Verfahren zum Übertragen von elektrischer Leistung an einen elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeugbordnetzes und Fahrzeugbordnetz

Kraftfahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen einen

elektrischen Energiespeicher in Form eines Traktionsakkumu lators auf, der den elektrischen Antrieb speist. Um den Energiespeicher zu laden, ist an einem derartigen Kraftfahrzeug ein Ladeanschluss angebracht. Über diesen Ladeanschluss kann eine externe Energieguelle angeschlossen werden.

Um die Aufladung des Energiespeichers zu steuern, ist im Kraftfahrzeug eine Leistungselektronik untergebracht. Da diese für hohe Leistungen von mehr als 10 kW oder auch mehr als 100 kW ausgelegt ist und ferner unterschiedliche und jeweils verän derliche Spannungsniveaus am Ladeanschluss und an dem Ener giespeicher bewältigen muss, ergeben sich wesentliche Kosten für die Leistungselektronik.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der elektrische Leistung an den Energiespeicher des Fahrzeugbordnetzes mit geringerem Aufwand übertragen werden kann .

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur.

Es wird vorgeschlagen, zum Übertragen von Wechselstrom zwischen einem Wechselstromladeanschluss und einem Energiespeicher eines Fahrzeugbordnetzes einen Gleichrichter vorzusehen, der mit dem Wechselstromladeanschluss verbunden ist. Abhängig von den Spannungsniveaus an der Gleichstromseite des Gleichrichters und an dem Energiespeicher wird entweder die vom Gleichrichter abgegebene Leistung direkt (insbesondere ohne Spannungswand- lung) an den Energiespeicher übertragen oder über einen Inverter und eine daran angeschlossene (d.h. nachgeschaltete) elektrische Maschine an den Energiespeicher übertragen. Bei der direkten Übertragung wird nur im Gleichrichter (und nicht im Inverter) Verlustleistung erzeugt, während bei einer Übertragung über den Inverter und die elektrische Maschine (sowie über den vorge schalten Gleichrichter) diese beiden Komponenten als Gleich spannungswandler betrieben werden können, um unterschiedliche Spannungsniveaus zwischen Gleichrichter und Energiespeicher ausgleichen zu können. In einem Wechselstrom-Direktlademodus wird somit direkt übertragen und in einem Wechsel

strom-Anpassungslademodus wird zwischen dem Gleichrichter und dem Energiespeicher die Leistung über den Inverter und die elektrische Maschine geführt. Insbesondere wird in beiden Modi im Gleichrichter eine Leistungsfaktorkorrekturfilterung (PFC-Filterung) durchgeführt. Ferner wird in beiden Modi im Gleichrichter eine Gleichrichtung durchgeführt. Im Wechsel strom-Anpassungslademodus wird vorzugsweise im Gleichrichter keine Aufwärtswandlung durchgeführt. Im Wechsel

strom-Direktlademodus wird vorzugsweise eine Aufwärtswandlung durchgeführt, insbesondere eine Aufwärtswandlung, die über eine Spannungserhöhung zur Durchführung der Leistungfaktorkorrek turfilterung hinausgeht . Bei einer Leistungfaktorkorrektur filterung kann die Spannung leicht erhöht werden, insbesondere um nicht mehr als 5%, 7%, 10%, 15%), um die Filterung durch zuführen. Dies wird als Spannungserhöhung verstanden, die zur Durchführung der Leistungfaktorkorrekturfilterung erforderlich ist. Die Aufwärtswandlung geht über diese Spannungserhöhung hinaus und ist mit einer Erhöhung der Spannung um mehr als die Spannungserhöhung bei der PFC-Filterung verknüpft, etwa mit einer Erhöhung von mehr als 5%, 7%, 10%, 15% und vorzugsweise von mindestens 50%, 100%, 150% oder 200%. Die Erhöhung bzw.

Spannungserhöhung bezieht sich auf die Ausgangsspannung des Gleichrichters bezogen auf den Spitzen-Spitzen-Wert der (ggf. verketteten) Spannung am Wechselstromanschluss.

Es wird abhängig von dem Verhältnis der Spannungsniveaus zwischen dem Gleichrichter und dem Energiespeicher der Wechsel- strom-Direktlademodus oder der Wechselstrom-Anpassungs lademodus ausgeführt. Dadurch ist möglich, dem Spannungsniveau des Energiespeichers, das sich beim Laden ändert, und unter schiedlichen Spannungen bzw. Anschlusskonstellationen am Wechselstromanschluss Rechnung zu tragen, zumal der Wechsel stromanschluss (abhängig von der Ladestation) ein- oder mehrphasig belegt sein kann.

