Betriebsanordnung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Betriebsanordnung, umfassend eine Batterie, Umrichter und Elektromotor, für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug sowie ein Betriebsverfahren für eine solche Anordnung.

In modernen elektrisch betriebenen oder hybriden Fahrzeugen, insbesondere solchen für den Straßenverkehr wie PKWs oder LKWs ist als erweitere Autobatterie eine wiederaufladbare Batterie vorgesehen, die die elektrische Energie für den Antrieb speichert. Die Batterie ist mit einem Umrichter verbun- den, der die einphasige Batteriespannung in eine dreiphasige Spannung für den oder die verbundenen Elektromotoren umwandelt.

Die Batterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs muss zur Wiederaufladung an ein externes Versorgungsnetz, üblicherweise das normale Stromnetz, angeschlossen werden. Dabei ist es wünschenswert, einen möglichst einfachen und flexiblen An- schluss zu ermöglich und gleichzeitig eine möglichst hohe Leistung für die Ladung der Batterie verwenden zu können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Betriebsanordnung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug anzugeben, die einen vereinfachten Aufbau insbesondere für die Ladung der Batterie aus einem externen Stromnetz aufweist. Eine wei- tere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Betriebsverfahren für eine solche Betriebsanordnung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Betriebsanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die erfindungsgemäße Betriebsanordnung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug weist eine Batterie zur Speicherung elektrischer Energie auf, beispielsweise mit Li-Ionen-Elementen . Weiterhin ist eine Umrichterschaltung mit einem Zwischen- kreiskondensator vorgesehen. Die Umrichterschaltung ist auf Seiten des Zwischenkreiskondensators mit der Batterie verbunden. Weiterhin ist ein bevorzugt dreiphasiger Elektromotor vorgesehen. Der Elektromotor ist mit der dreiphasigen Ausgangsseite des Umrichters verbunden. Schließlich ist eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Umrichterschaltung vorhanden. Die Betriebsanordnung ist ausgestaltet, den Umrichter so zu betreiben, dass die Spannung über den Zwischen- kreiskondensator wenigstens 650V beträgt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Umrichters in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug mit einer Batterie und wenigstens einem Elektromotor wird der Umrichter in einem Motorbetriebszustand als Wechselrichter zur Speisung des Elektromotors aus der Batterie betrieben. Weiterhin wird er in einem Ladebetriebszustand als Gleichrichter zur Aufladung der Batterie aus einem externen 3-phasigen Versorgungsnetz betrieben. Dabei wird der Umrichter so betrieben, dass die Spannung in seinem Zwischenkreis mindestens 650 V beträgt. In bekannte Weise wird bevorzugt der Umrichter in ei- nem Rückspeisebetriebszustand als Gleichrichter zur Aufladung der Batterie betrieben.

Mit anderen Worten wird also der Umrichter, der primär dem Betrieb des Elektromotors oder der Elektromotoren aus der Batterie als Energiespeicher dient, gleichzeitig als Ladegleichrichter verwendet. Hierdurch entfällt vorteilhaft die Notwendigkeit, einen speziellen Gleichrichter beispielsweise extern zur Verfügung zu stellen. Somit kann das Fahrzeug an jede dreiphasige externe Versorgung angeschlossen werden, oh- ne dass ein spezielles Ladegerät für den Anschluss nötig wäre. Bedingt durch die auf wenigstens 650 V gesetzte Zwischen- kreisspannung ist ein sicherer Betrieb an einem dreiphasigen externen Stromnetz, also insbesondere am allgemeinen Strom- netz beispielsweise der Hausversorgung ermöglicht. Insbesondere wird eine unkontrollierte Ladung des Zwischenkreises über die Freilaufdioden des Umrichters, was zu einem Auslösen von vorgelagerten Sicherungen führen würde, vermieden.

Weiterhin ermöglicht der Anschluss an das dreiphasige Netz vorteilhaft auch eine verbesserte Rückspeisefähigkeit aus der Batterie in das angeschlossene Versorgungsnetz. Es wird für die Zukunft eine große Verbreitung von rein elektrisch be- triebenen Fahrzeugen erwartet. Die Zahl der aktiven Fahrzeuge kann dann beispielsweise in Deutschland in der Größenordnung von 60 Millionen liegen, wobei die Fahrzeuge dann natürlich eine entsprechende Anzahl von Batterien enthalten. Diese Batterien müssen regelmäßig für eine längere Zeit im Stundenbe- reich aufgeladen werden. Bei ausreichender Rückspeisefähigkeit würden sich die Batterien dazu eignen, elektrische Spitzenlasten auszugleichen.

