Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für 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 2016 015 314 A1 beschrieben, ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug und ein Verfahren zu dessen Betrieb bekannt. Das elektrische Antriebssystem umfasst eine elektrische Drehstrommaschine und eine Batterie zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen

Drehstrommaschine. Die elektrische Drehstrommaschine weist zwei getrennte

Drehstromsysteme auf, wobei die beiden Drehstromsysteme mit jeweils einem Inverter elektrisch gekoppelt sind, wobei die Inverter mit unterschiedlichen elektrochemischen Teilbereichen der Batterie elektrisch gekoppelt sind und wobei eine Schalteinheit vorgesehen ist, mittels welcher die elektrochemischen Teilbereiche der Batterie elektrisch in Reihe schaltbar oder voneinander elektrisch trennbar sind.

In der DE 10 2016 012 876 A1 wird ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug beschrieben. Das elektrische Antriebssystem umfasst eine elektrische

Drehstrommaschine, eine Batterie zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Drehstrommaschine und zwei Inverter. Die elektrische Drehstrommaschine weist zwei getrennte Drehstromsysteme auf, wobei die beiden Drehstromsysteme mit jeweils einem der Inverter elektrisch gekoppelt sind, die mit unterschiedlichen elektrochemischen Teilbereichen der Batterie elektrisch gekoppelt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug und ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 4.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, beispielsweise für ein Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug, umfasst mindestens eine elektrische Drehstrommaschine und eine Batterie zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Drehstrommaschine.

Erfindungsgemäß ist die elektrische Drehstrommaschine über einen Inverter, auch als Wechselrichter bezeichnet, mit der Batterie elektrisch koppelbar oder gekoppelt, wobei ein Sternpunkt der elektrischen Drehstrommaschine mit einem Pluspolanschluss eines Gleichstromladeanschlusses des elektrischen Antriebssystems elektrisch koppelbar oder gekoppelt ist und ein Minuspol der Batterie mit einem Minuspolanschluss des

Gleichstromladeanschlusses des elektrischen Antriebssystems elektrisch koppelbar oder gekoppelt ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht ein vollständiges Laden der Batterie auch an fahrzeugexternen Gleichstromenergiequellen, deren bereitgestellte Gleichspannung kleiner ist als eine Nennspannung der Batterie und somit als eine Bordnetzspannung, genauer gesagt Bordnetznennspannung, des Fahrzeugs. Insbesondere sind hierfür keine zusätzlichen Schütze in der Batterie und im herkömmlichen Antriebssystem erforderlich, beispielsweise sind lediglich Ladeschalteinheiten zwischen dem Sternpunkt und dem Pluspolanschluss und/oder zwischen dem Minuspol der Batterie und dem

Minuspolanschluss erforderlich. Des Weiteren wird durch die erfindungsgemäße Lösung eine Ladeleistung derartiger fahrzeugexterner Gleichstromenergiequellen maximiert.

Zum Laden an derartigen fahrzeugexternen Gleichstromenergiequellen werden dafür erforderliche Leistungsschalter im Inverter getaktet eingeschaltet und ausgeschaltet, wenn eine solche fahrzeugexterne Gleichstromenergiequelle mit dem

Gleichstromladeanschluss des elektrischen Antriebssystems elektrisch gekoppelt ist und die Batterie geladen werden soll. Dadurch wird an beispielsweise als

Gleichstromanschlussklemmen ausgebildeten Gleichstromanschlüssen des Inverters eine Gleichspannung erzeugt, welche einer Batterieklemmenspannung entspricht. Zum Laden der Batterie an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle, deren bereitgestellte Gleichspannung der Nennspannung der Batterie entspricht, werden die erforderlichen Leistungsschalter im Inverter eingeschaltet und bleiben permanent eingeschaltet.

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

Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug,

Fig. 2 schematisch das elektrische Antriebssystem während eines Ladens der

Batterie an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle, deren bereitgestellte Gleichspannung einer Nennspannung der Batterie entspricht,

Fig. 3 schematisch das elektrische Antriebssystem während eines Ladens der

Batterie an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle, deren bereitgestellte Gleichspannung kleiner ist als die Nennspannung der Batterie,

Fig. 4 schematisch das elektrische Antriebssystem während eines Ladens der

Batterie an einer fahrzeugexternen Wechselstromenergiequelle, und

Fig. 5 schematisch das elektrische Antriebssystem während eines Fährbetriebs des

Fahrzeugs.

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

Die Figuren 1 bis 5 zeigen schematische Darstellungen eines elektrischen

Antriebssystems 1 für ein Fahrzeug, beispielsweise für ein Elektrofahrzeug,

Hybridfahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug.