Es wird ein Verfahren zum Übertragen von elektrischer Leistung an einen elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeugbordnetzes beschrieben. Der elektrischen Energiespeicher ist vorzugsweise ein Akkumulator, beispielsweise ein Traktionsakkumulator, der insbesondere ein Lithium-Akkumulator sein kann. Der elektrischen Energiespeicher ist insbesondere ein Hochvoltakkumulator. Die elektrische Leistung wird ausgehend von einer Ladestation oder einer anderen elektrischen Energieguelle außerhalb des Fahr zeugbordnetzes übertragen. Es ist jedoch auch möglich, Leistung in umgekehrter Richtung zu übertragen. Das Fahrzeugbordnetz ist insbesondere ein Hochvoltbordnetz. Mit der Vorsilbe „Hochvolt" wird eine Nennspannung gekennzeichnet, die über 60 V liegt, insbesondere eine Nennspannung von mindestens 120 V, 300 V, 350 V, 380 V oder auch von mindestens 450 V oder 600 V, beispielsweise 380 V, 400 V oder 800 V.

In einem Wechselstrom-Direktlademodus wird die Leistung von einem Gleichrichter (insbesondere von dessen Gleichstromseite) direkt an den Energiespeicher übertragen wird. In diesem Zu sammenhang bedeutet „direkt", dass zwischen Energiespeicher und Gleichrichter keine Spannungswandlung durchgeführt wird. Der Gleichrichter kann ein ungesteuerter Gleichrichter sein, ist jedoch vorzugsweise ein gesteuerter Gleichrichter, vorzugsweise mit der Funktion, eine Leistungsfaktorkorrekturfilterung (an der Wechselstromseite des Gleichrichters bzw. am Ladeanschluss) durchzuführen, wobei hierbei insbesondere der Leistungsfaktor vergrößert wird und/oder Oberschwindungsanteile verringert werden. Der Gleichrichter wird von einem Wechselstromladean schluss des Fahrzeugbordnetzes gespeist. Der Wechselstrom ladeanschluss ist mit dem Gleichrichter verbunden, insbesondere mit einer Wechselstromseite des Gleichrichters. Es kann vor gesehen sein, dass der Gleichrichter kann neben der Gleich richtung eine (Gleichstrom-) Aufwärtswandlung durchführt, insbesondere eine Aufwärtswandlung, die über eine Spannungs erhöhung, die durch die PFC-Filterung bedingt ist, hinausgeht. Der Gleichrichter kann somit eingerichtet sein, eine Auf- wärtswandlung durchzuführen, die zu einer Spannung führt, deren Niveau wesentlich über der Spitzen-Spitzen-Spannung der (ggf. verketteten) Wechselspannung am Wechselstromladeanschluss besteht. Eine Erhöhung um nicht mehr als etwa 5%, 7%, 10% oder 15% wird nicht als wesentliche Erhöhung betrachtet. Eine nicht wesentliche Erhöhung wird der PFC-Filterung und nicht der Aufwärtswandlung (im Wechselstrom-Direktlademodus) zugerech net .

Als Aufwärtswandlung wird eine Erhöhung der gleichgerichteten Spannung gegenüber der Spitzen-Spitzen-Spannung der (ggf. verketteten) Wechselspannung am Wechselstromladeanschluss hinausgeht, insbesondere um mehr als eine Spannungserhöhung, die mit der PFC-Filterung verknüpft ist. Die Aufwärtswandlung wird vorzugsweise durch Steuerung der Schalter des PFC-fähigen Gleichrichters ausgeführt, insbesondere ohne eine Spannungs wandlung durch einen dezidierten, einer Gleichrichterschaltung nachgeschalteten Spannungswandler (DC/DC-Wandler ) . Die Auf- wärtswandlung wird insbesondere im Wechselstrom-Direktlademodus durchgeführt, und wird nicht im Wechselstrom-Anpassungslade modus durchgeführt (in dem nur eine Spannungserhöhung durch geführt wird, die mit der PFC-Funktion verknüpft ist) .

Der Gleichrichter ist somit insbesondere mit einer Span- nungsboost-Funktion (entsprechend der Aufwärtswandlung) aus gestattet. Dieser Funktion kann im Wechselstrom-Direktlademodus durchgeführt werden und wird nicht im Wechsel

strom-Anpassungsmodus betrieben. Im Wechsel

strom-Anpassungsmodus werden der Inverter und die elektrische Maschine als Abwärtswandler (Buck-Wandler) betrieben.

