter 5 .
  • the positive poles or plus poles of the electrical energy store 4 and the inverter 5 are connected to one another.
  • the negative pole of the electrical energy store 4 is connected to the negative pole of the inverter 5 .
  • a series circuit made up of a first capacitor C1 and a second capacitor C2 is connected or arranged between the positive potential P2 and the negative potential N2 of the inverter 5 .
  • this series circuit is located at the input of the inverter 5, in particular directly between the inverter 5 and the electrical energy store 4.
  • the positive potential of the first capacitor C1 is connected to the positive potential P2 of the inverter 5.
  • the negative potential of the first capacitor C1 is connected to the positive potential of the second capacitor C2. Consequently, the negative potential of the second capacitor C2 is connected to the negative potential N2 of the inverter 5.
  • the inverter 5 can be formed as a three-level T-type inverter.
  • the electric drive system 1 has a switching device 6 .
  • the switching device 6 can be used to set or switch a wide variety of operating modes or charging modes or charging processes of the electrical energy store 4 .
  • the switching device 6 can be referred to as a switching device, switching arrangement or switching matrix, for example.
  • an 800 volt charging process or a 400 volt charging process can be carried out.
  • the electrical energy store 4 is connected directly to one another by means of the switching device 6 .
  • the switching device 6 is used to charge the electrical energy store 4 indirectly via the inverter 5.
  • a positive potential P3 of a charging connection 7 can be connected to the positive potential P1 of the electrical energy store 4.
  • a negative potential N3 of the charging connection 7 can additionally be connected to the negative potential N1 of the electrical energy store 4 . Consequently, the electrical energy store 4 can be charged directly with an input voltage UE which is present at the charging connection 7 .
  • the charging connection 7 can in particular be a charging connection on the vehicle, such as a charging socket or a charging socket.
  • the charging connection 7 enables the electric drive system 1 to be coupled to a charging station 8 or charging column external to the vehicle 2 .
  • the charging station 8 is a DC charging station or a charging unit or a charging infrastructure.
  • the charging station 8 can be referred to as a direct current charging source.
  • the charging station 8 can be connected or switched either directly to the electrical energy store 4 or to the inverter 5 via the charging connection 7 .
  • the switching device 6 has different switching elements.
  • the switching device 6 can have a first charging contactor S1, a second charging contactor S2, a third charging contactor S3 and a fourth charging contactor S4.
  • These charging contactors S1 to S4 can be, for example, contactors, switching elements or mechanical switches.
  • the switching device 6 has the first charging contactor S1, the third charging contactor S3 and the fourth charging contactor S4.
  • the charging contactors S1, S4 are closed.
  • the positive potentials P1, P3 are with each other tied together.
  • the negative potentials N3, N1 are also connected.
  • the third charging contactor S3 is in the open state here.
  • the switching device 6 is always operated in the first switching state when the input voltage UE of the charging connection 7 has a first predetermined voltage value. This is the case, for example, when an input voltage UE of 800 volts is present at the charging connection 7 . This means that the electrical energy store 4 is charged directly at an 800 volt charging station as the charging station 8.
  • the first switching state is set automatically by the switching device 6 or by a control device or control unit of the electric drive system 1.
  • the switching device 6 can only have one switching state at a time. Should the switching state be changed, then the currently present switching state of the switching device 6 is automatically changed to another or desired switching state.
  • the switching device 6 is set up to switch to the second switching state automatically when the input voltage of each charging connection has a second predetermined voltage value.
  • the input voltage UE can have a voltage value of 400 volts.
  • the charging station 8 thus provides a voltage with a voltage value of less than 500 volts DC.
  • the step-up or step-up transformation of this voltage takes place by means of the inverter 5. Consequently, a step-up operation of the inverter 5 takes place here, so that the input voltage UE, which is lower than the battery voltage Ußatt, can be step-up or step-up transformed. In this state it is necessary for the negative potential of the electric drive system 1 and in particular of the vehicle 2 to be adjusted or increased.
  • the switching device 6 is to be switched in such a way that a second switching state is present. For example, this can be done automatically. In particular, it is possible to change from the first switching state to the second switching state, for example. In particular, the switching device 6 always has only one switching state at a time.
  • the positive potential P3 of the charging connection 7 is connected or connected or wired to the positive potential P1 of the electrical energy store 4 and the positive potential of the inverter 5.
  • the negative potential N3 of the charging connection 7 is connected to the center tap M of the inverter 5 in each case. This is done via the third charging contactor S3.
  • the charging contactors S1, S3 are closed and the fourth charging contactor S4 is open.
  • the input voltage UE can now be made available to the inverter 5, so that the input voltage UE can be boosted by means of the special design of the inverter 5.
  • the inverter 5 is used for simply providing backwards compatibility for the vehicle 2.
  • the inverter 5 can be used as a three-level -Inverter, S3 inverter or as a three-stage inverter in T-type design.
  • the inverter 5 can be designed as a three-level inverter in NPC (Neutral Point Claimedj) topology or as a three-point inverter in an NPC circuit.
  • NPC Neutral Point Claimedj
  • the inverter 5 has three switching arrangements for each of the three phases of the electrical three-phase machine 3 .
  • each of these switching arrangements can have a large number of different semiconductors, such as IGBTs or MOSFETs.
  • the capacitors C1, C2 and the center tap M form an intermediate circuit of the inverter 5.
  • the inverter 5 can be set up to charge the first capacitor C1 and/or the second capacitor C2 selectively, in particular cyclically.
  • a sum of a first voltage of the first capacitor C1 and a second voltage of the second capacitor C2 can be generated or provided as an output voltage of the inverter for charging the electrical energy store 4 .
  • the inverter 5 can be charged with the input voltage UE, depending on which semiconductor switches of the inverter 5 are clocked, the first capacitor C1 or the second capacitor C2.
  • an output voltage can be provided which corresponds to the battery voltage U ßatt . Consequently, the electrical energy store 4 can be charged via the capacitors C1, C2 of the inverter 5.
  • the inverter 5 is not used for boosting the input voltage UE, since the actual primary function of the inverter 5 is to convert the battery voltage Ußatt into an AC voltage for the electrical three-phase machine 3 .
  • the inverter 5 has the charging of the electrical energy store 4 as an additional secondary function if a charging voltage of less than 500 volts can be made available by means of the charging station 8 .
  • FIG. 2 shows, for example, how the electric drive system 1 works, in which the switching device 6 is in the second switching state.
  • the current path SP1 shows, for example, the current path when a clocking or clocking semiconductor switch 9 of the inverter 5 is closed.
  • the two semiconductor switches 10, 11 are permanently closed during the second switching state of the switching device 6.
  • the remaining semiconductor switches of the inverter 5 can remain open or can be closed to optimize efficiency when the body diode is conductive.
  • the current path SP2 is set in a subsequent clocking operation or cycle.
  • the two current paths SP1, SP2 are present alternately. This results in a reciprocal, clocking current path SP1 or SP2.
  • the clocking semiconductor switch 9 is now open in the current path SP2.
  • the two semiconductor switches 10, 11 are still closed.
  • the semiconductor switches 12 or 13 of the middle or right half-bridge of the inverter 5 can also be used. A change between the clocking semiconductor switch 9, 12,
  • FIG. 3 A schematic simulation structure of the electric drive system 1 is shown in the following FIG. 3 .
  • the second switching state of the switching device 6 is now simulated.
  • the capacitors C1 and C2 can be dispensed with to make it easier to understand the current rise and current freewheeling curves.
  • the clock frequency is 10 kilohertz, for example, and each motor winding of the electric three-phase machine 3 is 1 millihenry.
  • the clocking semiconductor switch 9 is switched on when the current falls below 80 amperes and is opened when it exceeds 150 amperes.
  • the example results of the simulation of FIG. 3 are shown in FIG. 4 by way of example.
  • the current of the charging station 8 is shown in the curve A, for example. It can be seen here how the current at 80 amperes increases with a constant slope by driving the gate of the clocking semiconductor switch 9 until the semiconductor switch 9 opens again at 150 amperes.
  • This current is identical to the current in the motor windings of the electric three-phase machine 3.