Die Erfindung ist auf rein elektrisch betriebene Fahrzeuge wie Autos und LKWs oder Busse, aber auch auf hybride Fahrzeuge mit zusätzlichem Verbrennungsmotor anwendbar. Der Elektromotor kann eine Asynchronmaschine oder eine Synchronmaschine, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine, beispielsweise im Feldschwächebetrieb, sein.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Umrichter als Tiefsetzsteller betrieben. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Umrichter als Hochsetzsteller betrieben wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Umrichter so betrieben wird, dass er eine sinusförmige Stromaufnahme aufweist, also mit Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC) .

Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die Windungen des Elektromotors für die Leistungsfaktorkorrektur verwendet werden. Da- durch können zusätzliche Induktivitäten extra für die Leistungsfaktorkorrektur entfallen oder wenigstens kleiner ausfallen. Dabei ist es zweckmäßig, wenn mittels einer Bremse der Motor festgehalten wird, um ungewollte Bewegungen zu ver- hindern. Bei dieser Anschlussmethode ist bevorzugt eine Schalteinrichtung vorgesehen. Die Schalteinrichtung ermöglicht einen Anschluss der externen Stromversorgung an die Motorwindungen. Dabei sorgt die Schalteinrichtung für eine Auf- trennung des Sternpunkts.

Alternativ kann der der externen Stromversorgung auch zwischen dem Motor und dem Umrichter erfolgen. Auch hier ist eine Schalteinrichtung vorgesehen, die die Phasenleitungen zwi- sehen dem Motor und der externen Stromversorgung umschalten, d.h. im Ladebetriebszustand ist der Elektromotor vom Umrichter entkoppelt.

In beiden Fällen ermöglicht die Schalteinrichtung beispiels- weise für den Betrieb des Elektromotors als Synchronmaschine im Feldschwächebetrieb im Fehlerfall eine Trennung von Elektromotor und Umrichter. So ist gleichzeitig für eine Schutz- massnahme gesorgt, die ansonsten zusätzlich - beispielsweise in Form eine VPM (Voltage Protection Module) vorgesehen sein müsste.

Zweckmäßig ist es, wenn die im Umrichter verwendeten Halbleiterbauteile eine Spannungsfestigkeit von wenigsten 1200V aufweisen. In heutigen elektrisch betriebenen Fahrzeugen mit ei- ner Zwischenkreisspannung von nur 400 V weisen die Halbleiterbauteile eine Spannungsfestigkeit von beispielsweise ca. 600 V auf. Auch die Batterie ist dabei üblicherweise auf eine Zwischenkreisspannung von wesentlich weniger als 650 V ausgelegt. Um beispielsweise eine solche Batterie auch bei der er- findungsgemäß erhöhten Zwischenkreisspannung verwenden zu können, kann zwischen Umrichter und Batterie ein DC/DC- Wandler, beispielsweise ein Tiefsetzsteller oder Hochsetz- steller vorgesehen sein.

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert darge- stellt und sich entsprechende Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen markiert. Die Figuren zeigen dabei im Einzelnen

Figur 1 eine Anordnung aus Synchronmotor, Umrichter und Batterie,

Figur 2 eine zweite Anordnung aus Synchronmotor, Umrichter und Batterie,

Figur 3 eine dritte Anordnung aus Synchronmotor, Umrichter, DC/DC-Wandler und Batterie,

Die Figuren 1 bis 3 zeigen Aufbauten gemäß einem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Den Aufbauten sind dabei einige Elemente gemeinsam. So ist eine Batterie 1 ist dabei über zwei elektrische Leitungen direkt im Falle der Figuren 1 und 2 oder indirekt in Figur 3 mit einem Umrichter 2 verbunden. Der Umrichter 2 umfasst dabei auf der Seite der Batterie 1 einen in den Figuren 1 bis 3 nicht gezeigten Zwischenkreiskondensator .