In einem Wechselstrom-Anpassungslademodus wird die Leistung von dem Gleichrichter über einen Inverter und über eine elektrische Maschine an den Energiespeicher übertragen. Der Inverter (insbesondere dessen Gleichstromseite) ist mit der Gleich stromseite des Gleichrichters verbunden. Die Wechselstromseite des Inverters ist mit der elektrischen Maschine verbunden, insbesondere mit Phasen- bzw. Wicklungsanschlüssen der elektrischen Maschine. Die Leistung wird somit von dem Inverter über die elektrische Maschine an den Energiespeicher übertragen. Hierbei wird die Leistung über mindestens einer Wicklung oder entlang mindestens eines Wicklungsabschnitts der elektrischen Maschine übertragen. Insbesondere kann die Leistung über die elektrische Maschine übertragen werden, indem die Leistung an mindestens einem Phasenanschluss der elektrischen Maschine eingespeist wird und vom (dazu entgegengesetzten) Sternpunkt abgegeben wird. Dieser Phasenanschluss wird auch als äußerer Phasenanschluss bezeichnet. Die Leistung wird über die In duktivität der mindestens einen Wicklung (oder Wicklungsab schnitt) der elektrischen Maschine übertragen.

Bei dem Übertragen der Leistung über den Inverter und die damit verbundene elektrische Maschine wird der Inverter zusammen mit der elektrischen Maschine als Abwärtswandler (Buck-Wandler) bzw. als Synchronwandler im Abwärtswandlermodus betrieben. Hierbei bildet mindestens ein Leistungsschalter des Inverters mindestens einen Schalter des Abwärtswandlers während die mindestens eine Wicklung der elektrischen Maschine als Induktivität des Ab- wärtswandlers betrieben wird. Der Inverter und die elektrische Maschine können einen (einzelnen oder kaskadierten) Abwärts wandler ausbilden.

Der Inverter bzw. mindestens ein Leistungsschalter hiervon wird angesteuert, um zusammen mit der mindestens einen Wicklung der elektrischen Maschine einen abwärtswandelnden Gleichspan nungswandler auszubilden. Der abwärtswandelnde Gleichspan nungswandler wird auch als abwärtswandelnder DC/DC-Wandler bezeichnet. Eine Soll-Spannung für das an der elektrischen Maschine abgegebene Spannungsniveau (d.h. die Spannung an mindestens einem inneren Phasenanschluss bzw. am Sternpunkt) kann vorgegeben sein, etwa von einer Ladesteuerung, die der Steuerung der Leistungsschalter des Inverters vorgeschaltet sein kann. Beim Betrieb der elektrischen Maschine zusammen mit dem Inverter als Gleichspannungswandler kann der Sternpunkt auf gelöst sein, d.h. die inneren Phasenanschlüsse von voneinander getrennt sein (alle oder eine Untergruppe hiervon) .

Es kann eine Umschaltvorrichtung verwendet werden, um einen Modus aus den mindestens zwei möglichen Modi (Wechsel

strom-Direktlademodus oder Wechselstrom-Anpassungslademodus) auszuwählen. In dem Wechselstrom-Direktlademodus verbindet eine Umschaltvorrichtung den Gleichrichter mit dem Energiespeicher, insbesondere in direkter Weise (d.h. ohne Spannungswandlung) . Ein Schalter der Umschaltvorrichtung überträgt hierbei die Leistung. In dem Wechselstrom-Anpassungslademodus verbindet die Umschaltvorrichtung den Gleichrichter mit dem Inverter bzw. stellt einen Leistungspfad her, der über den Inverter und über die elektrische Maschine führt. Hierzu kann ein weiterer Schalter der Umschaltvorrichtung vorgesehen sein, der hierbei die Leistung überträgt. Der weitere Schalter und der erstgenannte Schalter bilden vorzugsweise zusammen die Umschaltvorrichtung . Die beiden Schalter sind wechselweise geschlossen, d.h. wenn ein Schalter geschlossen ist, ist der andere Schalter offen. In einem Inaktiv-Modus können beide Schalter offen sein.

