WO2024017805A1

WO2024017805A1 - Fahrzeug und verfahren zu dessen betrieb

Info

Publication number: WO2024017805A1
Application number: PCT/EP2023/069731
Authority: WO
Inventors: Markus Orner; Nathan Tröster; Urs Boehme; Jörg Weigold
Original assignee: Mercedes-Benz Group AG
Priority date: 2022-07-18
Filing date: 2023-07-14
Publication date: 2024-01-25
Also published as: DE102022002606A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug (1), aufweisend: - eine Traktionsbatterie (2), - eine Antriebseinheit (4) mit einer Drehstrommaschine (5) und einem mit der Drehstrommaschine (5) elektrisch gekoppelten Inverter (6), wobei der Inverter (6) mit der Traktionsbatterie (2) elektrisch gekoppelt ist, und - einen Ladeanschluss (7) zum elektrischen Koppeln mit einer fahrzeugexternen Gleichstromladestation (3). Erfindungsgemäß ist der Inverter (6) als ein Flying Capacitor Inverter ausgebildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des Fahrzeugs (1).

Description

Fahrzeug und Verfahren zu dessen Betrieb

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Betrieb.

Aus dem Stand der Technik sind, wie in der DE 10 2019217 666 A1 und in der US 2020/0361323 A1 beschrieben, ein Ladesystem mit mehreren Eingängen und ein Verfahren unter Verwendung eines Motorantriebssystems bekannt. Ein Mehrfacheingangs-Ladesystem unter Verwendung des Motorantriebssystems umfasst einen Wechselrichter, der mit einer Batterie verbunden ist, die ladbar ist. Der Wechselrichter umfasst eine Vielzahl von Schaltelementen. Das Mehrfacheingangs-Ladesystem umfasst des Weiteren einen Motor, der mit dem Wechselrichter verbunden ist und eingerichtet ist, um den Wechselrichter mit Strom zu versorgen, der an einen Neutralpunkt des Motors bereitgestellt wird, ein erstes Relais, dessen eines Ende mit der Batterie verbunden ist und dessen gegenüberliegendes Ende mit einem Ladeleistungs-Eingangsanschluss verbunden ist, an den von außen eine Gleichstrom-Ladeleistung angelegt wird, ein zweites Relais, dessen eines Ende mit dem Neutralpunkt verbunden ist und dessen gegenüberliegendes Ende mit dem Ladeleistungs-Eingangsanschluss verbunden ist, einen Neutralpunktkondensator, der mit dem gegenüberliegenden Ende des ersten Relais und dem gegenüberliegenden Ende des zweiten Relais verbunden ist und eingerichtet ist, um eine Eingangsladespannung zu bilden, ein drittes Relais, dessen eines Ende mit dem Neutralpunktkondensator verbunden ist und dessen gegenüberliegendes Ende mit dem

Ladeleistungs-Eingangsanschluss verbunden ist, und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um in einem Lademodus zum Laden der Batterie das dritte Relais einzuschalten, das erste Relais und das zweite Relais auf der Grundlage einer Größe der Gleichstrom-Ladespannung wahlweise einzuschalten, um die Gleichstrom-Ladeleistung an die Batterie zuzuführen, und die Vielzahl von Schaltelementen des Wechselrichters zu steuern, um den Neutralpunktkondensator zwangsweise zu entladen, wenn das Laden der Batterie abgeschlossen ist. In der DE 102019 116 769 A1 werden ein Brückenschaltkreis und eine Ladungspumpe beschrieben. Der Brückenschaltkreis umfasst einen ersten Kondensator, einen zweiten Kondensator, einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter, eine erste Diode und eine zweite Diode. Der erste Kondensator und der zweite Kondensator sind in Reihe geschaltet und bilden einen Versorgungsschaltkreis. Parallel zum Versorgungsschaltkreis ist ein erster Halbbrückenschaltkreis geschaltet, welcher den ersten Schalter, den zweiten Schalter, die erste Diode, die zweite Diode und einen ersten resonanten Hauptschaltkreis aufweist. Der erste Schalter und der zweite Schalter sind an einem ersten Brückenpunkt in Reihe geschaltet und parallel zum ersten Kondensator angeordnet. Die erste Diode und die zweite Diode sind an einem zweiten Brückenpunkt in Reihe geschaltet und parallel zum zweiten Kondensator angeordnet. Der erste resonante Hauptschaltkreis ist an dem ersten Brückenpunkt und dem zweiten Brückenpunkt angeschlossen. Am ersten resonanten Hauptschaltkreis ist ein Entlastungsschaltkreis in dem zweiten Brückenpunkt angeschlossen. Der Entlastungsschaltkreis ist als ein zweiter Halbbrückenschaltkreis aufgebaut und so eingerichtet, dass er beim Schalten des ersten und/oder des zweiten Schalters, wenn im Wesentlichen kein Strom im ersten resonanten Hauptschaltkreis fließt, einen Stromfluss im Brückenpunkt aufrechterhält.