  • the motor windings L2 and L3 have opposite signs and the current is halved in comparison to the motor winding L1.
  • the current of L1 is shown in curve C and the current of the motor windings L2 and L3 is shown in curves D and E.
  • the controlled gate of the clocking semiconductor switch 9 is shown in the curve D.
  • FIG. In curve F, the current curve in electrical energy store 4 is shown, for example. The electrical energy store 4 is only charged in the phase when the semiconductor switch 9 is open (freewheeling phase), which corresponds to the typical behavior of a boost converter.
  • FIG. 5 now shows an example of the case in which the switching device 6 is in the third switching state.
  • the third switching state can also be switched or changed automatically.
  • the third switching state is assumed when the input voltage UE at the charging connection 7 has the second specified voltage value, in particular 400 volts.
  • the positive potential of the electric drive system 1 or of the vehicle 2 is now increased by means of the inverter 5 .
  • the positive potential of the charging connection 7 can be connected to the center tap M of the inverter 5 .
  • the negative potential N3 of the charging connection 7 can be connected or switched to the negative potential N2 of the inverter 5 .
  • the charging of the electrical energy store 4 also takes place here with the aid of the inverter 5.
  • the mutual charging of the first capacitor C1 and the second capacitor C2 also takes place in a manner analogous to the second switching state.
  • the sum of the first voltage of the first capacitor C1 and the second voltage of the second capacitor C2 can likewise be provided or generated as the output voltage of the inverter 5 .
  • the second charging contactor S2 and the fourth charging contactor S4 can be closed.
  • the switching device 6 can have the first charging contactor S1, the second charging contactor S2 and the fourth charging contactor S4.
  • FIG. 6 in a manner analogous to FIG. 2, only the respective current paths SP3, SP4 are shown. However, the mode of operation of the electric drive system 1 during or in the third switching state of the switching device 6 is shown here.
  • the current path in which the semiconductor switch 14 of the inverter 5 is operated in a clocked manner is shown in the current path SP3.
  • the two semiconductor switches 15, 16 can be permanently closed.
  • the semiconductor switch 14 is closed in this current path SP3.
  • the two current paths SP3 and SP4 are also not implemented simultaneously here, but rather alternately.
  • the semiconductor switch 14 is now open in the current path SP4.
  • the other semiconductor switches can also remain open here or can be closed to optimize efficiency with a conductive body diode.
  • the semiconductor switches of the respective half-bridges of the inverter 5 can also be used alternately here.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem (1) für ein Fahrzeug (2), mit - einer Schaltvorrichtung (6), welche aufweist :- einen ersten Schaltzustand, in welchem ein Ladeanschluss (7) mit einem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs direkt verbunden ist, sodass der elektrische Energiespeicher (4) mit einer Eingangsspannung (UE), welche am Ladeanschluss (7) anliegt, aufladbar ist, - einen zweiten und dritten Schaltzustand, in welchem der Ladeanschluss (7) über einen Wechselrichter mit dem elektrischen Energiespeicher (4) verbunden ist, sodass der elektrische Energiespeicher (4) in Abhängigkeit vom dem Wechselrichter (5) aufladbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug (2), sowie ein Verfahren.

Description

Elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, Fahrzeug mit einem entsprechenden elektrischen Antriebssystem sowie Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden elektrischen Antriebssystems
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem entsprechenden elektrischen Antriebssystem. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 9.
Elektrisch angetriebene beziehungsweise betriebene Fahrzeuge weisen heutzutage eine Spannungslage von 800 Volt auf. Dabei weisen diese Fahrzeuge eine 800-Volt- Fahrzeugbatterie auf, mit welcher ein Bordnetz und/oder eine elektrische Antriebsmaschine mit Energie versorgt werden kann. Beispielsweise ist dies in der DE 102019005621 A1 und der DE 102009052680 A1 offenbart. Damit die elektrische Antriebsmaschine des Fahrzeugs das Fahrzeug antreiben kann, benötigt diese eine Wechselspannung. Diese Wechselspannung wird mittels eines Wechselrichters aus einer Batteriespannung der Fahrzeugbatterie erzeugt. Beispielsweise ist dies in der DE 102018000488 A1 offenbart.
Die DE 102018009848 A1 und DE 102018009840 A1 offenbaren jeweils Schaltanordnungen für Kraftfahrzeuge. Dabei wird jeweils eine elektrische Maschine eines Fahrzeugs mittels eines Stromrichters über eine Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Elektrofahrzeug mit einer Spannungslage von 800 Volt einfacher und ohne zusätzlichen Aufwand an einer 400-Volt- Ladesäule laden zu können. Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Antriebssystem, ein Fahrzeug sowie ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit
- einer elektrischen Drehstrommaschine,
- einem elektrischen Energiespeicher zum elektrischen Versorgen der elektrischen Drehstrommaschine,
- einem Wechselrichter, der an die elektrische Drehstrommaschine angeschlossen ist, wobei ein positives Potential des elektrischen Energiespeichers mit einem positiven Potential des Wechselrichters und ein negatives Potential des elektrischen Energiespeichers mit einem negativen Potential des Wechselrichters verbunden ist, und
- einer Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator und einem zweiten Kondensator, welche zwischen das positive und negative Potential des Wechselrichters geschaltet ist, wobei zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator ein Mittelabgriff des Wechselrichters ausgebildet ist, aufweisen:
- eine Schaltvorrichtung, welche aufweist:
- einen ersten Schaltzustand, in welchem ein positives Potential eines Ladeanschlusses mit dem positiven Potential des elektrischen Energiespeichers und ein negatives Potential des Ladeanschlusses mit ein negatives Potential des elektrischen Energiespeichers verbunden sind, sodass der elektrische Energiespeicher mit einer Eingangsspannung, welche am Ladeanschluss anliegt, aufladbar ist,
- einen zweiten Schaltzustand, in welchem das positive Potential des Ladeanschlusses mit dem positiven Potential des elektrischen Energiespeichers und das negative Potential des Ladeanschlusses mit dem Mittelabgriff des Wechselrichters verbunden sind, sodass der elektrische Energiespeicher in Abhängigkeit vom dem Wechselrichter aufladbar ist, und/oder
- einen dritten Schaltzustand, in welchem das positive Potential des Ladeanschlusses mit dem Mittelabgriff des Wechselrichters und das negative Potential des Ladeanschlusses mit dem negativen Potential des Wechselrichters verbunden sind, sodass der elektrische Energiespeicher in Abhängigkeit vom dem Wechselrichter aufladbar ist.
Durch das vorgeschlagene elektrische Antriebssystem können elektrisch angetriebene Fahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge, mit einer Spannungslage von 800 Volt einfacher an 400-Volt-Ladesäulen und/oder Ladeeinheiten geladen werden, da die Abwärtskompatibilität hierzu ohne Zusatzaufwand durchgeführt werden kann. Folglich können Elektrofahrzeuge effizienter betrieben werden, da eine einfachere und verbesserte Möglichkeit gegeben ist, um auch an Ladesäulen mit geringeren Spannungen Ladevorgänge durchführen zu können.
Diese Vorteile können dadurch erreicht werden, indem der bereits im Fahrzeug vorhandene Wechselrichter der elektrischen Drehstrommaschine neben seiner Primärfunktion zusätzlich eine Sekundärfunktion aufweist. Bei der Primärfunktion des Wechselrichters handelt es sich um das Bereitstellen einer Wechselspannung für die Drehstrommaschine. Bei der Sekundärfunktion handelt es sich bei der Zweckentfremdung eines Wechselrichters für den Ladebetrieb des Fahrzeuges, insbesondere an einer 400- Volt-Ladesäule. Folglich kann die Abwärtskompatibilität des Fahrzeugs ohne die Verwendung zusätzlicher Komponenten und/oder Bauteile erfolgen, da der Wechselrichter bereits im Fahrzeug vorhanden ist. Durch diese Zweckentfremdung des Wechselrichters, insbesondere durch die Verwendung der Sekundärfunktion des Wechselrichters, können Kosten, Gewicht und Bauraum eines Elektrofahrzeugs eingespart werden.