Der Gleichrichter richtet in zumindest einem der Wechsel strom-Lademodi die Leistung gleich, vorzugsweise im Wechsel strom-Direktlademodus und im Wechselstrom-Anpassungslademodus . Der Gleichrichter ist insbesondere ein gesteuerter Gleich richter. Ferner führt der Gleichrichter eine Leistungsfak torkorrekturfilterfunktion (PFC-Funktion, Power Factor Cor- rection - Funktion) durch, insbesondere an der Wechselstromseite des Gleichrichters. Hierbei wird der Leistungsfaktor erhöht, es werden Oberschwingungsanteile verringert, oder beides. Der Gleichrichter kann als Vienna-Gleichrichter ausgebildet sein. Um die Leistungs faktorkorrekturfilterung durchzuführen, umfasst der Gleichrichter (für jede Phase) mindestens ein energie speicherndes Bauelement, beispielsweise eine Spule oder einen Kondensator. Das energiespeichernde Bauelement kann in Reihe zu den Phasenanschlüssen des Gleichrichters (an der Wechsel stromseite) vorgesehen sein, etwa in Form einer Serieninduk tivität (für jede Phase) . Alternativ oder zusätzlich kann ein energiespeicherndes Bauelement parallel zu verschiedenen Phasenanschlüssen angeschlossen sein, etwa in Dreieckkonfi guration oder in Sternkonfiguration. Das energiespeichernde Bauelement in Form von Parallelkondensatoren ausgebildet sein, mittels denen die Phasenanschlüsse miteinander verbunden sind. Der Gleichrichter kann somit zum Leistungskorrekturfiltern ausgebildet sein bzw. ein Leistungskorrekturfiltern (PFC, power factor correction) ausführen. Ein Leistungskorrekturfiltern kann gleichgesetzt werden mit dem hier erwähnten Ändern des Leistungsfaktors bzw. mit dem Erhöhen des Leistungsfaktors und einer Verringerung von Oberschwingungsanteilen.

Der Inverter kann eine gesteuerte Vollwellenbrücke sein, insbesondere mit mehreren Phasen, beispielsweise eine mehr phasige BnC-Brücke, wobei n dem Doppelten der Phasenanzahl entspricht. Der Inverter kann als B6C-Brücke ausgestaltet sein. Der Inverter kann ferner als eine oder eine Vielzahl von H-Brücken ausgestaltet sein.

Der Inverter und/oder der Gleichrichter kann Halbleiterschalter umfassen, etwa MOSFETs oder IGBTs oder auch Dioden. Die Halbleiterschalter sind Leistungs Schalter .

In dem Wechselstrom-Anpassungslademodus kann die Leistung von der elektrischen Maschine über einen Filter an den Energie speicher übertragen werden, insbesondere über einen Filter, der der elektrischen Maschine (vom Inverter aus gesehen) nachge schaltet ist bzw. der sich zwischen elektrischer Maschine und Energiespeicher befindet.

In dem Wechselstrom-Anpassungslademodus kann der Inverter als abwärtswandelnder Gleichspannungswandler (kurz: Abwärtswand ler) betrieben werden. Insbesondere kann in dem Wechsel strom-Anpassungslademodus kann der Inverter zusammen mit zu mindest einer Wicklung der elektrischen Maschine als Ab- wärtswandler betrieben werden. Ferner kann in dem Wechsel strom-Anpassungslademodus der Inverter als Schalter eines Abwärtswandlers betrieben werden, der sich durch die Kombination des Inverters mit der elektrischen Maschine (und die ent sprechende Ansteuerung) ergibt. Es werden insbesondere nur ein Teil aller Leistungsschalter des Inverters verwendet, um die Schalter eines Abwärtswandlers zu realisieren. Hierbei kann der so gebildete Abwärtswandlers eine vom Gleichrichter abgegebene Gleichspannung in eine andere, niedrigere Gleichspannung wandeln. Im Wechselstrom-Direktlademodus kann der Inverter deaktiviert sein. Insbesondere sind im Wechsel

strom-Direktlademodus alle Schalter des Inverters offen. Im Wechselstrom-Anpassungslademodus wird die durch Gleichrichtung (und PFC-Filterung) entstehende Gleichspannung an ein (nied rigeres) Spannungsniveau an der Batterie angepasst, um so überhöhte Ströme durch ein starkes Spannungsgefälle zwischen gleichgerichteter Wechselspannung und EnergiespeicherSpannung zu vermeiden.

Die vom Inverter bzw. der elektrischen Maschine abgegebene Spannung kann mittels eines Filters gefiltert werden. Dieser Filter ist der elektrischen Maschine nachgeschaltet und ist insbesondere mit dem Sternpunkt bzw. den inneren Phasenan schlüssen der elektrischen Maschine (schalterlos) verbunden.