Aus der DE 102021 003 852 A1 sind ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden elektrischen Antriebssystems bekannt. Das elektrische Antriebssystem umfasst eine elektrische Drehstrommaschine zum Antreiben des Fahrzeugs, einen elektrischen Energiespeicher zum elektrischen Versorgen der elektrischen Drehstrommaschine während eines Fährbetriebs des Fahrzeugs, einen Wechselrichter der elektrischen Drehstrommaschine, welcher mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch gekoppelt ist, und einen fahrzeugseitigen Ladeanschluss zum elektrischen Koppeln des elektrischen Energiespeichers mit einer fahrzeugexternen Ladeeinheit. In Abhängigkeit von dem Wechselrichter ist eine Ladespannung des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses in eine Versorgungsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers umwandelbar.

In der DE 102021 003 883 werden ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug mit einem entsprechenden elektrischen Antriebssystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden elektrischen Antriebssystems beschrieben. Das elektrische Antriebssystem weist eine Schaltvorrichtung auf. Die Schaltvorrichtung umfasst einen ersten Schaltzustand, in welchem ein Ladeanschluss mit einem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs direkt verbunden ist, sodass der elektrische Energiespeicher mit einer Eingangsspannung, welche am Ladeanschluss anliegt, aufladbar ist, und einen zweiten und dritten Schaltzustand, in welchem der Ladeanschluss über einen Wechselrichter mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden ist, sodass der elektrische Energiespeicher in Abhängigkeit von dem Wechselrichter aufladbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Fahrzeug und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Betrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 8.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Fahrzeug umfasst eine Traktionsbatterie, eine Antriebseinheit mit einer Drehstrommaschine und einem mit der Drehstrommaschine elektrisch gekoppelten Inverter, wobei der Inverter mit der Traktionsbatterie elektrisch gekoppelt ist, und einen Ladeanschluss zum elektrischen Koppeln mit einer fahrzeugexternen Gleichstromladestation.

Die Traktionsbatterie ist insbesondere eine Hochvoltbatterie. Unter dem Begriff „Hochvolt“, auch mit HV abgekürzt, ist insbesondere eine elektrische Gleichspannung zu verstehen, die insbesondere größer als etwa 60 V ist. Insbesondere ist der Begriff „Hochvolt“ konform zur Norm ECE R 100 auszulegen. Die Traktionsbatterie dient insbesondere einer elektrischen Energieversorgung der Antriebseinheit zum Antrieb des Fahrzeugs.

Erfindungsgemäß ist der Inverter als ein Flying Capacitor Inverter ausgebildet, insbesondere als ein drei Phasen drei Level Inverter mit Flying Capacitors.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb des Fahrzeugs wird zum Laden der Traktionsbatterie durch eine mit dem Ladeanschluss elektrisch gekoppelte Gleichstromladestation, deren Ladespannung geringer ist als eine Nennspannung der Traktionsbatterie, die Ladespannung mittels des Inverters in eine Spannung mit einem Spannungswert umgewandelt, der mindestens der Nennspannung der Traktionsbatterie entspricht. Insbesondere ist zudem vorgesehen, dass in einem Fährbetrieb des Fahrzeugs eine von der Traktionsbatterie bereitgestellte Gleichspannung mittels des Inverters in eine Wechselspannung zur elektrischen Energieversorgung der Drehstrommaschine umgewandelt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden somit vorteilhafterweise im Fahrzeug ohnehin bereits vorhandene Komponenten, insbesondere der Inverter, welcher bereits zur Umwandlung der Gleichspannung der Traktionsbatterie in eine Wechselspannung für die Drehstrommaschine im Fahrzeug vorgesehen ist, zusätzlich dazu verwendet, die Traktionsbatterie mit einer durch eine Gleichstromladestation bereitgestellten Gleichspannung zu laden, die geringer ist als die Nennspannung der Traktionsbatterie. Als zusätzliche Bauteile werden beispielsweise lediglich Filter und Schütze benötigt.

