Titel

SCHALTUNGSANORDNUNG ZUM BETREIBEN EINER ELEKTRISCHEN MASCHINE IN EINEM KRAFTFAHRZAUEG MIT BEREITSTELLUNG EINER GLEICHSPANNUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, wie beispielsweise einer elektrischen Antriebsmaschine in einem Elektrofahrzeug.

Elektrofahrzeuge können mehrere Antriebstränge mit Batteriedirektumrichtern für einen elektrischen Antrieb aufweisen. Zusätzlich ist es in Elektrofahrzeugen erforderlich, eine Möglichkeit zum Laden der Batteriespeicher aus dem Netz und zur Bereitstellung einer Gleichspannung zu realisieren.

Die Druckschrift DE 10 2011 004 248 AI betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Mehrstufenwandler für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, die eine Aufnahme elektrischer Leistung zum Laden von Batteriezellen, eine Abgabe elektrischer Leistung an den Antrieb und die Speisung weiterer Bordnetzkomponenten mittels einer Gleichspannung ermöglicht.

Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs gelöst, mit einem ersten elektrischen Antriebsstrang, in dem ein erster Batteriedirektumrichter über eine erste Schalteinrichtung mit der elektrischen Maschine verbindbar ist; einem zweiten elektrischen Antriebsstrang, in dem ein zweiter Batteriedirektumrichter über eine zweite Schalteinrichtung mit der elektrischen Maschine verbindbar ist; einem dritten elektrischen Antriebsstrang, in dem ein dritter Batteriedirektumrichter mit der elektrischen Maschine verbunden ist, dessen einer Umrichteranschluss über eine dritte Schalteinrichtung mit dem zweiten Antriebsstrang verbindbar ist und dessen anderer Umrichteranschluss über eine vierte Schalteinrichtung mit dem zweiten Antriebsstrang verbindbar ist; einem Gleichspannungsabschnitt zum

Bereitstellen einer Gleichspannung für ein Bordnetz, der über jeweils einen Gleichrichter mit dem ersten, zweiten und dritten Antriebsstrang verbunden ist; und einem Ladeabschnitt zum Zuführen eines Ladestroms zu dem ersten, zweiten und dritten Batteriedirektumrichter, der mit dem ersten Antriebsstrang und dem dritten Antriebsstrang verbunden ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Schaltungsanordnung eine

Aufnahme elektrischer Energie aus dem Netz, eine Abgabe elektrischer Leistung an den Antrieb und eine Speisung weiterer Bordnetzkomponenten mittels einer Gleichspannung während aller Betriebszustände der Gleichspannungseinspeisung ermöglicht.

Die Schaltungsanordnung realisiert mit geringem technischem Aufwand und einer geringen Anzahl von Bauteilen ein Ladegerät hoher Flexibilität. Die Betriebsstrategie des

Batteriedirektumrichters erlaubt die Bereitstellung einer Gleichspannung für ein Bordnetz auch bei geringen Motordrehzahlen oder während des Stillstands, einschließlich des Ladebetriebs. Erst das Zusammenspiel der Komponenten von Lade-, Gleichspannungs- und Antriebsabschnitt führt zu einem fahrzeuggeeigneten Antriebssystem.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst der Ladeabschnitt eine Brücken-Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten einer Eingangsspannung. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine Wechselspannung

gleichgerichtet werden kann und sich eine Betriebsstrategie vereinfacht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst der Ladeabschnitt einen Netzfilter oder EMV-Filter zum Filtern einer Eingangsspannung.

Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass hochfrequente Störungen gefiltert werden können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst der Ladeabschnitt einen Regler zum Regeln eines Eingangsstromes. Dadurch wird

beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass beim Ladestromregler der Halbwellen- Sinus zum Erzwingen eines Leistungsfaktors nahe Eins nachgeführt werden kann. Die Amplitude wird innerhalb der zulässigen Grenzwerte dann durch das

Batteriemanagementsystem des Batteriedirektumrichters bestimmt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst der Gleichspannungsabschnitt einen Zwischenkreisspannungsregler zum Regeln einer

Ausgangsspannung. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Ausgangsspannung des Gleichspannungsabschnitts auf einen vorgegebenen Wert geregelt werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist ein Anschluss des Ladeabschnittes zwischen dem ersten Batteriedirektumrichter und der ersten Schalteinrichtung verbunden. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Ladestrom direkt zu in den ersten Antriebsstrang eingespeist wird und alle drei Antriebsstränge in Serie geschaltet sind. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst der Gleichspannungsabschnitt einen Kondensator zum Glätten der Gleichspannung. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich der Klirrfaktor der