Des Weiteren kann durch die Schaltvorrichtung und die jeweiligen Schaltzustände der Schaltvorrichtung ein Ladevorgang des Fahrzeuges an einer 400-Volt-Ladesäule durchgeführt werden, ohne dass ein Zugang zum Sternpunkt der elektrischen Drehstrommaschine notwendig ist oder ein entsprechendes Schaltelement innerhalb des Wechselrichters zusätzlich berücksichtigt beziehungsweise verwendet werden muss.
Insbesondere kann mithilfe des vorgeschlagenen elektrischen Antriebssystems eine Mehrfachnutzung einer elektrischen Drehstrommaschine des Fahrzeuges ermöglicht werden. Durch die Verschaltung mit dem Mittelabgriff des ersten und zweiten Kondensators kann ein Ladevorgang effizienter vorbereitet werden, da je nach Schaltzustand der Schaltvorrichtung der erste oder zweite Kondensator auf die halbe Spannung des elektrischen Energiespeichers vorgeladen werden kann. Während des Ladevorgangs an der 400-Volt-Ladesäule kann die Spannung in dem ersten oder zweiten Kondensator allmählich ansteigen. Dies kann beispielsweise die Hälfte der Batteriespannung betragen. Dies ist vorteilhaft, da DC-Ladesäulen zur Plausibilisierung des bevorstehenden Ladevorgangs den Anstieg der DC-Spannung beobachten. Erfolgt dies nicht, droht ein Ladeabbruch. Durch das Vorladen des ersten oder zweiten Kondensators auf die halbe Spannung des elektrischen Energiespeichers kann dies verhindert werdern. Beispielsweise kann es sich bei dem Fahrzeug um ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug handelt. Insbesondere handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder um ein Plug-in-Fahrzeug. Insbesondere handelt es sich bei dem Fahrzeug um einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen.
Bei dem elektrischen Energiespeicher kann es sich beispielsweise um eine Fahrzeugbatterie, Traktionsbatterie oder Batteriesystem des Fahrzeugs handeln. Insbesondere handelt es sich bei dem elektrischen Energiespeicher um eine Hochvolt- Batterie mit einer Spannungslage von 800 Volt. Bei der elektrischen Drehstrommaschine handelt es sich insbesondere um eine elektrische Maschine beziehungsweise um einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs für eine Fortbewegungsfahrt.
Insbesondere kann mithilfe der Schaltvorrichtung der Wechselrichter als Boost-Wandler beziehungsweise Aufwärtswandler dargestellt beziehungsweise realisiert werden, sodass der elektrische Energiespeicher an einer Ladesäule mit einem zu dem elektrischen Energiespeicher niedrigeren Spannungsniveau geladen werden kann. Dies erfolgt insbesondere ohne einen Eingriff an den elektrischen Drehstrommaschinen.
Insbesondere kann für den Ladevorgang die Eingangsspannung hochtransformiert werden kann. Dies kann insbesondere mittels des Wechselrichters und des Mittelabgriffs zwischen dem ersten und zweiten Kondensator erfolgen.
Optional kann mithilfe des elektrischen Antriebssystems eine DC-Boost-Funktion über den Wechselrichter der elektrischen Drehstrommaschine realisiert werden. Somit kann für einen Hochsetzbetrieb der Eingangsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers auf zusätzliche Ladeeinheiten oder Spannungswandler verzichtet werden.
Insbesondere können die einzelnen positiven Potentiale einem gemeinsamen positiven Potential zugehörig sein. Dabei können die einzelnen positiven Potentiale als Teilpotentiale des positiven Potentials bezeichnet werden. Ebenfalls können die einzelnen negativen Potentiale einem gemeinsamen negativen Potential zugehörig sein. Dabei können die einzelnen negativen Potentiale als Teilpotentiale des positiven Potentials bezeichnet werden.
Speziell kann die Schaltvorrichtung in einer ersten Variante den ersten und zweiten Schaltzustand als mögliche Betriebszustände aufweisen. In einer zweiten Variante kann die Schaltvorrichtung den ersten und dritten Schaltzustand als mögliche Betriebszustände aufweisen. Ebenfalls kann es sein, die Schaltvorrichtung eine Kombination beider Variante aufweist. Dadurch kann eine Überlastung einer elektrischen Isolation der Ladestation durch eine Potentialunsymmetrie im Fahrzeug bezogen auf PE verhindert werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wechselrichter eingerichtet ist, den ersten Kondensator und/oder den zweiten Kondensator aufzuladen, und als eine Ausgangsspannung des Wechselrichters eine Summe einer ersten Spannung des ersten Kondensators und einer zweiten Spannung des zweiten Kondensators zum Laden des elektrischen Energiespeichers bereitgestellt ist. Infolgedessen kann ein Aufwärtsbetrieb beziehungsweise eine Boost-Funktion realisiert werden, indem mittels des Wechselrichters der Mittelabgriff zwischen dem ersten und zweiten Kondensator mit dem Ladeanschluss verbunden werden kann. Insbesondere erfolgt das Aufladen des ersten Kondensators und/oder des zweiten Kondensators wechselweise. Dies kann insbesondere je nach aktuellem Schaltzustand beziehungsweise Taktungsbetrieb des Wechselrichters erfolgen. Somit kann beispielsweise in einem ersten Takt der erste Kondensator und in einem unmittelbar an den ersten Takt nachfolgenden zweiten Takt der zweite Kondensator geladen werden. Bei einem Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers an einer 400-Volt-Ladesäule kann jeweils der erste und zweite Kondensator mit einer Spannung von im Wesentlichen 400 Volt aufgeladen werden.
Somit kann die Summe des ersten und zweiten Kondensators die benötigte Ausgangsspannung für den elektrischen Energiespeicher bereitgestellt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wechselrichter als Drei-Level-T-Typ-Inverter ausgebildet ist. Durch diese spezielle Ausgestaltung des Wechselrichters kann ein Hochsetzbetrieb realisiert werden, ohne dass ein Eingriff am Sternpunkt der elektrischen Drehstrommaschine erfolgt. Beispielsweise kann durch die Verwendung des Wechselrichters als Drei-Level-T-Typ- Inverter die Abwärtskompatibilität des Fahrzeugs ohne zusätzliche Komponenten erreicht werden. Beispielsweise kann der Wechselrichter als Drei-Level-Wechselrichter, S-Drei- Inverter oder als Drei-Stufen-Inverter in T-Typ-Ausführung ausgebildet sein. Insbesondere kann es sich bei dem Wechselrichter um einen Drei-Level-Wechselrichter in NPC (Neutral Point Claimedj-Topologie oder als Drei-Punkt-Wechselrichter in NPC-Schaltung ausgebildet sein. Insbesondere handelt es sich bei dem Wechselrichter um einen Neutral- Point-Claimed-Drei-Wechselrichter-Level-Inverter. Dieser weist im Gegensatz zu den herkömmlichen verwendeten 2-Level-lnvertern eine deutlich höhere Spannungsfestigkeit auf. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wechselrichter eingerichtet ist, in dem zweiten Schaltzustand eine Spannungsdifferenz zwischen einer Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers und der Eingangsspannung anzupassen, indem ein Spannungsniveau der negativen Potentiale um diese Spannungsdifferenz abgesenkt wird, und in dem dritten Schaltzustand eine Spannungsdifferenz zwischen der Batteriespannung und der Eingangsspannung anzupassen, indem ein Spannungsniveau der positiven Potentiale um diese Spannungsdifferenz erhöht wird.