Figur 1 zeigt einen Prinzipaufbau des elektrischen Antriebssystems 1 . Das elektrische Antriebssystem 1 umfasst eine elektrische Drehstrommaschine 2, insbesondere als Antriebsmotor für das Fahrzeug, und eine Batterie 3, insbesondere eine Hochvoltbatterie, d. h. einen elektrochemischen Energiespeicher, auch als Traktionsbatterie bezeichnet, zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Drehstrommaschine 2. Die Batterie 3 und somit ein Hochvolt-Bordnetz des Fahrzeugs weist beispielsweise eine

Nennspannung U _ßat von 800 V auf, d. h. insbesondere sind alle Hochvolt-Komponenten dieses elektrischen Antriebssystems 1 und insbesondere des Fahrzeugs auf diese hohe Nennspannung U _ßat von 800 V ausgelegt.

Die elektrische Drehstrommaschine 2 ist über einen Inverter 4, auch als Wechselrichter bezeichnet, mit der Batterie 3 elektrisch gekoppelt.

Des Weiteren ist in diesem Hochvolt-Bordnetz ein elektrisches Nebenaggregatesystem 5 vorgesehen, umfassend ein oder mehrere Nebenaggregate, welche ebenfalls von der Batterie 3 mit elektrischer Energie versorgbar sind, d. h., wie bereits erwähnt, ebenfalls auf diese hohe Nennspannung U _ßat ausgelegt sind.

Die elektrische Drehstrommaschine 2 weist eine Sternschaltung auf, deren Sternpunkt SP mit einem Pluspolanschluss 6 eines Gleichstromladeanschlusses 7 des elektrischen Antriebssystems 1 elektrisch koppelbar oder gekoppelt ist. Des Weiteren ist ein

Minuspol 8 der Batterie 3 mit einem Minuspolanschluss 9 des

Gleichstromladeanschlusses 7 des elektrischen Antriebssystems 1 elektrisch koppelbar oder gekoppelt. Der Gleichstromladeanschluss 7 kann zum Laden der Batterie 3 mit einer elektrischen Gleichspannung U _DC mit einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 10 elektrisch gekoppelt werden, die diese elektrische Gleichspannung U _DC bereitstellt.

Um auch das Laden der Batterie 3 an einer fahrzeugexternen

Wechselstromenergiequelle 1 1 zu ermöglichen, ist des Weiteren eine

On-Board-Wechselstromladevorrichtung 12 vorgesehen.

Während des Ladens der Batterie 3 mit einer Gleichspannung U _DC oder

Wechselspannung und ebenfalls während eines Fährbetriebs des Fahrzeugs wird zudem das elektrische Nebenaggregatesystem 5 mit elektrischer Energie versorgt.

Zur elektrischen Kopplung des Sternpunktes SP der elektrischen Drehstrommaschine 2 mit dem Pluspolanschluss 6 des Gleichstromladeanschlusses 7 und zur elektrischen Kopplung des Minuspols 8 der Batterie 3 mit dem Minuspolanschluss 9 des

Gleichstromladeanschlusses 7 sind im dargestellten Beispiel Ladeschalteinheiten S1 , S2 vorgesehen, welche jeweils beispielsweise als Schalter und/oder Schütz ausgebildet sind. D. h. zwischen dem Sternpunkt SP der elektrischen Drehstrommaschine 2 und dem Pluspolanschluss 6 des Gleichstromladeanschlusses 7 und zwischen dem Minuspol 8 der Batterie 3 und dem Minuspolanschluss 9 des Gleichstromladeanschlusses 7 ist jeweils eine solche Ladeschalteinheit S1 , S2 angeordnet.

Dadurch ist durch Öffnen der Ladeschalteinheiten S1 , S2 eine Spannungsfreiheit am Gleichstromladeanschluss 7 herstellbar, wenn der Gleichstromladeanschluss 7 nicht benötigt wird, d. h. insbesondere wenn die Batterie 3 nicht über den

Gleichstromladeanschluss 7 geladen werden soll, insbesondere während eines

Fährbetriebs des Fahrzeugs und/oder während des Ladens der Batterie 3 an einer fahrzeugexternen Wechselstromenergiequelle 1 1. Während des Ladens der Batterie 3 über den Gleichstromladeanschluss 7 sind die Ladeschalteinheiten S1 , S2 geschlossen.