Gleichspannung verringert und eine Begrenzung der Schaltüberspannung durchgeführt werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst die Schaltungsanordnung ein Steuergerät zum Steuern der Schalteinrichtungen auf Basis eines Ladebetriebes oder eines Fahrbetriebes. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Schalteinrichtungen je nach erforderlichem Zustand geschaltet werden können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst die Schaltungsanordnung ein Steuergerät zum Aufteilen einer Spannung auf die einzelnen Batteriedirektumrichter. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Batteriedirektumrichter jeweils je nach Zustand mit einer unterschiedlichen Spannung versorgt werden können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung sind die

Schalteinrichtungen durch Schütze gebildet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein Schalten von großen elektrischen Leistungen ermöglicht wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung gelöst, die zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines

Kraftfahrzeugs dient, mit einem ersten elektrischen Antriebsstrang, in dem ein erster Batteriedirektumrichter über eine erste Schalteinrichtung mit der elektrischen Maschine verbindbar ist; einem zweiten elektrischen Antriebsstrang, in dem ein zweiter

Batteriedirektumrichter über eine zweite Schalteinrichtung mit der elektrischen Maschine verbindbar ist; einem dritten elektrischen Antriebsstrang, in dem ein dritter

Batteriedirektumrichter mit der elektrischen Maschine verbunden ist, dessen einer

Umrichteranschluss über eine dritte Schalteinrichtung mit dem zweiten Antriebsstrang verbindbar ist und dessen anderer Umrichteranschluss über eine vierte Schalteinrichtung mit dem zweiten Antriebsstrang verbindbar ist; einem Gleichspannungsabschnitt zum Bereitstellen einer Gleichspannung für ein Bordnetz, der über jeweils einen Gleichrichter mit dem ersten, zweiten und dritten Antriebsstrang verbunden ist; und einem Ladeabschnitt zum Zuführen eines Ladestroms zu dem ersten, zweiten und dritten Batteriedirektumrichter, der mit dem ersten Antriebsstrang und dem dritten Antriebsstrang verbunden ist, mit den Schritten eines Einstellens eines positiven Spannungsoffsets zwischen den zwei gemeinsamen Verbindungspunkten der Antriebsstränge; oder eines Einstellens eines stets positiven Spannungsabfalls über dem dritten Batteriedirektumrichter. Dadurch werden die gleichen technischen Vorteile wie durch die Schaltungsanordnung nach dem ersten Aspekt erreicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine im

Fahrbetrieb;

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine im

Ladebetrieb;

Fig. 3 einen Regler zum Regeln eines Eingangsstromes;

Fig. 4 ein Steuergerät als Regler zum Aufteilen einer Spannung;

Fig. 5 einen Zwischenkreisspannungsregler;

Fig. 6 eine gleichgerichtete Netzspannung und Ausgangsspannung des

Batteriedirektumrichters; und

Fig. 7 einen gleichgerichteten Eingangsstrom in einer Netzdrossel.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 100 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 101 Die Schaltungsanordnung 100 stellt eine Topologie eines integrierten Antriebssystems mit mehreren Batteriedirektumrichtern 105-1, 105-2 und 105-3 dar. Die elektrische Maschine dient beispielsweise zum Antreiben eines batterieelektrischen oder hybriden

Straßenfahrzeugs. Die Schaltungsanordnung 100 stellt neben den Antriebsträngen 103-1, 103-2 und 103-3 gleichzeitig einen Ladeabschnitt 113 zum Zuführen eines Ladestroms und einen Gleichspannungsabschnitt 109 zum Bereitstellen einer Gleichspannung für ein Bord netz bereit. Die Batteriedirektumrichter 105-1, 105-2 und 105-3 umfassen eine Vielzahl von

Batteriezellen, die einzeln über eine H-Vollbrücke mit Transistoren geschaltet werden können. Dadurch lassen sich Wechselspannungen für die elektrische Maschine 101 durch Zu- oder Abschalten einzelner Batteriezellen erzeugen. Die Batteriedirektumrichter 105-1, 105-2 und 105-3 sind modulare Mehrlevel-Umrichter. Dabei handelt es sich um Batteriemodule, beispielsweise vier Stück pro Strang, deren Ausgangsspannung mittels Vollbrücke bipolar geschaltet werden kann. Dadurch kann ebenfalls ein Bypass ermöglicht werden, d.h. eine Spannung von 0V. Die Schaltungsanordnung 100 umfasst einen ersten, zweiten und dritten elektrischen

Antriebsstrang 103-1, 103-2 und 103-3. In dem ersten elektrischen Antriebsstrang 103-1 ist der erste Batteriedirektumrichter 105-1 über eine erste steuerbare Schalteinrichtung 107-1 mit der elektrischen Maschine 101 verbunden. In dem zweiten elektrischen Antriebsstrang 103-2 ist der zweite Batteriedirektumrichter 105-2 über eine zweite Schalteinrichtung 107-2 mit der elektrischen Maschine 101 verbunden. In dem dritten elektrischen Antriebsstrang 103-3 ist ein dritter Batteriedirektumrichter 105-3 mit der elektrischen Maschine 101 verbunden.