Bei dem zweiten Schaltzustand der Schaltvorrichtung kann ein Hochsetzbetrieb erreicht werden, bei dem das positive Potential der Ladesäule beziehungsweise Ladestation direkt mit dem positiven Potential des elektrischen Energiespeichers verbunden ist. Eine Spannungsanpassung der Spannungsdifferenz von der Ladesäule von beispielsweise 400 Volt und dem elektrischen Energiespeicher von beispielsweise 800 Volt erfolgt durch eine Anpassung beziehungsweise Absenkung des Spannungsniveaus in den negativen Potentialen um beispielsweise 400 Volt (entspricht der Spannungsdifferenz). Diese Spannungsdifferenz kann dadurch erzeugt werden, indem eine Drossel beziehungsweise Motorwicklung der elektrischen Drehstrommaschine taktend betrieben wird. Dabei kann unter taktend betrieben ein Wechsel von Kurzschluss beziehungsweise Aufbau eines Drosselstroms in der Drossel zu Öffnen des Kurzschlusses beziehungsweise Freilauf des Drosselstroms über Freilaufdioden und umgekehrt verstanden werden. Die Spannungsdifferenz zwischen Ladesäule und dem elektrischen Energiespeicher liegt dabei im Drosselstromaufbau an der sperrenden Freilaufdiode an. Es kann in diesem Moment der elektrische Energiespeicher nicht geladen werden. Stattdessen kann durch den ansteigenden Drosselstrom die Energie in der Drossel erhöht werden. Hierbei weisen die positiven Potentiale einen gleichen Potentialbezug auf.
In dem dritten Schaltzustand der Schaltvorrichtung ist das negative Potential zwischen dem Fahrzeug und der Ladesäule direkt miteinander verbunden. Die Anpassung der Spannungsdifferenz zwischen der Ladesäule (400 Volt) und dem elektrischen Energiespeicher (800 Volt) erfolgt insbesondere durch eine Anpassung beziehungsweise Erhöhung des Spannungsniveaus der positiven Potentiale um 400 Volt (entspricht der Spannungsdifferenz). Das Erzeugen der Spannungsdifferenz erfolgt in analoger Weise, wie bereits vorhin erläutert, über die taktend betriebene Drossel. Allerding ist hier die Drossel und die Freilaufdiode nun im positiven Potential verortet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltvorrichtung ein erstes Ladeschütz zum Verbinden des positiven Potentials des Ladeanschlusses mit dem positiven Potential des elektrischen Energiespeichers aufweist. Zusätzlich weist die Schaltvorrichtung ein zweites Ladeschütz zum Verbinden des positiven Potentials des Ladeanschlusses mit dem Mittelabgriff des Wechselrichters auf. Anstatt dazu kann die Schaltvorrichtung ein drittes Ladeschütz zum Verbinden des negativen Potentials des Ladeanschlusses mit dem Mittelabgriff des Wechselrichters aufweisen. Zusätzlich weist die Schaltvorrichtung ein viertes Ladeschütz zum Verbinden des negativen Potentials des Ladeanschlusses mit dem negativen Potential des Wechselrichters auf.
Insbesondere handelt es sich bei dem ersten bis vierten Ladeschütz um elektrische Schalter beziehungsweise Schaltelemente. Insbesondere kann die Schaltvorrichtung je nachdem, welcher Schaltzustand eingenommen werden soll, die Ladeschütze entsprechend schalten. Je nachdem, welcher Schaltzustand die Schaltvorrichtung aktuell einnimmt oder einnehmen soll, können beispielsweise mit einem Steuergerät oder einer Steuereinheit des elektrischen Antriebssystems die Ladeschütze der Schaltvorrichtung entsprechend geschalten werden.
Mithilfe der Ladeschütze kann die Schaltvorrichtung so geschalten werden, dass mittels des Wechselrichters entweder der Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers über das negative Potential oder über das positive Potential durchgeführt werden kann. Insbesondere kann mithilfe des ersten und vierten Ladeschützes ein Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers unabhängig von dem Wechselrichter, insbesondere bei einem direkten 800-Volt-Ladevorgang, durchgeführt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltvorrichtung dazu eingerichtet ist, in dem ersten Schaltzustand automatisch zu wechseln, wenn die Eingangsspannung des Ladeanschlusses einen ersten vorgegebenen Spannungswert aufweist. Somit kann je nachdem, welcher Ladevorgang vorgenommen werden soll, automatisch der entsprechende Schaltzustand eingestellt beziehungsweise geschaltet werden. Der erste Schaltzustand wird immer dann automatisch verwendet beziehungsweise eingestellt, wenn die Eingangsspannung einem ersten vorgegebenen Spannungswert entspricht. Bei dem ersten vorgegebenen Spannungswert handelt es sich insbesondere um einen Spannungswert, welcher im Wesentlichen der Spannungslage des elektrischen Energiespeichers entspricht. Beispielsweise bei einem 800-Volt- Fahrzeug mit einem 800-Volt-Energiespeicher kann der erste vorgegebene Spannungswert 800 Volt entsprechen. Insbesondere erfolgt in dem ersten Schaltzustand das Aufladen des elektrischen Energiespeichers direkt über den Ladeanschluss und folglich direkt über die Ladesäule.
Beispielsweise kann die Schaltvorrichtung eine Steuereinheit oder ein Steuergerät aufweisen, mit welchem das automatische Wechseln der Schaltzustände durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann hierzu mittels Spannungsmessgeräten die Eingangsspannung bestimmt werden, sodass dies für die Entscheidung des einzustellenden Schaltzustands berücksichtigt werden kann.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Schaltvorrichtung dazu eingerichtet ist, in den zweiten Schaltzustand automatisch zu wechseln, wenn die Eingangsspannung des Ladeanschlusses einen zweiten vorgegebenen Spannungswert aufweist und der Wechselrichter als Aufwärtswandler zum Absenken eines Spannungsniveaus der negativen Potentiale betrieben wird. Wie bereits vorhin erläutert, erfolgt das Wechseln der Schaltzustände automatisch. Beispielsweise kann ein automatischer Wechsel von dem ersten Schaltzustand zu dem zweiten oder umgekehrt durchgeführt werden. Insbesondere kann jeweils nur ein Schaltzustand aktuell von der Schaltvorrichtung geschalten beziehungsweise aktiviert werden.
Bei einem zweiten vorgegebenen Spannungswert handelt es sich insbesondere um einen Spannungswert der Ladesäule. Beispielsweise ist der vorgegebene zweite Spannungswert bei einer 400-Volt-Ladesäule 400 Volt. Des Weiteren wird der zweite Schaltzustand der Schaltvorrichtung dann eingestellt beziehungsweise verwendet, wenn eine Absenkung des negativen Potentials um eine Spannungsdifferenz durchgeführt werden soll. In diesem Fall wäre das positive Potential zwischen der Ladesäule und dem Fahrzeug direkt miteinander verbunden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltvorrichtung dazu eingerichtet ist, in den dritten Schaltzustand automatisch zu wechseln, wenn die Eingangsspannung des Ladeanschlusses einen zweiten vorgegebenen Spannungswert aufweist und der Wechselrichter als Aufwärtswandler zur Erhöhung eines Spannungsniveaus der positiven Potentiale betrieben wird. Hierbei kann auf die vorher geschilderten Ausführungen verwiesen werden. Wie bei dem zweiten Schaltzustand ist für das Verwenden beziehungsweise Zuschalten eines dritten Schaltzustands der zweite vorgegebene Spannungswert von beispielsweise 400 Volt entscheidend. Der dritte Schaltzustand wird dann automatisch eingestellt beziehungsweise zugeschalten, wenn insbesondere das positive Potential des elektrischen Antriebssystems angepasst beziehungsweise angehoben werden soll. In diesem Fall ist das negative Potential der Ladesäule und des Fahrzeuges direkt miteinander verbunden. Das Spannungsniveau der positiven Potentiale kann um die Spannungsdifferenz erhöht werden.
Insbesondere sind die angegebenen Spannungswerte als Soll-Spannungswerte zu verstehen, welche Messtoleranzen und/oder Toleranzen von 5 Prozent, insbesondere von 10 Prozent, aufweisen können.
Mit dem Begriff „im Wesentlichen“ ist insbesondere eine Toleranz von +/- 5 Prozent, insbesondere +/- 10 Prozent zu verstehen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem nach dem vorhergehenden Aspekt oder einer vorteilhaften Ausführung davon.
Insbesondere kann das vorhin geschilderte elektrische Antriebssystem in dem Fahrzeug integriert sein. Insbesondere weist das Fahrzeug ein entsprechendes elektrisches Antriebssystem nach dem vorherigen Aspekt auf.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Elektrofahrzeug oder um ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug. Insbesondere weist das Fahrzeug eine Spannungslage von 800 Volt auf.