Um dies zu ermöglichen, ist insbesondere vorgesehen, dass der Inverter zwischen einer positiven Potentialleitung und einer negativen Potentialleitung drei parallele Stränge, jeweils auch als Phase bezeichnet, mit jeweils vier elektrisch in Reihe geschalteten Halbleiterschalteinheiten aufweist, wobei jeweils ein Inverterkondensator zwischen einem Abgriff zwischen der ersten Halbleiterschalteinheit und der zweiten Halbleiterschalteinheit und einem Abgriff zwischen der dritten Halbleiterschalteinheit und der vierten Halbleiterschalteinheit des jeweiligen Strangs angeordnet ist. Die Halbleiterschalteinheiten weisen insbesondere jeweils einen Halbleiterschalter und eine Diode auf. Die Halbleiterschalter sind insbesondere jeweils als ein Bipolartransistor mit isolierter Gate Elektrode ausgebildet.

Insbesondere ist vorgesehen, dass Mittelabgriffe der Stränge mit jeweils einer Motorwicklung der Drehstrommaschine elektrisch gekoppelt sind.

Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Potentialanschluss des Ladeanschlusses mit einem Sternpunkt der Drehstrommaschine elektrisch gekoppelt ist und der andere Potentialanschluss des Ladeanschlusses über die das gleiche Potential aufweisende Potentialleitung des Inverters mit dem gleichen Potential der Traktionsbatterie elektrisch gekoppelt ist. Unter dem Begriff gleiches Potential ist insbesondere das gleiche Vorzeichen des Potentials zu verstehen, d. h. das gleiche Potential ist entweder das positive Potential oder das negative Potential. In einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass an einer Traktionsbatterieseite des Inverters zwischen den beiden Potentialleitungen eine elektrische Reihenschaltung aus zwei Ausgangskondensatoren angeordnet ist, wobei der Potentialanschluss des Ladeanschlusses, welcher mit dem Sternpunkt der Drehstrommaschine elektrisch gekoppelt ist, zusätzlich mit einem Mittelabgriff zwischen diesen beiden Ausgangskondensatoren elektrisch gekoppelt ist. Alternativ ist beispielsweise vorgesehen, dass an der Traktionsbatterieseite des Inverters zwischen den beiden Potentialleitungen nur ein Ausgangskondensator angeordnet ist.

Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Ladeanschluss mit einem Eingangskondensator elektrisch gekoppelt ist.

In dem Verfahren zum Betrieb des Fahrzeugs ist insbesondere vorgesehen, dass zum Laden der Traktionsbatterie durch eine mit dem Ladeanschluss elektrisch gekoppelte Gleichstromladestation, deren Ladespannung geringer ist als die Nennspannung der Traktionsbatterie, in einem der Stränge des Inverters in einem ersten Schritt der der Potentialleitung des Inverters, die mit dem Ladeanschluss elektrisch gekoppelt ist, nächstliegende Halbleiterschalter geschlossen wird und der nachfolgende Halbleiterschalter geöffnet bleibt, und in einem zweiten Schritt der der Potentialleitung des Inverters, die mit dem Ladeanschluss elektrisch gekoppelt ist, nächstliegende Halbleiterschalter geöffnet wird und anschließend der nachfolgende Halbleiterschalter geschlossen wird.

Bei dieser Lösung bildet ein Zusammenspiel der Motorinduktivität der Drehstrommaschine mit dem Inverterkondensator der Flying-Capacitor-Brücke des Inverters einen Resonanzschwingkreis. Dadurch können Verluste in den Halbleitern minimiert werden oder günstige Halbleiter verwendet werden. Des Weiteren können EMV-Filter (EMV = Elektromagnetische Verträglichkeit) günstig gehalten werden, da ein Oberwellenanteil von Störungen sehr gering ist.

Mittels der erfindungsgemäßen Lösung kann somit ohne oder mit nur einem geringen Zusatzaufwand die Traktionsbatterie auch an einer Gleichstromladestation geladen werden, deren Ladespannung geringer ist als die Nennspannung der Traktionsbatterie. Beispielsweise beträgt die Nennspannung der Traktionsbatterie 800V und die Ladespannung 400V. Wie beschrieben, wird hierfür als Inverter-Topologie der Flying Capacitor Inverter verwendet, wobei, um dieses Laden der Traktionsbatterie zu ermöglichen, d. h. um die geringe Ladespannung auf das Niveau der Nennspannung der Traktionsbatterie anzuheben, ein Potentialanschluss des Ladeanschlusses und somit ein Pol der mit dem Ladeanschluss elektrisch gekoppelten Gleichstromladestation mit dem Sternpunkt der Drehstrommaschine verbunden, und der andere Potentialanschluss des Ladeanschlusses und somit der andere Pol der mit dem Ladeanschluss elektrisch gekoppelten Gleichstromladestation wird mit dem das gleiche Potential aufweisenden Pol der Traktionsbatterie verbunden. Die dadurch entstandene Verschaltung bietet die Möglichkeit, als resonante Ladungspumpe arbeiten zu können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform eines mit einer Gleichstromladestation gekoppelten Fahrzeugs,