Das elektrische Antriebssystem 1 , insbesondere die beschriebene Kopplung des

Gleichstromladeanschlusses 7 mit dem Sternpunkt SP der elektrischen

Drehstrommaschine 2 und dem Minuspol 8 der Batterie 3, ermöglicht es, wie im

Folgenden näher beschrieben, die Batterie 3 sowohl an einer fahrzeugexternen

Gleichstromenergiequelle 10 zu laden, deren bereitgestellte Gleichspannung U _DC der Nennspannung U _ßat der Batterie 3 und somit der Bordnetznennspannung des

Hochvolt-Bordnetzes des Fahrzeugs von beispielsweise 800 V entspricht, als auch an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 10 zu laden, deren bereitgestellte Gleichspannung U _DC kleiner ist als die Nennspannung U _ßat der Batterie 3 und somit kleiner ist als die Bordnetznennspannung des Hochvolt-Bordnetzes des Fahrzeugs. D. h. diese Schaltung ermöglicht es, die Batterie 3 beispielsweise auch an einer

fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 10 zu laden, die beispielsweise lediglich eine Gleichspannung U _DC von 500 V bereitstellt.

Figur 2 zeigt das elektrische Antriebssystem 1 während des Ladens der Batterie 3 an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 10, deren bereitgestellte

Gleichspannung U _DC der Nennspannung U _ßat der Batterie 3 und somit der

Bornetznennspannung des Hochvolt-Bordnetzes des Fahrzeugs von beispielsweise 800 V entspricht. Die beispielsweise als Ladesäule ausgebildete fahrzeugexterne

Gleichstromenergiequelle 10, insbesondere galvanisch getrennt, erzeugt eine vom Fahrzeug kommandierte, d. h. vorgegebene, Gleichspannung U _DC . Die

Ladeschalteinheiten S1 , S2 sind geschlossen. Ein Ladestromkreis stellt sich über die fahrzeugexterne Gleichstromenergiequelle 10, die elektrische Drehstrommaschine 2, den Inverter 4 und die Batterie 3 ein, wie mittels durchgezogener Ladestrompfeilen LP für den fließenden Ladestrom gezeigt. Dafür erforderliche Leistungsschalter LS innerhalb des Inverters 4 sind während dieses Ladevorgangs permanent eingeschaltet, wodurch Verluste im Inverter 4 minimiert werden.

Durch das gleichartige Ansteuern der Leistungsschalter LS wird erreicht, dass sich identische Ströme in den einzelnen Wicklungen der Drehstrommaschine einstellen. Somit wird die Erzeugung eines Antriebsmoments in der Drehstrommaschine vermieden.

Das Nebenaggregatesystem 5 oder zumindest notwendige elektrische Verbraucher im Hochvolt-Bordnetz, insbesondere Nebenaggregate des Nebenaggregatesystems 5 wird/werden durch die Batterie 3 und/oder die Gleichstromenergiequelle 10 mit elektrischer Energie versorgt, wie durch gestrichelte Versorgungsstrompfeile VP für den fließenden Versorgungsstrom gezeigt.

In einem Verfahren zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems 1 wird somit gemäß Figur 2 zum Laden der Batterie 3 an der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 10, deren bereitgestellte Gleichspannung U _DC der Nennspannung U _ßat der Batterie 3 und somit der Bornetznennspannung des Hochvolt-Bordnetzes des Fahrzeugs von beispielsweise 800 V entspricht, der Gleichstromladeanschluss 7 mit der

fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 10 elektrisch gekoppelt und die

Ladeschalteinheiten S1 , S2 werden geschlossen. Die erforderlichen Leistungsschalter LS im Inverter 4 werden eingeschaltet und bleiben permanent eingeschaltet.

Figur 3 zeigt das elektrische Antriebssystem 1 während des Ladens der Batterie 3 an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 10, deren bereitgestellte

Gleichspannung U _DC kleiner ist als die Nennspannung U _ßat der Batterie 3 und somit kleiner ist als die Bornetznennspannung des Hochvolt-Bordnetzes des Fahrzeugs.

Beispielsweise stellt die fahrzeugexterne Gleichstromenergiequelle 10 lediglich eine Gleichspannung U _DC von 500 V bereit, d. h. sie ist nur für diese maximale

Gleichspannung U _DC ausgelegt.