Insbesondere kann mithilfe des elektrischen Antriebssystems das Fahrzeug für eine Fortbewegungsfahrt angetrieben werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems nach einem der vorhergehenden Aspekte oder einer vorteilhaften Ausführung davon, wobei
- die elektrische Drehstrommaschine mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch versorgt wird, aufweisend
- Schalten der Schaltvorrichtung des elektrischen Antriebssystems in den ersten Schaltzustand, sodass der elektrische Energiespeicher mit der Eingangsspannung aufgeladen wird, - Schalten der Schaltvorrichtung in den zweiten Schaltzustand, sodass der elektrische Energiespeicher in Abhängigkeit vom dem Wechselrichter aufgeladen wird, und/oder
- Schalten der Schaltvorrichtung in den dritten Schaltzustand, sodass der elektrische Energiespeicher in Abhängigkeit vom dem Wechselrichter aufgeladen wird.
Insbesondere kann durch das Verfahren ein Ladevorgang eines 800-Volt- Elektrofahrzeugs einfacher und ohne zusätzlichen Aufwand auch bei einer 400-Volt- Ladesäule durchgeführt werden.
Insbesondere kann das soeben geschilderte Verfahren mit einem elektrischen Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Aspekte oder einer vorteilhaften Ausführung davon durchgeführt werden. Insbesondere wird das soeben geschilderte Verfahren mit dem vorhin geschilderten elektrischen Antriebssystem durchgeführt.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des elektrischen Antriebssystems sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Fahrzeuges sowie des Verfahrens anzusehen. Das elektrische Antriebssystem sowie das Fahrzeug weisen dazu gegenständliche Merkmale auf, welche eine Durchführung des Verfahrens oder eine vorteilhafte Ausgestaltungsform davon ermöglichen.
Ausführungsbeispiele einzelner Aspekte sind als vorteilhafte Ausführungsbeispiele der anderen Aspekte und umgekehrt anzusehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsforum eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems;
Fig. 2 ein beispielhafter Funktionsablauf des elektrischen Antriebssystems aus
Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Simulationsaufbaus des elektrischen
Antriebssystems auf Fig.1 ;
Fig. 4 beispielhafte Simulationsergebnisse des Simulationsaufbaus aus Fig. 3;
Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild einerweiteren Ausführungsforum des elektrischen Antriebssystems aus Fig.1 ; und
Fig. 6 ein beispielhafter Funktionsablauf des elektrischen Antriebssystems aus
Fig. 5.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 zeigt beispielsweise ein schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Antriebssystems 1 eines Fahrzeugs 2.
Bei dem elektrischen Antriebssystem 1 handelt es sich insbesondere um einen elektrischen Antrieb beziehungsweise ein elektrisches Antriebsaggregat zum Antreiben des Fahrzeugs 2. Mit anderen Worten dient das elektrische Antriebssystem 1 dazu, das Fahrzeug 2 für eine Fortbewegungsfahrt anzutreiben. Folglich kann zu dem elektrischen Antriebssystem 1 eine Vielzahl von Komponenten oder Systemen zugehörig sein, mit welchem das Fahrzeug 2 angetrieben werden kann.
Beispielsweise kann das elektrische Antriebssystem 1 als Antriebsvorrichtung, Schaltanordnung oder elektrisches System bezeichnet werden.
Bei dem Fahrzeug 2 kann es sich um ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug wie ein Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug handeln. Für das Antreiben des Fahrzeugs 2 kann das elektrische Antriebssystem 1 eine elektrische Drehstrommaschine 3 aufweisen. Insbesondere handelt es sich bei dieser elektrischen Drehstrommaschine 3 um eine elektrische Maschine, insbesondere um einen Elektromotor. Insbesondere ist die elektrische Drehstrommaschine 3 in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betreibbar. Um die elektrische Drehstrommaschine 3 in dem Motorbetrieb zu betreiben, kann die elektrische Drehstrommaschine 3 über ihre Phasen mit einer elektrischen Wechselspannung, insbesondere mit einer elektrischen Hochvolt-Wechselspannung, versorgt werden. Die Phasen der elektrischen Drehstrommaschine 3 können beispielsweise über einen gemeinsamen Sternpunkt zueinander geschaltet sein.
Damit nun die elektrische Drehstrommaschine 3 mit einer Wechselspannung versorgt werden kann, kann das elektrische Antriebssystem 1 und somit das Fahrzeug 2 zumindest einen elektrischen Energiespeicher 4 aufweisen. Mithilfe des elektrischen Energiespeichers 4 können zum einen die elektrische Drehstrommaschine 3 und weitere Fahrzeugkomponenten und/oder Fahrzeugsysteme und/oder Bordnetze mit elektrischer Energie versorgt werden.
Beispielsweise kann es sich bei dem elektrischen Energiespeicher 4 um mehrere einzelne Batterien oder um ein Batteriesystem handeln. Insbesondere handelt es sich bei dem elektrischen Energiespeicher 4 um eine Batterie, insbesondere um eine Fahrzeugbatterie. Beispielsweise kann der elektrische Energiespeicher 4 als Hochvolt-Batterie bezeichnet werden.
Mithilfe des elektrischen Energiespeichers 4 kann eine Batteriespannung Ußatt bereitgestellt werden. Insbesondere kann es sich bei dem Fahrzeug 2 um ein batteriebetriebenes Fahrzeug mit einer Spannungslage von 800 Volt handeln. Dabei kann mittels der Batteriespannung Ußatt eine Spannung von im Wesentlichen 800 Volt bereitgestellt werden.
Die elektrische Drehstrommaschine 3 benötigt für ihren Betriebszustand eine Wechselspannung. Diese Wechselspannung kann mittels eines Wechselrichters 5 bereitgestellt werden. Dies erfolgt durch Umwandlung der Batteriespannung Ußatt in eine Wechselspannung. Bei dem Wechselrichter 5 kann es sich beispielsweise um einen Stromrichter oder um einen Inverter handeln. Insbesondere kann der Wechselrichter 5 als Antriebswechselrichter bezeichnet werden. Insbesondere erfolgt die Bereitstellung der Wechselspannung für die elektrische Drehstrommaschine 3 durch die Primärfunktion beziehungsweise Hauptfunktion des Wechselrichters 5.
Beispielsweise kann der Wechselrichter 5 zwischen dem elektrischen Energiespeicher 4 und der elektrischen Drehstrommaschine 3 verschaltet beziehungsweise angeordnet sein.
Insbesondere ist ein positives Potential P1 des elektrischen Energiespeichers 4 mit einem positiven Potential P2 des Wechselrichters 5 verbunden beziehungsweise verdrahtet. Ebenso ist ein negatives Potential N1 des elektrischen Energiespeichers 4 mit einem negativen Potential N2 des Wechselrichters 5 verbunden beziehungsweise verdrahtet. Mit anderen Worten ausgedrückt sind die positiven Pole beziehungsweise Pluspole des elektrischen Energiespeichers 4 und des Wechselrichters 5 miteinander verbunden. Ebenso ist der Minuspol des elektrischen Energiespeichers 4 mit dem Minuspol des Wechselrichters 5 verbunden.
Des Weiteren ist zwischen dem positiven Potential P2 und dem negativen Potential N2 des Wechselrichters 5 eine Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator C1 und einem zweiten Kondensator C2 geschalten beziehungsweise angeordnet. In Betrachtung zu dem elektrischen Energiespeicher 4 befindet sich diese Reihenschaltung am Eingang des Wechselrichters 5, insbesondere unmittelbar zwischen dem Wechselrichter 5 und dem elektrischen Energiespeicher 4. Insbesondere ist das positive Potential des ersten Kondensators C1 mit dem positiven Potential P2 des Wechselrichters 5 verbunden. Das negative Potential des ersten Kondensators C1 ist mit dem positiven Potential des zweiten Kondensators C2 verbunden. Folglich ist das negative Potential des zweiten Kondensators C2 mit dem negativen Potential N2 des Wechselrichters 5 verbunden. Zwischen dem ersten und zweiten Kondensator C1, C2 befindet sich ein Mittelabgriff M.