Fig. 2 schematisch einen ersten Schritt einer Funktionsweise der Ausführungsform gemäß Figur 1 ,

Fig. 3 schematisch einen zweiten Schritt der Funktionsweise der Ausführungsform gemäß Figur 1 ,

Fig. 4 schematisch eine Funktionsweise eines Details der Ausführungsform gemäß Figur 1 ,

Fig. 5 schematisch eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Figur 1 ,

Fig. 6 schematisch einen ersten Schritt einer Funktionsweise einer weiteren Ausführungsform eines mit einer Gleichstromladestation gekoppelten Fahrzeugs,

Fig. 7 schematisch einen zweiten Schritt der Funktionsweise der weiteren Ausführungsform,

Fig. 8 schematisch eine Funktionsweise eines Details der weiteren Ausführungsform, und Fig. 9 schematisch eine Abwandlung der weiteren Ausführungsform.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Figuren 1 bis 9 zeigen ein Fahrzeug 1 und dessen Funktionsweise während eines Ladens einer Traktionsbatterie 2 des Fahrzeugs 1 an einer fahrzeugexternen Gleichstromladestation 3, deren Ladespannung geringer ist als eine Nennspannung der Traktionsbatterie 2. Dabei ist das Fahrzeug 1 in den Figuren 1 bis 9 jeweils bereits mit der Gleichstromladestation 3 elektrisch gekoppelt. Dargestellt in den Figuren 1 bis 9 sind jeweils auch ein Innenwiderstand Ril der Gleichstromladestation 3 und ein Innenwiderstand Rib der Traktionsbatterie 2.

Das Fahrzeug 1 umfasst die Traktionsbatterie 2, eine Antriebseinheit 4 mit einer Drehstrommaschine 5 und einem mit der Drehstrommaschine 5 elektrisch gekoppelten Inverter 6, wobei der Inverter 6 mit der Traktionsbatterie 2 elektrisch gekoppelt ist, und einen Ladeanschluss 7 zum elektrischen Koppeln mit der fahrzeugexternen Gleichstromladestation 3.

Der Inverter 6 ist als ein Flying Capacitor Inverter ausgebildet, insbesondere als ein drei Phasen drei Level Inverter mit Flying Capacitors.

Der Inverter 6 weist zwischen einer positiven Potentialleitung und einer negativen Potentialleitung drei parallele Stränge S1, S2, S3 mit jeweils vier elektrisch in Reihe geschalteten Halbleiterschalteinheiten S11 bis S34 auf, wobei jeweils ein Inverterkondensator C1 , C2, C3 zwischen einem Abgriff zwischen der ersten Halbleiterschalteinheit S11 , S21 , S31 und der zweiten

Halbleiterschalteinheit S12, S22, S32 und einem Abgriff zwischen der dritten Halbleiterschalteinheit S13, S23, S33 und der vierten

Halbleiterschalteinheit S14, S24, S34 des jeweiligen Strangs S1, S2, S3 angeordnet ist. Die Halbleiterschalteinheiten S11 bis S34 weisen insbesondere jeweils einen Halbleiterschalter und eine Diode, insbesondere Bodydiode, auf.

Mittelabgriffe der Stränge S1, S2, S3 sind mit jeweils einer Motorwicklung L1 , L2, L3 der Drehstrommaschine 5 elektrisch gekoppelt. Ein Potentialanschluss des Ladeanschlusses 7 und somit der mit diesem Potentialanschluss verbundene Pol der Gleichstromladestation 3 ist mit einem Sternpunkt SP der Drehstrommaschine 5 elektrisch gekoppelt. Der andere Potentialanschluss des Ladeanschlusses 7 und somit der mit diesem Potentialanschluss verbundene andere Pol der Gleichstromladestation 3 ist über die das gleiche Potential HV+, HV- aufweisende Potentialleitung des Inverters 6 mit dem gleichen Potential HV+, HV- der Traktionsbatterie 2 elektrisch gekoppelt.