Die beispielsweise als Ladesäule ausgebildete fahrzeugexterne

Gleichstromenergiequelle 10, insbesondere galvanisch getrennt, erzeugt eine vom Fahrzeug kommandierte, d. h. vorgegebene, Gleichspannung U _DC . Um eine Ladeleistung zu maximieren, ist es vorteilhaft, die fahrzeugexterne Gleichstromenergiequelle 10 auf ihre maximale Gleichspannung U _DC ZU kommandieren. Die Ladeschalteinheiten S1 , S2 sind geschlossen. Ein Ladestromkreis stellt sich über die fahrzeugexterne

Gleichstromenergiequelle 10, die elektrische Drehstrommaschine 2, den Inverter 4 und die Batterie 3 ein, wie mittels der durchgezogenen Ladestrompfeile LP für den fließenden Ladestrom gezeigt. Die dafür erforderlichen Leistungsschalter LS innerhalb des

Inverters 4 takten, d. h. sie schalten getaktet ein und aus, und erzeugen somit an beispielsweise als Gleichstromanschlussklemmen ausgebildeten Gleichstromanschlüssen des Inverters 4 eine Spannung, welche einer Batterieklemmenspannung entspricht.

Das Nebenaggregatesystem 5 oder zumindest notwendige elektrische Verbraucher im Hochvolt-Bordnetz, insbesondere Nebenaggregate des Nebenaggregatesystems 5 wird/werden durch die Batterie 3 und/oder die Gleichstromenergiequelle 10 mit elektrischer Energie versorgt, wie durch gestrichelte Versorgungsstrompfeile VP für den fließenden Versorgungsstrom gezeigt.

Im Verfahren zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems 1 wird somit gemäß Figur 3 zum Laden der Batterie 3 an der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 10, deren bereitgestellte Gleichspannung U _DC kleiner ist als die Nennspannung U _ßat der Batterie 3 und somit kleiner ist als die Bornetznennspannung des Hochvolt-Bordnetzes des

Fahrzeugs und beispielsweise lediglich 500 V beträgt, der Gleichstromladeanschluss 7 mit der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 10 elektrisch gekoppelt und die Ladeschalteinheiten S1 , S2 werden geschlossen. Die erforderlichen Leistungsschalter LS im Inverter 4 werden getaktet eingeschaltet und ausgeschaltet.

Figur 4 zeigt das elektrische Antriebssystem 1 während des Ladens der Batterie 3 an einer fahrzeugexternen Wechselstromenergiequelle 1 1. Die

On-Board-Wechselstromladevorrichtung 12 lädt die Batterie 3, wie mittels der

durchgezogenen Ladestrompfeile LP gezeigt, und versorgt notwendige elektrische Verbraucher im Hochvolt-Bordnetz, insbesondere Nebenaggregate des

Nebenaggregatesystems 5, wie durch gestrichelte Versorgungsstrompfeile VP für den fließenden Versorgungsstrom gezeigt. Die Ladeschalteinheiten S1 , S2 sind geöffnet, damit keine elektrische Spannung am Gleichstromladeanschluss 7 anliegt.

Im Verfahren zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems 1 werden somit gemäß Figur 4 zum Laden der Batterie 3 an der fahrzeugexternen Wechselstromenergiequelle 1 1 die Ladeschalteinheiten S1 , S2 geöffnet und die

On-Board-Wechselstromladevorrichtung 12 wird mit der fahrzeugexternen

Wechselstromenergiequelle 1 1 elektrisch gekoppelt. Figur 5 zeigt das elektrische Antriebssystem 1 während eines Fährbetriebs des

Fahrzeugs, wobei die elektrische Drehstrommaschine 2 von der Batterie 3 mit elektrischer Energie versorgt wird, wie mittels durchgezogener Antriebsstrompfeile AP für den fließenden Antriebsstrom gezeigt. Die Ladeschalteinheiten S1 , S2 sind geöffnet, damit keine elektrische Spannung am Gleichstromladeanschluss 7 anliegt.

Das Nebenaggregatesystem 5 wird durch die Batterie 3 mit elektrischer Energie versorgt, wie durch gestrichelte Versorgungsstrompfeile VP für den fließenden Versorgungsstrom gezeigt.

Im Verfahren zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems 1 werden somit gemäß Figur 5 zur Durchführung des Fährbetriebs die Ladeschalteinheiten S1 , S2 geöffnet. Die elektrische Drehstrommaschine 2 wird von der Batterie 3 mit elektrischer Energie versorgt.

Bezugszeichenliste

1 Antriebssystem

2 Drehstrommaschine

3 Batterie

4 Inverter

5 Nebenaggregatesystem

6 Pluspolanschluss

7 Gleichstromladeanschluss

8 Minuspol

9 Minuspolanschluss

10 Gleichstromenergiequelle

11 Wechselstromenergiequelle

12 On-Board-Wechselstromladevorrichtung

AP Antriebsstrompfeil

LP Ladestrompfeil

LS Leistungsschalter

S1 , S2 Ladeschalteinheit

SP Sternpunkt

U _Bat Nennspannung der Batterie

U _DC Gleichspannung

VP Versorgungsstrompfeil