Beispielsweise kann der Wechselrichter 5 als Drei-Level-T-Typ-Inverter ausgebildet sein.
Insbesondere weist das elektrische Antriebssystem 1 eine Schaltvorrichtung 6 auf. Mithilfe der Schaltvorrichtung 6 können die verschiedensten Betriebsmodi beziehungsweise Lademodi beziehungsweise Ladevorgänge des elektrischen Energiespeichers 4 eingestellt beziehungsweise geschaltet werden. Die Schaltvorrichtung 6 kann beispielsweise als Schalteinrichtung, Schaltanordnung oder Schaltmatrix bezeichnet werden. Je nach Schaltzustand der Schaltvorrichtung 6 kann ein 800-Volt-Ladevorgang oder ein 400-Volt-Ladevorgang durchgeführt werden. Für den 800-Volt-Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers 4 wird der elektrische Energiespeicher 4 mittels der Schaltvorrichtung 6 direkt miteinander verbunden. Bei einem 400-Volt-Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers 4 erfolgt mittels der Schaltvorrichtung 6 der Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers 4 indirekt über den Wechselrichter 5.
In einem ersten Schaltzustand der Schaltvorrichtung 6 kann ein positives Potential P3 eines Ladeanschlusses 7 mit dem positiven Potential P1 des elektrischen Energiespeichers 4 verbunden werden. Dabei kann zusätzlich ein negatives Potential N3 des Ladeanschlusses 7 mit dem negativen Potential N1 des elektrischen Energiespeichers 4 verbunden werden. Folglich kann der elektrische Energiespeicher 4 direkt mit einer Eingangsspannung UE, welche am Ladeanschluss 7 anliegt, aufgeladen werden.
Bei dem Ladeanschluss 7 kann es sich insbesondere um einen fahrzeugseitigen Ladeanschluss, wie beispielsweise eine Ladedose oder eine Ladesteckdose, handeln. Insbesondere ermöglicht der Ladeanschluss 7 das Koppeln des elektrischen Antriebssystems 1 mit einer zum Fahrzeug 2 externen Ladestation 8 beziehungsweise Ladesäule. Insbesondere handelt es sich bei der Ladestation 8 um eine DC-Ladesäule oder um eine Ladeeinheit oder um eine Ladeinfrastruktur. Insbesondere kann die Ladestation 8 als Gleichstromladequelle bezeichnet werden.
Mit der Schaltvorrichtung 6 kann die Ladestation 8 über den Ladeanschluss 7 entweder direkt mit dem elektrischen Energiespeicher 4 oder mit dem Wechselrichter 5 verbunden beziehungsweise geschaltet werden.
Insbesondere weist die Schaltvorrichtung 6 verschiedene Schaltelemente auf. Beispielsweise kann die Schaltvorrichtung 6 ein erstes Ladeschütz S1, ein zweites Ladeschütz S2, ein drittes Ladeschütz S3 und ein viertes Ladeschütz S4 aufweisen. Bei diesen Ladeschützen S1 bis S4 kann es sich beispielsweise um Schütze, Schaltelemente oder mechanische Schalter handeln. In diesem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 weist die Schaltvorrichtung 6 das erste Ladeschütz S1 , das dritte Ladeschütz S3 sowie das vierte Ladeschütz S4 auf.
Wenn nun die Schaltvorrichtung den ersten Schaltzustand einnimmt, so werden die Ladeschütze S1, S4 geschlossen. Somit sind die positiven Potentiale P1, P3 miteinander verbunden. Ebenfalls sind die negativen Potentiale N3, N1 verbunden. Das dritte Ladeschütz S3 befindet sich hier im geöffneten Zustand.
Insbesondere wird die Schaltvorrichtung 6 immer dann in dem ersten Schaltzustand betrieben, wenn die Eingangsspannung UE des Ladeanschlusses 7 einen ersten vorgegebenen Spannungswert aufweist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn an dem Ladeanschluss 7 eine Eingangsspannung UE von 800 Volt vorliegt. Somit erfolgt hier ein direktes Laden des elektrischen Energiespeichers 4 an einer 800-Volt-Ladestation als Ladestation 8.
Insbesondere erfolgt das Einstellen des ersten Schaltzustands automatisch durch die Schaltvorrichtung 6 oder durch ein Steuergerät beziehungsweise Steuereinheit des elektrischen Antriebssystems 1.
Insbesondere kann die Schaltvorrichtung 6 stets nur einen Schaltzustand momentan aufweisen. Sollte der Schaltzustand gewechselt werden, so erfolgt ein automatisches Wechseln des aktuell vorliegenden Schaltzustands der Schaltvorrichtung 6 in einen anderen beziehungsweise gewünschten Schaltzustand.
Insbesondere ist die Schaltvorrichtung 6 dazu eingerichtet, in den zweiten Schaltzustand automatisch zu wechseln, wenn die Eingangsspannung jedes Ladeanschlusses einen zweiten vorgegebenen Spannungswert aufweist. In diesem Fall kann die Eingangsspannung UE einen Spannungswert von 400 Volt aufweisen. Somit stellt die Ladestation 8 eine Spannung mit einem Spannungswert kleiner 500 Volt DC zur Verfügung. In diesem Fall erfolgt das Hochsetzen beziehungsweise Hochtransformieren dieser Spannung mittels des Wechselrichters 5. Folglich erfolgt hier ein Hochsetzbetrieb des Wechselrichters 5, sodass die im Vergleich zur Batteriespannung Ußatt niedrigere Eingangsspannung UE hochgesetzt beziehungsweise hochtransformiert werden kann. In diesem Zustand ist es erforderlich, dass das negative Potential des elektrischen Antriebssystems 1 und insbesondere des Fahrzeugs 2 angepasst beziehungsweise hochgesetzt wird. Folglich ist die Schaltvorrichtung 6 derart zu schalten, dass ein zweiter Schaltzustand vorliegt. Beispielsweise kann dies automatisch erfolgen. Insbesondere kann beispielsweise von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand gewechselt werden. Insbesondere liegt an der Schaltvorrichtung 6 stets nur ein einziger Schaltzustand momentan an. In dem zweiten Schaltzustand der Schaltvorrichtung 6 ist das positive Potential P3 des Ladeanschlusses 7 mit dem positiven Potential P1 des elektrischen Energiespeichers 4 und dem positiven Potential des Wechselrichters 5 verbunden beziehungsweise verschalten beziehungsweise verdrahtet. Dabei ist hier nun jeweils jedoch das negative Potential N3 des Ladeanschlusses 7 mit dem Mittelabgriff M des Wechselrichters 5 verbunden. Dies erfolgt über das dritte Ladeschütz S3. In dem zweiten Schaltzustand der Schaltvorrichtung 6 sind die Ladeschütze S1, S3 geschlossen und das vierte Ladeschütz S4 ist geöffnet. In diesem Fall kann nun die Eingangsspannung UE dem Wechselrichter 5 zur Verfügung gestellt werden, sodass mittels der speziellen Ausgestaltung des Wechselrichters 5 die Eingangsspannung UE hochgesetzt werden kann.
Somit dient der Wechselrichter 5 für das einfache Bereitstellen der Abwärtskompatibilität für das Fahrzeug 2. Um diese Abwärtskompatibilität (dies bedeutet das Laden eines 800- Volt-Fahrzeuges an einer 400-Volt-Ladesäule) erreichen zu können, kann der Wechselrichter 5 als Drei-Level-Wechselrichter, S3-Inverter oder als Drei-Stufen-Inverter in T-Typ-Ausführung ausgebildet sein. Insbesondere kann der Wechselrichter 5 als Drei- Level-Wechselrichter in NPC(Neutral Point Claimedj-Topologie oder als Drei-Punkt- Wechselrichter in NPC-Schaltung ausgebildet sein.