Der eine Umrichteranschluss des dritten Batteriedirektumrichters 105-3 ist über eine dritte Schalteinrichtung 107-3 mit dem zweiten Antriebsstrang 103-2 verbindbar. Der andere Umrichteranschluss des dritten Batteriedirektumrichters 105-3 ist über eine vierte

Schalteinrichtung 107-4 ebenfalls mit dem zweiten Antriebsstrang 103-2 verbindbar. Die vierte Schalteinrichtung 107-4 ist jeweils zwischen den Batteriedirektumrichtern 105-2 und 105-3 und der elektrischen Maschine 101 angeschlossen. Durch die drei Antriebstränge mit den Batteriedirektumrichtern 105-1, 105-2 und 105-3 wird eine dreiphasige

Wechselspannung erzeugt. Jede Phase wird durch einen entsprechenden Antriebstrang 103-1, 103-2 und 103-3 der elektrischen Maschine 101 zugeführt. Die Schalteinrichtungen 107-1, 107-4 sind beispielsweise durch Schütze oder Halbleiterschalter gebildet. Zusätzlich umfasst die Schaltungsanordnung 100 einen Gleichspannungsabschnitt 109 zum Bereitstellen einer Gleichspannung für ein Bordnetz. Der Gleichspannungsabschnitt 109 ist über drei Dioden als Gleichrichter 111-1, 111-2, 111-3 mit dem ersten, zweiten und dritten Antriebsstrang 103-1, 103-2, 103-3 verbunden. Durch den Gleichspannungsabschnitt 109 wird eine Gleichspannung für das Bordnetz des Fahrzeugs bereitgestellt. Der

Gleichspannungsabschnitt 109 umfasst einen Kondensator 119 zum Glätten der

Gleichspannung und Komponenten für eine Hochvolt- Zwischenkreisauskopplung. Das Bordnetz mit einer Spannung von beispielsweise 12 V wird aus dem Hochvoltbordnetz erzeugt. Der als mehrsträngiger Hochsetzsteller gezeigte Gleichspannungsabschnitt 109 kann galvanisch getrennt ausgeführt werden und auf eine Spannung von 48 V wandeln.

Eine Betriebsstrategie für eine Hochvolt-Auskopplung besteht darin, dass ein positives Spannungsoffset zwischen den Punkten P _s und P _N eingestellt wird. Dadurch kann auch bei einer geringen (bis hinunter zu Null) Strangspannung an der Maschine eine

Hochvoltspannung bereitgestellt werden. Um eine Spannungsschwankung an der

Kathodenseite der Dioden 111-1, 111-2, 111-3 gering zu halten, können die

Batteriedirektumrichter 105-1, 105-2 und 105-3 mit einer Flattop-Modulation betrieben werden.

Weiter umfasst die Schaltungsanordnung 100 einen Ladeabschnitt 113 zum Zuführen eines Ladestroms zu dem ersten, zweiten und dritten Batteriedirektumrichter 105-1, 105-2, 105-3. Über den Ladeabschnitt 113 wird elektrische Energie aus einem externen Stromnetz an die Batteriedirektumrichter 105-1, 105-2, 105-3 geleitet. Der Ladeabschnitt 113 ist mit dem ersten Antriebsstrang 103-1 und dem dritten Antriebsstrang 103-3 verbunden und umfasst Komponenten für das einphasige Wechselstromladen. Der Ladeabschnitt 113 umfasst eine Brücken-Gleichrichterschaltung 115 zum Gleichrichten einer Eingangsspannung und einen Netzfilter oder EMV- Filter zum Filtern einer Eingangsspannung. Der EMV- Filter kann ein Tiefpassfilter oder ein Gleittaktfilter umfassen. Diese weisen ebenfalls ein Tiefpassverhalten auf, wirken aber auf die Differenz von Hin- und Rückstrom. Dadurch lassen sich

Netzrückwirkungen unterdrücken, die in Richtung Netz zu wirken. Ein Gleichstromladen ist per Abgriff parallel zu den Komponenten für das Wechselstromladen möglich. Durch die Schaltungsanordnung 100 wird ein vollständiges batteriedirektumrichterbasiertes Antriebssystem realisiert. In Verbindung mit einer Betriebsstrategie für die