Ferner kann ein Gleichspannungslademodus vorgesehen sein. In diesem Modus wird die Leistung (welche als Gleichstrom / Gleichspannung vorliegt) von einem Gleichstromladeanschluss direkt (d.h. ohne Spannungswandlung) an den Energiespeicher übertragen. Alternativ oder in Kombination hiermit kann ein Gleichspannungs-Anpassungslademodus vorgesehen sein, bei dem die Leistung von dem Gleichstromladeanschluss über einen Gleichspannungswandler an den Energiespeicher übertragen wird. Hierbei kann der Gleichspannungswandler ein dezidierter Gleichspannungswandler zum Gleichspannungsladen sein, oder kann gebildet werden von Schaltern des Inverters und der elektrischen Maschine . Im letztgenannten Fall wird die Leistung übertragen von dem Gleichstromladeanschluss über die elektrische Maschine an den Inverter und ausgehend von diesem an den Energiespeicher. Ein Schalter, der den Energiespeicher direkt mit dem Gleich stromladeanschluss verbindet, ist im Gleichspannungs-An passungslademodus offen und im Gleichspannungslademodus (der auch als Direkt-Gleichspannungslademodus bezeichnet werden kann) geschlossen.

Schließlich kann ein Fahrmodus oder ein Rekuperationsmodus vorgesehen sein, in dem der Energiespeicher über den Inverter mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Hierbei wird Leistung von dem Energiespeicher über den Inverter an die elektrische Maschine übertragen und dort von der elektrischen Maschine in mechanische Leistung gewandelt (Traktionsmodus), oder die Leistung wird ausgehend von mechanischer Leistung in der elektrischen Maschine erzeugt und über den Inverter an den Energiespeicher übertragen. In dem Fahrmodus und in dem Re kuperationsmodus ist der Gleichrichter deaktiviert und weist insbesondere offene Leistungsschalter auf.

Es können Rückspeisemodi bestehen, bei denen Leistung vom elektrischen Energiespeicher an zumindest eine der Ladean schlüsse übertragen werden kann, etwa ein erster Rückspeise modus, bei dem Leistung vom Energiespeicher direkt über den (steuerbaren) Gleichrichter an den Wechselstromladeanschluss übertragen wird (wobei der Gleichrichter dann wechselrichtet), ein zweiter Rückspeisemodus, bei dem Leistung vom Energie speicher über die elektrische Maschine und den daran ange schlossenen Inverter sowie über den (steuerbaren) Gleichrichter an den Wechselstromladeanschluss übertragen wird (wobei der Gleichrichter dann wechselrichtet und der Inverter Gleich spannung wandelt), oder ein dritter Rückspeisemodus, bei dem Leistung vom Energiespeicher an den Gleichspannungsladean schluss abgegeben wird.

Der Gleichrichter kann in einem Gleichrichtermodus betrieben werden, in dem die am Wechselstromladeanschluss liegende Spannung nur gleichgerichtet und einer PFC-Filterung unterworfen wird wobei der Gleichrichter keine Spannungswandlung (die mit der PFC-Filterung verknüpft ist) durchführt. Mit anderen Worten führt dann der Gleichrichter keine Aufwärtswandlung durch, sondern nur ggf. eine Erhöhung der Spannung, die mit der PFC-Filterung verknüpft ist, etwa eine Erhöhung von nicht mehr als 5%, 7%, 10% oder 15%. Die gleichgerichtete Spannung ergibt sich in diesem Modus durch die effektive und ggf. verkette Wechselspannung am Wechselstromladeanschluss und ggf . durch eine nicht wesentliche Spannungserhöhung, die mit der PFC-Filterung verknüpft ist. Der Gleichrichter kann eingerichtet sein, auch in einem Gleichricht-Spannungswandlungsmodus betrieben zu werden, in dem dieser die am Wechselstromladeanschluss anliegende Spannung gleichrichtet und zudem eine Aufwärtswandlung durchführt, die über eine (nicht wesentliche) Spannungserhöhung durch PFC-Filterung hinausgeht. Um eine (wesentliche, d.h. über 5%, 7%, 10% oder 15% hinausgehende) Aufwärtswandlung ausführen zu können, weist der Gleichrichter mindestens ein energie speicherndes Bauelement wie zumindest ein Kondensator oder zumindest eine Induktivität auf, wie vorangehend beschrieben ist. Der Gleichrichter weist insbesondere eine Leistungsfak torkorrekturfunktion (Power Factor Correction, PFC) auf. Diese wird mittels des mindestens einen energiespeichernden Bau elements realisiert. Das Aufwärtswandeln wird somit mit Kom ponenten des Gleichrichters realisiert, die auch zur Reali sierung der Leistungsfaktorkorrekturfunktion dienen. Durch Schalten von HalbleiterSchaltern des Gleichrichters gemäß Parametern wie Tastgrad, Schaltphase, Phasenversatz und Freguenz wird das Aufwärtswandeln und/oder die Leistungsfaktorkorrek turfunktion realisiert und gesteuert.