Um die Eingangsspannung UE für das Laden des elektrischen Energiespeichers 4 mittels des Wechselrichters 5 umwandeln zu können, weist der Wechselrichter 5 drei Schaltanordnungen für jede der drei Phasen der elektrischen Drehstrommaschine 3 auf. Dabei kann jede dieser Schaltanordnungen eine Vielzahl an verschiedenen Halbleitern, wie IGBTs oder MOSFETs, aufweisen. Beispielsweise bilden die Kondensatoren C1, C2 und der Mittelabgriff M einen Zwischenkreis des Wechselrichters 5. Insbesondere kann der Wechselrichter 5 eingerichtet sein, den ersten Kondensator C1 und/oder den zweiten Kondensator C2 wahlweise, insbesondere zyklisch, aufzuladen. Somit kann beispielsweise als eine Ausgangsspannung des Wechselrichters eine Summe einer ersten Spannung des ersten Kondensators C1 und einer zweiten Spannung des zweiten Kondensators C2 zum Laden des elektrischen Energiespeichers 4 erzeugt beziehungsweise bereitgestellt werden. Insbesondere kann der Wechselrichter 5 je nachdem, welche Halbleiterschalter des Wechselrichters 5 getaktet sind, der erste Kondensator C1 oder der zweite Kondensator C2 mit der Eingangsspannung UE aufgeladen werden. Somit kann mithilfe der Reihenschaltung aus C1 und C2 eine Ausgangsspannung bereitgestellt werden, welche der Batteriespannung Ußatt entspricht. Folglich kann der elektrische Energiespeicher 4 über die Kondensatoren C1, C2 des Wechselrichters 5 geladen werden. Folglich ist hier anzumerken, dass der Wechselrichter 5 für das Hochsetzen der Eingangsspannung UE zweckentfremdet wird, da die eigentliche Primärfunktion des Wechselrichters 5 das Umwandeln der Batteriespannung Ußatt in eine Wechselspannung für die elektrische Drehstrommaschine 3 ist. Infolgedessen weist der Wechselrichter 5 als zusätzliche Sekundärfunktion das Laden des elektrischen Energiespeichers 4, wenn mittels der Ladestation 8 eine Ladespannung kleiner 500 Volt zur Verfügung gestellt werden kann.
In der nachfolgenden Fig. 2 ist beispielsweise eine Funktionsweise des elektrischen Antriebssystems 1 dargestellt, bei welchem die Schaltvorrichtung 6 in dem zweiten Schaltzustand sich befindet. Mit dem Strompfad SP1 ist beispielsweise der Strompfad dargestellt, wenn ein taktender beziehungsweise taktgebender Halbleiterschalter 9 des Wechselrichters 5 geschlossen ist. Die beiden Halbleiterschalter 10, 11 sind permanent geschlossen während des zweiten Schaltzustands der Schaltvorrichtung 6. Die restlichen Halbleiterschalter des Wechselrichters 5 können geöffnet bleiben oder zur Wirkungsgradoptimierung bei leitfähiger Body-Diode geschlossen werden.
In einem nachfolgenden Taktungsbetrieb beziehungsweise Zyklus wird der Strompfad SP2 eingestellt. Insbesondere sind die beiden Strompfade SP1, SP2 abwechselnd vorliegend. Somit erfolgt ein wechselseitiger, taktender Strompfad SP1 oder SP2. In dem Strompfad SP2 ist nun der taktende Halbleiterschalter 9 geöffnet. Die beiden Halbleiterschalter 10, 11 sind weiterhin geschlossen. Des Weiteren können anstatt des Halbleiterschalters 9 der linken Halbbrücke des Wechselrichters 5 ebenso die Halbleiterschalter 12 oder 13 der mittleren oder rechten Halbbrücke des Wechselrichters 5 verwendet werden. Ein Wechsel zwischen dem taktgebenden Halbleiterschalter 9, 12,
13 wäre von Vorteil, um Alterungsdefekte zu homogenisieren.
In der nachfolgenden Fig. 3 ist ein schematischer Simulationsaufbau des elektrischen Antriebssystems 1 dargestellt. Dabei wird nun der zweite Schaltzustand der Schaltvorrichtung 6 simuliert.
Beispielsweise kann zur verbesserten Verständlichkeit der Stromanstiegs- und Stromfreilaufverläufe auf die Kondensatoren C1 und C2 verzichtet werden. Die Taktfrequenz beträgt beispielsweise 10 Kilohertz, jede Motorwicklung der elektrischen Drehstrommaschine 3 beträgt 1 Millihenry. Der taktende Halbleiterschalter 9 wird bei einer Unterschreitung des Stroms von 80 Ampere eingeschaltet und ab dem Überschreiten von 150 Ampere geöffnet. Die beispielhaften Ergebnisse der Simulation der Fig. 3 sind in der Fig. 4 beispielhaft gezeigt. Dabei ist beispielsweise in dem Verlauf A der Strom der Ladestation 8 dargestellt. Dabei ist hier zu sehen, wie der Strom bei 80 Ampere durch ein Ansteuern des Gates des taktenden Halbleiterschalters 9 mit konstanter Steigung anwächst, bis der Halbleiterschalter 9 bei 150 Ampere wieder öffnet. Dieser Strom ist identisch mit dem Strom in den Motorwicklungen der elektrischen Drehstrommaschine 3. Beispielsweise verfügen die Motorwicklungen L2 und L3 über ein entgegengesetztes Vorzeichen und halbieren sich in dem Strom im Vergleich zur Motorwicklung L1. Dies ist insbesondere in den Verläufen C, D und E zu sehen. In dem Verlauf C ist der Strom von L1 gezeigt und in den Verläufen D und E ist einmal der Strom der Motorwicklungen L2 und L3 gezeigt. In dem Verlauf D ist das angesteuerte Gate des taktenden Halbleiterschalters 9 gezeigt. In dem Verlauf F ist beispielsweise der Stromverlauf in dem elektrischen Energiespeicher 4 dargestellt. Ein Aufladen des elektrischen Energiespeichers 4 erfolgt nur in der Phase bei geöffnetem Halbleiterschalter 9 (Freilaufphase), was dem typischen Verhalten eines Boost- Konverters entspricht.
In der Fig. 5 ist nun beispielhaft der Fall gezeigt, bei welchem sich die Schaltvorrichtung 6 in dem dritten Schaltzustand befindet. Der dritte Schaltzustand kann ebenfalls automatisch geschalten beziehungsweise gewechselt werden. Der dritte Schaltzustand wird dann eingenommen, wenn die Eingangsspannung UE am Ladeanschluss 7 den zweiten vorgegebenen Spannungswert, insbesondere von 400 Volt, aufweist. Hierbei erfolgt nun mittels des Wechselrichters 5 das Erhöhen des positiven Potentials des elektrischen Antriebssystems 1 beziehungsweise des Fahrzeugs 2. In dem dritten Schaltzustand kann das positive Potential des Ladeanschlusses 7 mit dem Mittelabgriff M des Wechselrichters 5 verbunden sein. Das negative Potential N3 des Ladeanschlusses 7 kann mit dem negativen Potential N2 des Wechselrichters 5 verbunden beziehungsweise verschaltet sein. Somit erfolgt hier ebenfalls das Laden des elektrischen Energiespeichers 4 mithilfe des Wechselrichters 5. Hierbei erfolgt ebenfalls in analoger Weise zu dem zweiten Schaltzustand das wechselseitige Aufladen des ersten Kondensators C1 und des zweiten Kondensators C2. Hierbei kann ebenfalls als Ausgangsspannung des Wechselrichters 5 die Summe der ersten Spannung des ersten Kondensators C1 und der zweiten Spannung des zweiten Kondensators C2 bereitgestellt beziehungsweise erzeugt werden. Hierbei können das zweite Ladeschütz S2 und das vierte Ladeschütz S4 geschlossen sein. Insbesondere kann in dieser Ausgestaltungsform die Schaltvorrichtung 6 das erste Ladeschütz S1, das zweite Ladeschütz S2 und das vierte Ladeschütz S4 aufweisen. In der nachfolgenden Fig. 6 sind in analoger Weise zu der Fig. 2 nur die jeweiligen Strompfade SP3, SP4 dargestellt. Jedoch ist hier die Funktionsweise des elektrischen Antriebssystems 1 während beziehungsweise bei dem dritten Schaltzustand der Schaltvorrichtung 6 dargestellt.