Weiterhin ist der Umrichter 2 über seine drei Ausgangsleitungen mit einer permanenterregten Synchronmaschine 3 verbunden. Zwischen dem Umrichter 2 und der permanenterregten Synchronmaschine 3 ist dabei eine Schalteinrichtung 6, 7 vorgesehen. Die Schalteinrichtungen umfassen dabei jeweils drei Schalter, einen für jede der drei Phasenleitungen.

In Figur 1 kann die Schalteinrichtung 6 die Verbindung zwischen dem Umrichter 2 und der permanenterregten Synchronmaschine 3 für jede der Phasen auftrennen. Ist die Verbindung aufgetrennt, so ist gleichzeitig eine Verbindung vom Umrichter 2 zu einem dreiphasigen Netzanschluss 5 hergestellt. Die permanenterregten Synchronmaschine 3 hat dann keine elektrische Verbindung mehr zu den hier betrachteten Teilen. In jeder der Phasenverbindungen zum Netzanschluss 5 ist eine In- duktivität 9 vorgesehen, die für eine Leistungsfaktorkorrektur verwendet wird. Hierdurch wird eine sinusförmige Stromentnahme aus dem am Netzanschluss 5 angeschlossenen Versorgungsnetz vorgenommen. Die Induktivität kann dabei im Fahr- zeug vorgesehen sein, aber auch außerhalb des Fahrzeugs als Teil einer Ladestation.

Das erste Ausführungsbeispiel ermöglicht wie auch die anderen Ausführungsbeispiele einen Betrieb in drei verschiedenen Zuständen. Im ersten Zustand, dem Motorbetriebszustand, wird die permanenterregten Synchronmaschine 3 in bekannter Weise aus der Batterie 1 betrieben, wobei der Umrichter für eine Umwandlung der einphasigen DC-Spannung aus der Batterie 1 in eine dreiphasige Wechselspannung für die permanenterregten Synchronmaschine 3 sorgt. Hierbei ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel für die Erfindung die Schalteinrichtung 6 zweckmäßig so eingestellt, dass die Verbindung zum Netzan- schluss 5 getrennt ist und eine Verbindung zwischen dem Um- richter 2 und der permanenterregten Synchronmaschine 3 hergestellt ist.

In einem zweiten Betriebszustand, dem Rückspeisebetrieb, wird in bekannter Weise elektrische Energie aus der permanenter- regten Synchronmaschine 3 in die Batterie zurückgespeist, was üblicherweise während einer Bremsung des Fahrzeugs passiert. Dabei ist die Schalteinrichtung 6 ebenso eingestellt wie im ersten Betriebszustand, d.h. es besteht keine Verbindung zum Netzanschluss 5.

Ein dritter Betriebszustand besteht im Ladebetriebszustand. In diesem wird die Batterie 1 aus einem externen Versorgungsnetz, üblicherweise dem Haushaltsnetz, aufgeladen. Dieser Zustand weist einen geänderten Zustand der Schalteinrichtung 6 auf, in dem die Verbindung zwischen Umrichter 2 und permanenterregter Synchronmaschine 3 getrennt ist. Stattdessen ist der Umrichter 2 mit dem Netzanschluss 5 verbunden. In diesem Fall agiert der Umrichter 2 als Hochsetzsteller . Er wird dabei so gesteuert, dass er in seinem Zwischenkreis, d.h. auf Seite der Batterie 1 eine Gleichspannung von 680 V erzeugt.

Diese Gleichspannung ist vorteilhaft, da sie sicher über der Spitzenspannung in jedem Stromnetzwerk liegt, das eine drei- phasige Spannung von 400V +/- 15% hat. Bei einem solchen Netz kann die Spitzenspannung bis zu

betragen. Liegt die Zwischenkreisspannung unter dieser Spannung, kann es zu einer unkontrollierten Ladung des Zwischenkreises über die Freilaufdioden des Umrichters 2 kommen, was wiederum Sicherungen im externen Netz auslösen würde.