In einer Ausführungsform führt in dem Wechselstrom-Direkt lademodus der Gleichrichter eine Aufwärtswandlung (sowie eine Gleichrichtung und PFC-Filterung) durch. Der Inverter ist hierbei deaktiviert, insbesondere da von dem Gleichrichter die Leistung direkt an den Energiespeicher geführt wird. Der Wechselstrom-Direktlademodus wird beispielsweise eingestellt, wenn die Spitzen-Spitzen-Spannung am Wechselstromladeanschluss (entsprechend der Quadratwurzel von zwei multipliziert mit dem Effektivwert der Spannung) nicht mehr als eine vorgegebene Marge unter der Spannung des Energiespeichers liegt. Dies gilt insbesondere für eine einphasige Belegung des Wechselstrom ladeanschlusses. Ferner kann der Wechselstrom-Direktlademodus eingestellt werden, wenn der Spitzen-Spitzen-Wert der ver ketteten Spannung am Wechselstromladeanschluss (entsprechend der Quadratwurzel von zwei multipliziert mit der verketteten Spannung am Wechselstromladeanschluss) nicht mehr als eine vorgegebene Marge unter der Spannung des Energiespeichers liegt.

So kann beispielsweise bei einer Spannung des Energiespeichers von mehr als 325 V oder 350 V und einphasiger Belegung des Wechselstromladeanschlusses bei einer Netzspannung von 230 V effektive Wechselspannung der Wechselstrom-Direktlademodus eingestellt werden. Hierbei arbeitet der Gleichrichter auch als Hochsetzsteller (Aufwärtswandler), d.h. führt einen Span- nungs-Boost durch, so dass die vom Gleichrichter abgegebene Spannung höher ist als die Spannung, die sich bei reiner Gleichrichtung und reiner PFC-Filterung ohne (wesentliches) Aufwärtswandeln ergeben würde.

Wenn beispielsweise mit dreiphasigem Drehstrom (mit einer Sternpassung von 230 V effektiver Wechselspannung bzw. einer verketteten effektiver Wechselspannung von ca. 400 V) geladen wird, entsprechend einer dreiphasigen Belegung des Wechsel stromladeanschlusses, und liegt die Spannung des Energie speichers über 600 V, 620 V oder 650 V oder auch 670 V, dann wird ebenso der Wechselstrom-Direktlademodus durchgeführt, bei dem der Gleichrichter neben der Funktion des Gleichrichtens und der Leistungsfaktorkorrektur auch die Funktion des Aufwärtswandeins ausführt und die Leistung direkt an den Energiespeicher (und nicht über den Inverter / die elektrische Maschine) abgibt.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass in dem Wechsel

strom-Anpassungslademodus der Gleichrichter keine Aufwärts wandlung durchführt und nur gleichrichtet und eine PFC-Funktion ausführt. Der Inverter ist hierbei aktiviert und führt zusammen mit mindestens einer Wicklungsinduktivität der elektrischen Maschine eine Abwärtswandlung durch. Die Leistung wird von dem Gleichrichter über den Inverter und die elektrischen Maschine (in dieser Reihenfolge) an den Energiespeicher geführt. Der Wechselstrom-Anpassungslademodus wird beispielsweise einge stellt, wenn die Spitzen-Spitzen-Spannung am Wechselstrom ladeanschluss (entsprechend der Quadratwurzel von zwei mul tipliziert mit dem Effektivwert der Spannung) nicht mehr als eine vorgegebene Marge über der Spannung des Energiespeichers liegt. Dies gilt insbesondere für eine einphasige Belegung des Wechselstromladeanschlusses. Ferner kann der Wechsel