Wie in den Figuren 1 bis 4 und 6 bis 8 gezeigt, kann zudem vorgesehen sein, dass an einer Traktionsbatterieseite des Inverters 6 zwischen den beiden Potentialleitungen eine elektrische Reihenschaltung aus zwei Ausgangskondensatoren Ca1, Ca2 angeordnet ist, wobei der Potentialanschluss des Ladeanschlusses 7, welcher mit dem Sternpunkt SP der Drehstrommaschine 5 elektrisch gekoppelt ist, zusätzlich mit einem Mittelabgriff zwischen diesen beiden Ausgangskondensatoren Ca1 , Ca2 elektrisch gekoppelt ist. Alternativ kann, wie in den Figuren 5 und 9 gezeigt, vorgesehen sein, dass an der Traktionsbatterieseite des Inverters 6 zwischen den beiden Potentialleitungen nur ein Ausgangskondensator Ca angeordnet ist.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Ladeanschluss 7 mit einem Eingangskondensator Ce elektrisch gekoppelt ist, d. h. die Potentialanschlüsse des Ladeanschlusses 7 sind mit jeweils einem Anschluss des Eingangskondensators Ce elektrisch gekoppelt.

Die beschriebene und in den Figuren 1 bis 9 dargestellte Verschaltung bietet die Möglichkeit, als resonante Ladungspumpe arbeiten zu können und somit die Ladespannung der Gleichstromladestation 3 auf das Niveau der Nennspannung der Traktionsbatterie 2 anzuheben. Dabei wird der Resonanzkreis durch die Motorinduktivität, d. h. durch die Motorwicklung L1 , L2 oder L3, und den Inverterkondensator C1, C2 oder C3 der Flying-Capacitor-Brücke gebildet.

Die in den Figuren 1 bis 4 und 6 bis 8 gezeigten Ausführungsformen, in denen an der Traktionsbatterieseite des Inverters 6 zwischen den beiden Potentialleitungen die elektrische Reihenschaltung der zwei Ausgangskondensatoren Ca1, Ca2 angeordnet ist, wobei der Potentialanschluss des Ladeanschlusses 7, welcher mit dem Sternpunkt SP der Drehstrommaschine 5 elektrisch gekoppelt ist, zusätzlich mit dem Mittelabgriff zwischen diesen beiden Ausgangskondensatoren Ca1 , Ca2 elektrisch gekoppelt ist, bietet zudem die Möglichkeit, Vorteile in der Leistungsübertragung und der EMV zu nutzen. In einem Verfahren zum Betrieb des Fahrzeugs 1 ist insbesondere vorgesehen, dass zum Laden der Traktionsbatterie 2 durch die mit dem Ladeanschluss 7 elektrisch gekoppelte Gleichstromladestation 3, deren Ladespannung geringer ist als die Nennspannung der Traktionsbatterie 2, in einem der Stränge S1, S2, S3 des Inverters 6 in einem ersten Schritt der der Potentialleitung des Inverters 6, die mit dem Ladeanschluss 7 elektrisch gekoppelt ist, nächstliegende Halbleiterschalter S11 , S21 , S31 , S14, S24, S34 geschlossen wird und der nachfolgende Halbleiterschalter S12, S22, S32, S13, S23, S33 geöffnet bleibt, und in einem zweiten Schritt der der Potentialleitung des Inverters 6, die mit dem Ladeanschluss 7 elektrisch gekoppelt ist, nächstliegende Halbleiterschalter S11 , S21 , S31 , S14, S24, S34 geöffnet wird und anschließend der nachfolgende Halbleiterschalter S12, S22, S32, S13, S23, S33 geschlossen wird.

Im Folgenden wird die Lösung anhand der Figuren 1 bis 9 nochmals detailliert beschrieben.

Bei der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 bis 5 ist der negative Potentialanschluss des Ladeanschlusses 7 und somit der mit diesem negativen Potentialanschluss verbundene negative Pol der Gleichstromladestation 3 mit dem Sternpunkt SP der Drehstrommaschine 5 elektrisch gekoppelt. Der positive Potentialanschluss des Ladeanschlusses 7 und somit der mit diesem positiven Potentialanschluss verbundene positive Pol der Gleichstromladestation 3 ist über die das positive Potential HV+ aufweisende Potentialleitung des Inverters 6 mit dem positiven Potential HV+ der Traktionsbatterie 2 elektrisch gekoppelt. Bei dieser Ausführungsform wird somit das negative Potential HV- der Gleichstromladestation 3 weiter abgesenkt, während das positive Potential HV+ zwischen der Gleichstromladestation 3 und der Traktionsbatterie 2 auf gleichem Niveau bleibt.