Wird die permanenterregte Synchronmaschine 3 im Feldschwäche- Modus betrieben, so kann die Schalteinrichtung 6 dazu verwendet werden, die Verbindung zwischen der permanenterregten Synchronmaschine 3 und dem Umrichter 2 aufzutrennen, falls eine Fehlfunktion beispielsweise im Umrichter 2 auftritt. Eine solche Fehlfunktion ist vor allem problematisch, wenn die permanenterregte Synchronmaschine 3 in Bewegung ist. Da das üblicherweise nur zu erwarten ist, wenn das Fahrzeug nicht gleichzeitig an ein externes Versorgungsnetz angeschlossen ist, wird bei Umschalten der Schalteinrichtung 6 üblicherweise keine Verbindung des Umrichter 2 mit dem Versorgungsnetz hergestellt, die Umschaltung entspricht dann nur einer Auftrennung der Verbindung zwischen der permanenterregten Synchronmaschine 3 und Umrichter 2.

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Die hier verwendete Schalteinrichtung 7 entspricht im Aufbau der Schalteinrichtung 6, ist jedoch anders angeordnet. Die Schalteinrichtung 7 ist so angeordnet, dass sie jetzt ei- ne Verbindung der Motorwindungen 4 zum Sternpunkt 8 herstellen kann, beispielsweise für den Motorbetriebszustand oder den Rückspeisebetriebszustand. Für den Ladebetriebszustand wiederum kann die Verbindung der Motorwindungen 4 zum Sternpunkt 8 aufgetrennt werden. Die Schalteinrichtung 7 stellt dann stattdessen eine Verbindung der drei Phasenleitungen zum Netzanschluss 5 her. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Motorwindungen 4 für die Leitungsfaktorkorrektur mitverwendet. Dadurch können die im ersten Ausführungsbeispiel zusätz- lieh verwendeten Induktivitäten 9 weggelassen werden oder es können zumindest kleinere Induktivitäten verwendet werden. Hierbei wird zweckmäßig die permanenterregte Synchronmaschine 3 durch eine Bremse, die in Figur 2 nicht gezeigt ist, fest- gehalten, um unbeabsichtigte Bewegungen zu verhindern.

Auch im zweiten Ausführungsbeispiel ist der Umrichter 2 ausgestaltet, eine Zwischenkreisspannung von wenigstens 650 V, beispielsweise 700 V aufrechtzuerhalten und als Hochsetzstel- ler mit sinusförmiger Stromaufnahme zu arbeiten.

Das dritte Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 3 entspricht vom Aufbau der Schalteinrichtung 6 wieder dem ersten Ausführungsbeispiel. Ein Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass im dritten Ausführungsbeispiel zwischen dem Umrichter 2 und der Batterie 1 nun ein DC/DC-Wandler 10 vorgesehen ist. Auch im dritten Ausführungsbeispiel ist der Umrichter 2 ausgestaltet, eine Zwischenkreisspannung von wenigstens 650 V, beispielsweise 720 V aufrechtzuerhalten und als Hochsetzsteller mit sinusförmiger Stromaufnahme zu arbeiten. Die Zwischenkreisspannung reicht im dritten Ausführungsbeispiel aber nur bis zum DC/DC-Wandler 10. Dieser setzt die Zwischenkreisspannung in eine andere DC-Spannung um, im dritten Ausführungsbeispiel 400 V. Dadurch wird es möglich, eine Batterie 1 einzusetzen, die auf 400 V Zwischenkreisspannung ausgelegt ist. Der DC/DC-Wandler 10 macht also die Batterie 1 unabhängig von der Zwischenkreisspannung.

Es ist klar, dass der Einsatz des DC/DC-Wandler 10 und die Positionierung der Schalteinrichtungen 6, 7, also die Wahl, ob die Motorwindungen 4 mitbenutzt werden sollen oder nicht, unabhängig voneinander sind. Insofern kann in einem vierten Ausführungsbeispiel, das nicht in einer Figur dargestellt ist, auch vom Aufbau gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgegangen werden und auch hier ein DC/DC-Wandler 10 verwendet werden. Der Aufbau des Umrichters 2 entspricht von der Verschaltung der Elemente einem bekannten Umrichter 2, speziell einem Umrichter 2 für elektrisch betriebene Fahrzeuge. Da gemäß der Erfindung eine Zwischenkreisspannung von wenigstens 650 V verwendet wird, können jedoch die herkömmlich für einen Umrichter 2 in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug verwendeten Halbleiterbauelemente mit Spannungsfestigkeiten von bis zu 600 V - bei Zwischenkreisspannungen von bis zu 400 V - nicht aus. Stattdessen weisen die Halbleiterbauelemente hier eine Spannungsfestigkeit von 1200 V auf.