strom-Direktlademodus eingestellt werden, wenn der Spit- zen-Spit zen-Wert der verketteten Spannung am Wechselstrom ladeanschluss (entsprechend der Quadratwurzel von zwei mul tipliziert mit der verketteten Spannung am Wechselstromlade anschluss) nicht mehr als eine vorgegebene Marge über der Spannung des Energiespeichers liegt. So kann beispielsweise bei einer effektiven Wechselspannung des Energiespeichers von nicht mehr als 325 V oder 350 V und einphasiger Belegung des Wech selstromladeanschlusses bei einer effektiven Netzspannung von 230 V Wechselspannung der Wechselstrom-Anpassungslademodus eingestellt werden. Hierbei arbeitet der Gleichrichter nur als Gleichrichter (und PFC-Filter) und nicht als Hochsetzsteller (Aufwärtswandler), d.h. führt keinen Spannungs-Boost (der über eine Spannungserhöhung durch PFC-Filterung hinausgehen würde) durch. Dadurch entspricht die vom Gleichrichter abgegebene Spannung derjenigen Spannung, welche sich bei reiner Gleich richtung (incl. PFC-Filterung) ohne Aufwärtswandeln ergibt . Wenn beispielsweise mit dreiphasigem Drehstrom (mit einer Stern passung von 230 V bzw. einer verketteten Spannung von ca. 400 V Wechselstrom) geladen wird, entsprechend einer dreiphasigen Belegung des Wechselstromladeanschlusses, und liegt die Spannung des Energiespeichers nicht über 600 V, 620 V, 650 V oder auch 670 V, dann wird ebenso der Wechselstrom-Anpassungslademodus durchgeführt, bei dem der Gleichrichter nur die Funktionen des Gleichrichtens und des PFC-Filtern ausführt und nicht die Funktion des Aufwärtswandeins. Der Gleichrichter gibt hierbei die Leistung nicht direkt an den Energiespeicher sondern über den Inverter / die elektrische Maschine ab, welche das Span nungsniveau verringern. Der Inverter und die elektrische Ma- schine passen hierbei die gleichgerichtete Spannung an durch abwärtswandeln .

Ferner wird ein Fahrzeugbordnetz mit einem Wechselstromlade anschluss und einem Gleichrichter beschrieben. Dieses Fahr zeugbordnetz und dessen Komponenten entsprechen insbesondere dem Bordnetz und den Komponenten, die anhand deren das Verfahren und Ausführungsformen hiervon beschrieben wurde. Der Gleichrichter ist über eine UmschaltVorrichtung auswählbar entweder direkt mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden, wobei dies dem Wechselstrom-Direktlademodus entspricht, oder ist über einen Inverter und einer elektrische Maschine mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden, wobei dies dem Wechsel

strom-Anpassungslademodus entspricht. Die UmschaltVorrichtung ist somit zur Auswahl zweier Leistungspfade (ausgehend vom Gleichrichter) eingerichtet, die beide zum Energiespeicher führen. Der eine Leistungspfad ist direkt und der andere Leistungspfad führt über den Inverter und die daran ange schlossene elektrische Maschine. Der Inverter ist über die elektrische Maschine mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden. Der Inverter ist zwischen dem Gleichrichter und der elektrischen Maschine angeschlossen. Ausgehend vom Gleich richter ist die elektrische Maschine dem Inverter nachge schaltet. Zwischen dem Energiespeicher und dem Inverter ist die elektrische Maschine geschaltet . Die innere Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine (oder zumindest einer hiervon) ist mit dem Energiespeicher verbunden. Die äußeren Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine sind mit dem Energiespeicher verbunden. Der Sternpunkt, mindestens ein innerer Phasenanschluss oder ein sternpunktseitiges Ende zumindest einer Wicklung oder aller Wicklungen der elektrischen Maschine ist mit dem Energiespeicher verbunden .

Dies ermöglicht wahlweise ein direktes Laden oder ein Laden über den Inverter und der dem Inverter nachgeschalteten elektrischen Maschine, die zusammen einen abwärtswandelnden Gleichspan nungswandler (Abwärtswandler) darstellen können . Hierbei bildet mindesten ein Leistungs Schalter des Inverters mindestens ein Schalter des Abwärtswandlers, während zumindest eine Wicklung oder ein Abschnitt hiervon eine Induktivität des Abwärtswandlers bildet. Der Inverter bzw. zumindest eine Untergruppe der Leistungsschalter des Inverters ist ausgebildet, auch als Schalter eines Abwärtswandlers betrieben zu werden.

Der Gleichrichter ist zum Gleichrichten des über den Wech selstromladeanschluss übertragenen Wechselstroms eingerichtet. Ferner ist er eingerichtet zur PFC-Filterung, bei der insbe sondere der Leistungsfaktor der über den Wechselstromladean schluss übertragenen Leistung vergrößert ist und Oberwellen verringert werden. Ferner ist der Gleichrichter zum ein stellbaren Aufwärtswandeln der Spannung eingerichtet. Hierbei kann der Gleichrichter wie eingangs erwähnt als Vien- na-Gleichrichter ausgebildet sein. Insbesondere ist der Gleichrichter auch ausgebildet, einen Leistungskorrekturfilter zu realisieren. Hierzu weist der Gleichrichter zumindest ein Energiespeicher-Bauelement wie eine Spule oder einen Kondensator auf. Mit anderen Worten ist der Gleichrichter mit einem