In der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 bis 4 ist der negative Potentialanschluss des Ladeanschlusses 7, welcher mit dem Sternpunkt SP der Drehstrommaschine 5 elektrisch gekoppelt ist, zusätzlich mit dem Mittelabgriff zwischen den beiden Ausgangskondensatoren Ca1, Ca2 elektrisch gekoppelt.

Die Figuren 2 und 3 zeigen die Funktionsweise dieser Ausführungsform.

Im in Figur 2 gezeigten ersten Schritt wird die erste Halbleiterschalteinheit S11 des ersten Strangs S1 geschlossen und die zweite Halbleiterschalteinheit S12 des ersten Strangs S1 bleibt geöffnet. An der Reihenschaltung von erstem Inverterkondensator C1 und erster Motorwicklung L1 liegt die Ladespannung der Gleichstromladestation 3 an. Die erste Motorwicklung L1 und der erste Inverterkondensator C1 bilden dabei einen Resonanzkreis. Der Strom baut sich mit einer Sinus-Halbschwingung auf und wieder ab. Dabei wird der erste Inverterkondensator C1 aufgeladen.

Im in Figur 3 gezeigten zweiten Schritt wird die erste Halbleiterschalteinheit S11 des ersten Strangs S1 geöffnet und anschließend wird die zweite Halbleiterschalteinheit S12 des ersten Strangs S1 geschlossen. Die Spannung des ersten Inverterkondensators C1 wird nun mit der Ladespannung der Gleichstromladestation 3 in Reihe geschaltet und addiert sich. Der Strom baut sich mit einer Sinus-Halbschwingung auf und wieder ab. Dabei wird der erste Inverterkondensator C1 entladen. Die Stromrichtung in der ersten Motorwicklung L1 bleibt dabei identisch zum ersten Schritt. Der Stromkreis verläuft nun von der Gleichstromladestation 3 über die Traktionsbatterie 2, die vierte Halbleiterschalteinheit S14 des ersten Strangs S1, insbesondere deren Bodydiode, den ersten Inverterkondensator C1 , die zweite Halbleiterschalteinheit S12 des ersten Strangs S1 und die erste Motorwicklung L1. Die Traktionsbatterie 2 wird somit geladen.

Die dritte und vierte Halbleiterschalteinheit S13, S14 des ersten Strangs S1 wirken im gesamten Ablauf nur als Diode, insbesondere Bodydiode.

Figur 4 zeigt die Funktionsweise der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 bis 3, wenn der negative Potentialanschluss des Ladeanschlusses 7, welcher mit dem Sternpunkt SP der Drehstrommaschine 5 elektrisch gekoppelt ist, zusätzlich mit dem Mittelabgriff zwischen den beiden Ausgangskondensatoren Ca1, Ca2 elektrisch gekoppelt ist. Dadurch liegt der erste Ausgangskondensator Ca1 immer parallel zur Gleichstromladestation 3 und zum Eingangskondensator Ce. Die Ladungspumpe erzeugt mit ihrer Spannungserhöhung eine Erhöhung an der Reihenschaltung der beiden Ausgangskondensatoren Ca1, Ca2, d. h. weil der erste Ausgangskondensator Ca1 konstant auf dem Niveau der Ladespannung der Gleichstromladestation 3 ist, wird nur der zweite Ausgangskondensator Ca2 geladen.

Figur 5 zeigt die Ausführungsform gemäß den Figuren 1 bis 3, bei der jedoch nur ein Ausgangskondensator Ca vorhanden ist und somit der negative Potentialanschluss des Ladeanschlusses 7, welcher mit dem Sternpunkt SP der Drehstrommaschine 5 elektrisch gekoppelt ist, nicht zusätzlich mit dem Mittelabgriff zwischen den beiden Ausgangskondensatoren Ca1, Ca2 elektrisch gekoppelt ist. Die Schaltung ist dennoch weiterhin grundsätzlich funktionsfähig, um das Laden der Traktionsbatterie 2 an der Gleichstromladestation 3, deren Ladespannung geringer ist als die Nennspannung der Traktionsbatterie 2, zu ermöglichen.