In dem Strompfad SP3 ist der Strompfad dargestellt, bei welchem der Halbleiterschalter 14 des Wechselrichters 5 taktend betrieben wird. Die beiden Halbleiterschalter 15, 16 können permanent geschlossen sein. Insbesondere ist in diesem Strompfad SP3 der Halbleiterschalter 14 geschlossen.
In analoger Weise zu den Ausführungen zu Fig. 2 sind hier ebenfalls die beiden Strompfade SP3 und SP4 nicht gleichzeitig, sondern wechselweise ausgeführt. In dem Strompfad SP4 ist nun der Halbleiterschalter 14 geöffnet.
Die anderen Halbleiterschalter können ebenfalls hier geöffnet bleiben oder zur Wirkungsgradoptimierung bei leitfähiger Body-Diode geschlossen werden.
Ebenfalls wie zu dem Gesagten aus der Fig. 2 können hier ebenfalls die Halbleiterschalter der jeweiligen Halbbrücken des Wechselrichters 5 abwechselnd verwendet werden.
Zu dem Simulationsaufbau und Simulationsergebnissen können hier in ähnlicherWeise der Simulationsaufbau und die Simulationsergebnisse der Fig. 3 und 4 betrachtet werden.
Bezugszeichenliste
1 elektrisches Antriebssystem
2 Fahrzeug
3 elektrische Drehstrommaschine
4 elektrischer Energiespeicher
5 Wechselrichter
6 Schaltvorrichtung
7 Ladeanschluss
8 Ladestation
9 bis 16 Halbleiterschalter C1, C2 erster und zweiter Kondensator L1, L2, L3 Motorwicklungen
UBatt Batteriespannung
UE Eingangsspannung
P1, P2, P3 positive Potentiale N 1 , N3, N3 negative Potentiale S1, S2, S3, S4 erstes bis viertes Ladeschütz SP1, SP2, SP3, SP4 Strom pfade

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Antriebssystem (1) für ein Fahrzeug (2), mit
- einer elektrischen Drehstrommaschine (3),
- einem elektrischen Energiespeicher (4) zum elektrischen Versorgen der elektrischen Drehstrommaschine (3),
- einem Wechselrichter (5), der an die elektrische Drehstrommaschine (3) angeschlossen ist, wobei ein positives Potential (P1) des elektrischen Energiespeichers (4) mit einem positiven Potential (P2) des Wechselrichters (5) und ein negatives Potential (N1) des elektrischen Energiespeichers (4) mit einem negativen Potential (N2) des Wechselrichters (5) verbunden ist, und
- einer Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator (C1) und einem zweiten Kondensator (C2), welche zwischen das positive und negative Potential (P1, N2) des Wechselrichters (5) geschaltet ist, wobei zwischen dem ersten Kondensator (C1) und dem zweiten Kondensator (C2) ein Mittelabgriff (M) des Wechselrichters (5) ausgebildet ist, gekennzeichnet, durch
- eine Schaltvorrichtung (6), welche aufweist:
- einen ersten Schaltzustand, in welchem ein positives Potential (P3) eines Ladeanschlusses (7) mit dem positiven Potential (P1) des elektrischen Energiespeichers (4) und ein negatives Potential (N3) des Ladeanschlusses (7) mit ein negatives Potential (N2) des elektrischen Energiespeichers (4) verbunden sind, sodass der elektrische Energiespeicher (4) mit einer Eingangsspannung (UE), welche am Ladeanschluss (7) anliegt, aufladbar ist,
- einen zweiten Schaltzustand, in welchem das positive Potential (P3) des Ladeanschlusses (7) mit dem positiven Potential (P1) des elektrischen Energiespeichers (4) und das negative Potential (N3) des Ladeanschlusses (7) mit dem Mittelabgriff (M) des Wechselrichters (5) verbunden sind, sodass der elektrische Energiespeicher (4) in Abhängigkeit vom dem Wechselrichter (5) aufladbar ist, und/oder
- einen dritten Schaltzustand, in welchem das positive Potential (P3) des Ladeanschlusses (7) mit dem Mittelabgriff (M) des Wechselrichters (5) und das negative Potential (N3) des Ladeanschlusses (7) mit dem negativen Potential (N2) des Wechselrichters (5) verbunden sind, sodass der elektrische Energiespeicher (4) in Abhängigkeit vom dem Wechselrichter (5) aufladbar ist, wobei der Wechselrichter (5) eingerichtet ist, den ersten Kondensator (C1) und/oder den zweiten Kondensator (C2) aufzuladen, und als eine Ausgangsspannung des Wechselrichters (5) eine Summe einer ersten Spannung des ersten Kondensators (C1) und einer zweiten Spannung des zweiten Kondensators (C2) zum Laden des elektrischen Energiespeichers (4) bereitgestellt ist.
2. Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (5) als 3-Level-T-Typ-lnverter ausgebildet ist.
3. Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (5) eingerichtet ist, in dem zweiten Schaltzustand eine Spannungsdifferenz zwischen einer Batteriespannung (UBatt) des elektrischen Energiespeichers (4) und der Eingangsspannung (UE) anzupassen, indem ein Spannungsniveau der negativen Potentiale (N1, N2, N3) um diese Spannungsdifferenz abgesenkt wird, und in dem dritten Schaltzustand eine Spannungsdifferenz zwischen der Batteriespannung (UBatt) und der Eingangsspannung (UE) anzupassen, indem ein Spannungsniveau der positiven Potentiale (P1, P2, P3) um diese Spannungsdifferenz erhöht wird.
4. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (6) aufweist:
- ein erstes Ladeschütz (S1) zum Verbinden des positiven Potential (P3) des Ladeanschlusses (7) mit dem positiven Potential (P1) des elektrischen Energiespeichers (4), und - ein zweites Ladeschütz (S2) zum Verbinden des positiven Potential (P3) des Ladeanschlusses (7) mit dem Mittelabgriff (M) des Wechselrichters (5), oder
- ein drittes Ladeschütz (S3) zum Verbinden des negativen Potential (N3) des Ladeanschlusses (7) mit dem Mittelabgriff (M) des Wechselrichters (5), und
- ein viertes Ladeschütz (S4) zum Verbinden des negativen Potentials (N3) des Ladeanschlusses (7) mit dem negativen Potential (N1) des elektrischen Energiespeichers (4).
5. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (6) dazu eingerichtet ist, in den ersten Schaltzustand automatisch zu wechseln, wenn die Eingangsspannung (UE) des Ladeanschlusses (7) einen ersten vorgegebenen Spannungswert aufweist.
6. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (6) dazu eingerichtet ist, in den zweiten Schaltzustand automatisch zu wechseln, wenn die Eingangsspannung (UE) des Ladeanschlusses (7) einen zweiten vorgegebenen Spannungswert aufweist und der Wechselrichter (5) als Aufwärtswandler zum Absenken eines Spannungsniveaus der negativen (N 1 , N2, N3) Potentiale betrieben wird.
7. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (6) dazu eingerichtet ist, in den dritten Schaltzustand automatisch zu wechseln, wenn die Eingangsspannung (UE) des Ladeanschlusses (7) einen zweiten vorgegebenen Spannungswert aufweist und der Wechselrichter (5) als Aufwärtswandler zur Erhöhung eines Spannungsniveaus der positiven Potentials (P1, P2, P3) betrieben wird.
8. Fahrzeug (2) mit einem elektrischen Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7.
9. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei - die elektrische Drehstrommaschine (3) mit dem elektrischen Energiespeicher (4) elektrisch versorgt wird, gekennzeichnet, durch
- Schalten der Schaltvorrichtung (6) des elektrischen Antriebssystems (1) in den ersten Schaltzustand, sodass der elektrische Energiespeicher (4) mit der Eingangsspannung (UE) aufgeladen wird,
- Schalten der Schaltvorrichtung (6) in den zweiten Schaltzustand, sodass der elektrische Energiespeicher (4) in Abhängigkeit vom dem Wechselrichter (5) aufgeladen wird, und/oder
- Schalten der Schaltvorrichtung (6) in den dritten Schaltzustand, sodass der elektrische Energiespeicher (4) in Abhängigkeit vom dem Wechselrichter (5) aufgeladen wird.
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