Schalteinrichtungen 107-1, 107-2, 107-3 und 107-4 wird die Aufnahme elektrischer Energie aus dem Stromnetz, eine Abgabe elektrischer Leistung an die elektrische Maschine und die Speisung weiterer Bordnetzkomponenten mittels Gleichspannung während aller

Betriebszustände erreicht. Im Fahrbetrieb sind die Schalteinrichtungen 107-1, 107-2, 107-3 geschlossen und die Schalteinrichtung 107-4 ist geöffnet. Im Ladebetrieb sind in umgekehrter Weise die

Schalteinrichtungen 107-1, 107-2, 107-3 geöffnet und die Schalteinrichtung 107-4 ist geschlossen. Es kann sowohl mit einphasiger Wechselspannung direkt am Stromnetz geladen werden, beispielsweise auf 220- V- wie auf 110- Volt- Ebene oder an einer entsprechenden Ladesäule mit einer Gleichspannung und potentiell höherer Leistung.

Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung 100 zum Betreiben einer elektrischen Maschine im Ladebetrieb. Die Schaltungsanordnung 100 ist auf Elemente reduziert, die beim Laden an einem einsträngigen Netz aktiv sind.

Die drei Antriebstränge 103-1, 103-2 und 103-3 mit den Batteriedirektumrichtern 105-1, 105- 2, 105-3 sind im Ladebetrieb in Serie geschaltet. Die Batteriedirektumrichter 105-1, 105-2, 105-3 werden so moduliert, dass die Spannungen u _S i-u _S 2 ⁺ u _S 3 in etwa der Netzspannung entsprechen.

Um unabhängig von der pulsierenden Ladeleistung von einer Netzseite her, den

Hochvoltkreis speisen zu können, kann der Spannungsabfall u _S 3 über dem dritten

Batteriedirektumrichter 105-3 stets größer Null eingestellt werden. Die

Zwischenkreisspannungsregelung geschieht durch einen Zwischenkreisspannungsregler zum Regeln einer Ausgangsspannung.

Fig. 3 zeigt einen Regler 125 (Grid-Controller) zum Regeln eines Eingangsstromes durch den Ladeabschnitt 113. Durch den Regler 123 wird eine Regelstruktur für den Netzstrom geschaffen.

Fig. 4 zeigt ein Steuergerät 123 (Module-Controller) als Regler zum Aufteilen einer

Spannung auf die einzelnen Batteriedirektumrichter 105-1, 105-2, 105-3. Durch den Regler erfolgt eine Lastaufteilung auf die Einzelmodule.

Fig. 5 zeigt einen Zwischenkreisspannungsregler 121 (DC Link-Controller) zum Regeln einer Ausgangsspannung umfasst.

Fig. 6 zeigt eine gleichgerichtete Netzspannung und Ausgangsspannung des

Batteriedirektumrichters 105-1. Auf der Abszisse ist die Zeit t in Sekunden aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Spannung in Volt aufgetragen. Es ist der Verlauf der gleichgerichteten Netzspannung u _gri d und der Ausgangsspannung u _s eines Batteriedirektumrichters 105-1, 105- 2, 105-3 gezeigt.

Fig. 7 zeigt einen gleichgerichteten Eingangsstrom in einer Netzdrossel. Auf der Abszisse ist die Zeit t in Sekunden aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Eingangsstrom in Ampere aufgetragen. Der gezeigte Eingangsstrom mit einem Effektivwert von 16 A (rms) entsteht bei Verwendung einer 500 μΗ Drossel und Schaltfrequenz von 10 kHz, ohne dass ein weiterer Eingangsfilter berücksichtigt ist. Die Aufteilung der Gesamtausgangsspannung auf die einzelnen Submodule wird mittels des Steuergeräts 123 als Module-Controller bewirkt.

Im Allgemeinen kann bei der Schaltungsanordnung 100 auch auf eine

Eingangsgleichrichtung in dem Ladeabschnitt 113 verzichtet werden. Wird diese verwendet, vereinfacht sich Betriebsstrategie für die Hochvoltauskopplung. Die Anode des Gleichrichters 111-1 kann zwischen der Schalteinrichtung 107-1 und dem Batteriedirektumrichter 105-1 verbunden werden. Die Schalteinrichtung 107-4 kann zwischen der elektrischen Maschine 101 und der Schalteinrichtung 107-2 verbunden werden. Die Induktivität der elektrischen Maschine 101 kann zum Laden verwendet werden. Die Schalteinrichtung 107-4 kann in diesem Fall entfallen. Durch die Schaltungsanordnung 100 werden die funktionalen

Anforderungen an ein batterieelektrisches Antriebssystem in einem Fahrzeug mit

Batteriedirektumrichter vollständig erfüllt.

Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.

Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.