Bei der Ausführungsform gemäß den Figuren 6 bis 9 ist der positive Potentialanschluss des Ladeanschlusses 7 und somit der mit diesem positiven Potentialanschluss verbundene positive Pol der Gleichstromladestation 3 mit dem Sternpunkt SP der Drehstrommaschine 5 elektrisch gekoppelt. Der negative Potentialanschluss des Ladeanschlusses 7 und somit der mit diesem negativen Potentialanschluss verbundene negative Pol der Gleichstromladestation 3 ist über die das negative

Potential HV- aufweisende Potentialleitung des Inverters 6 mit dem negativen

Potential HV- der Traktionsbatterie 2 elektrisch gekoppelt. Bei dieser Ausführungsform wird somit das positive Potential HV+ der Gleichstromladestation 3 weiter abgesenkt, während das negative Potential HV- zwischen der Gleichstromladestation 3 und der Traktionsbatterie 2 auf gleichem Niveau bleibt.

In der Ausführungsform gemäß den Figuren 6 bis 8 ist der positive Potentialanschluss des Ladeanschlusses 7, welcher mit dem Sternpunkt SP der Drehstrommaschine 5 elektrisch gekoppelt ist, zusätzlich mit dem Mittelabgriff zwischen den beiden Ausgangskondensatoren Ca1, Ca2 elektrisch gekoppelt.

Die Figuren 6 und 7 zeigen die Funktionsweise dieser Ausführungsform.

Im in Figur 6 gezeigten ersten Schritt wird die vierte Halbleiterschalteinheit S14 des ersten Strangs S1 geschlossen und die dritte Halbleiterschalteinheit S13 des ersten Strangs S1 bleibt geöffnet. An der Reihenschaltung von erstem Inverterkondensator C1 und erster Motorwicklung L1 liegt die Ladespannung der Gleichstromladestation 3 an. Die erste Motorwicklung L1 und der erste Inverterkondensator C1 bilden dabei einen Resonanzkreis. Der Strom baut sich mit einer Sinus-Halbschwingung auf und wieder ab. Dabei wird der erste Inverterkondensator C1 aufgeladen.

Im in Figur 7 gezeigten zweiten Schritt wird die vierte Halbleiterschalteinheit S14 des ersten Strangs S1 geöffnet und anschließend wird die dritte Halbleiterschalteinheit S13 des ersten Strangs S1 geschlossen. Die Spannung des ersten Inverterkondensators C1 wird nun mit der Ladespannung der Gleichstromladestation 3 in Reihe geschaltet und addiert sich. Der Strom baut sich mit einer Sinus-Halbschwingung auf und wieder ab. Dabei wird der erste Inverterkondensator C1 entladen. Die Stromrichtung in der ersten Motorwicklung L1 bleibt dabei identisch zum ersten Schritt. Der Stromkreis verläuft nun von der Gleichstromladestation 3 über die erste Motorwicklung L1 , die dritte Halbleiterschalteinheit S13 des ersten Strangs S1, den ersten Inverterkondensator C1 , die zweite Halbleiterschalteinheit S12 des ersten Strangs S1, insbesondere deren Bodydiode, die Traktionsbatterie 2 und zurück. Die Traktionsbatterie 2 wird somit geladen.

Die erste und zweite Halbleiterschalteinheit S11, S12 des ersten Strangs S1 wirken im gesamten Ablauf nur als Diode, insbesondere Bodydiode.

Figur 8 zeigt die Funktionsweise der Ausführungsform gemäß den Figuren 6 und 7, wenn der positive Potentialanschluss des Ladeanschlusses 7, welcher mit dem Sternpunkt SP der Drehstrommaschine 5 elektrisch gekoppelt ist, zusätzlich mit dem Mittelabgriff zwischen den beiden Ausgangskondensatoren Ca1, Ca2 elektrisch gekoppelt ist. Dadurch liegt der zweite Ausgangskondensator Ca2 immer parallel zur Gleichstromladestation 3 und zum Eingangskondensator Ce. Die Ladungspumpe erzeugt mit ihrer Spannungserhöhung eine Erhöhung an der Reihenschaltung der beiden Ausgangskondensatoren Ca1, Ca2, d. h. weil der zweite Ausgangskondensator Ca2 konstant auf dem Niveau der Ladespannung der Gleichstromladestation 3 ist, wird nur der erste Ausgangskondensator Ca1 geladen.

Figur 9 zeigt die Ausführungsform gemäß den Figuren 6 und 7, bei der jedoch nur ein Ausgangskondensator Ca vorhanden ist und somit der positive Potentialanschluss des Ladeanschlusses 7, welcher mit dem Sternpunkt SP der Drehstrommaschine 5 elektrisch gekoppelt ist, nicht zusätzlich mit dem Mittelabgriff zwischen den beiden Ausgangskondensatoren Ca1, Ca2 elektrisch gekoppelt. Die Schaltung ist dennoch weiterhin grundsätzlich funktionsfähig, um das Laden der Traktionsbatterie 2 an der Gleichstromladestation 3, deren Ladespannung geringer ist als die Nennspannung der Traktionsbatterie 2, zu ermöglichen.

Bezugszeichenliste

1 Fahrzeug

2 Traktionsbatterie

3 Gleichstromladestation

4 Antriebseinheit

5 Drehstrommaschine

6 Inverter

7 Ladeanschluss

C1 , C2, C3 Inverterkondensator

Ca, Ca1 , Ca2 Ausgangskondensator

Ce Eingangskondensator

HV+, HV- Potential

L1, L2, L3 Motorwicklung

Rib Innenwiderstand Traktionsbatterie

Ril Innenwiderstand Gleichstromladestation

S1, S2, S3 Strang

S11 bis S34 Halbleiterschalteinheiten

SP Sternpunkt

Claims

Patentansprüche Fahrzeug (1), aufweisend:

- eine Traktionsbatterie (2),

- eine Antriebseinheit (4) mit einer Drehstrommaschine (5) und einem mit der Drehstrommaschine (5) elektrisch gekoppelten Inverter (6), wobei der Inverter (6) mit der Traktionsbatterie (2) elektrisch gekoppelt ist, und

- einen Ladeanschluss (7) zum elektrischen Koppeln mit einer fahrzeugexternen Gleichstromladestation (3), wobei der Inverter (6) als ein Flying Capacitor Inverter ausgebildet ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Potentialanschluss des Ladeanschlusses (7) mit einem Sternpunkt (SP) der Drehstrommaschine (5) elektrisch gekoppelt ist und der andere Potentialanschluss des Ladeanschlusses (7) über die das gleiche Potential (HV+, HV-) aufweisende Potentialleitung des Inverters (6) mit dem gleichen Potential (HV+, HV-) der Traktionsbatterie (2) elektrisch gekoppelt ist und der Ladeanschluss (7) mit einem Eingangskondensator (Ce) elektrisch gekoppelt ist. Fahrzeug (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an einer Traktionsbatterieseite des Inverters (6) zwischen den beiden Potentialleitungen eine elektrische Reihenschaltung aus zwei Ausgangskondensatoren (Ca1, Ca2) angeordnet ist, wobei der Potentialanschluss des Ladeanschlusses (7), welcher mit dem Sternpunkt (SP) der Drehstrommaschine (5) elektrisch gekoppelt ist, zusätzlich mit einem Mittelabgriff zwischen diesen beiden Ausgangskondensatoren (Ca1 , Ca2) elektrisch gekoppelt ist. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Laden der Traktionsbatterie (2) durch eine mit dem Ladeanschluss (7) elektrisch gekoppelte Gleichstromladestation (3), deren Ladespannung geringer ist als eine Nennspannung der Traktionsbatterie (2), die Ladespannung mittels des Inverters (6) in eine Spannung mit einem Spannungswert umgewandelt wird, der mindestens der Nennspannung der Traktionsbatterie (2) entspricht. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Stränge (S1, S2, S3) des Inverters (6),

- in einem ersten Schritt der der Potentialleitung des Inverters (6), die mit dem Ladeanschluss (7) elektrisch gekoppelt ist, nächstliegende Halbleiterschalter (S11, S21, S31, S14, S24, S34) geschlossen wird und der nachfolgende Halbleiterschalter (S12, S22, S32, S13, S23, S33) geöffnet bleibt, und

- in einem zweiten Schritt der der Potentialleitung des Inverters (6), die mit dem Ladeanschluss (7) elektrisch gekoppelt ist, nächstliegende Halbleiterschalter (S11, S21, S31, S14, S24, S34) geöffnet wird und anschließend der nachfolgende Halbleiterschalter (S12, S22, S32, S13, S23, S33) geschlossen wird. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Fährbetrieb des Fahrzeugs (1) eine von der Traktionsbatterie (2) bereitgestellte Gleichspannung mittels des Inverters (6) in eine Wechselspannung zur elektrischen Energieversorgung der Drehstrommaschine (5) umgewandelt wird.