Leistungskorrekturfilter ausgestattet oder ist zumindest mit der Funktion des Leistungskorrekturfilterns bzw. des Ändern des Leistungsfaktors ausgestattet. Elemente des Leistungskorrek turfilters werden ferner verwendet, um eine Aufwärtswand lungsfunktion des Gleichrichters auszuführen. Hierzu weist der Gleichrichter insbesondere mindestens ein energiespeicherndes Element wie eine Induktivität oder einen Kondensator auf, wie bereits erwähnt wurde. Als mindestens ein energiespeicherndes Element zur Ausbildung der Aufwärtswandlungsfunktion wird vorzugsweise das gleiche mindestens eine energiespeicherndes Element verwendet, mit dem die PFC-Filterfunktion des

Gleichrichters realisiert wird. Der Gleichrichter ist zur Ausführung des Wechselstrom-Anpassungslademodus und des Wechselstrom-Direktlademodus eingerichtet . Insbesondere ist die Steuerungseinheit zusammen mit dem Gleichrichter eingerichtet, den Wechselstrom-Anpassungslademodus und den Wechsel

strom-Direktlademodus auszuführen. Die Steuerungseinheit ist eingerichtet entweder den Wechselstrom-Anpassungslademodus oder den Wechselstrom-Direktlademodus (oder einen anderen Modus) einzustellen .

Wie erwähnt kann der Gleichrichter eingerichtet sein, in zu mindest einem Betriebsmodus (insbesondere im Wechsel

strom-Direktlademodus) als Aufwärtswandler zu arbeiten. Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Gleichrichter im Wechsel strom-Anpassungslademodus (abgesehen von einer nicht wesent lichen Spannungserhöhung durch die PFC-Funktion von bei spielsweise nicht mehr als 5%, 7%, 10% oder 15%) nicht als Aufwärtswandler arbeitet. Der Gleichrichter kann insbesondere Bauteile aufweisen, die für eine Gleichrichtung einer Spannung von mindestens 50%, 100%, 150% oder 200% über der

Nenn-Spitzen-Spitzen-Spannung am Wechselstromanschluss (ggf. unter Berücksichtigung des betreffenden Verkettungsfaktors) ausgelegt sind.

Die elektrische Maschine kann über einen Filter mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden sein. Der Filter kann einem Schalter der Umschaltvorrichtung nachgeschaltet sein (von der elektrischen Maschine aus gesehen) . Der Filter ist ins besondere direkt, d.h. schalterlos, mit der elektrischen Ma schine verbunden, insbesondere mit mindestens einem inneren Phasenanschluss .

Das Fahrzeugbordnetz kann ferner über einen Gleichstromlade anschluss verfügen. Dieser ist vorzugsweise über mindestens einen Schalter mit dem Energiespeicher verbunden. Der

Gleichstromladeanschluss ist nicht über den Filter mit dem Energiespeicher, der gegebenenfalls an der elektrischen Maschine angeschlossen ist (bzw. dieser nachgeschaltet ist) .

Das Fahrzeugbordnetz kann ferner eine Steuerungseinrichtung aufweisen, die vorangehend auch verkürzt als Steuerung be zeichnet wird. Die Steuerungseinrichtung ist ansteuernd mit der Umschaltvorrichtung und dem Inverter verbunden. Die Steue rungseinrichtung kann mehrteilig und/oder hierarchisch ge gliedert sein und einen Teil umfassen, der die Umschaltvor- richtung ansteuert, einen weiteren Teil umfassen, der den Inverter bzw. dessen Leistungsschalter ansteuert, und kann zudem eine übergeordnete Steuereinheit aufweisen. Die Hierarchie bzw. Gliederung der Steuerungseinrichtung kann jedoch vielgestaltig sein und wird im Weiteren nicht näher erörtert. Die Steue rungseinrichtung ist eingerichtet, in dem Wechsel

strom-Direktlademodus die Umschaltvorrichtung anzusteuern, den Wechselstromladeanschluss direkt mit dem Energiespeicher zu verbinden. Die Steuerungseinrichtung ist ferner eingerichtet, in einem Wechselstrom-Anpassungslademodus die Umschaltvorrichtung anzusteuern, den Wechselstromladeanschluss mit dem Inverter) zu verbinden. Die Steuerungseinrichtung ist in diesem Modus eingerichtet, den Inverter anzusteuern, zusammen mit mindestens einer Wicklung der elektrischen Maschine als Gleichspan nungswandler zu arbeiten. Die Umschaltvorrichtung ist insbe sondere eingerichtet, in dem Wechselstrom-Direktlademodus den Inverter inaktiv zu schalten, d.h. alle Schalter des Inverters in offenem Zustand vorzusehen.

Die Steuerungseinrichtung kann ferner ausgebildet sein, in einem Gleichstromladezustand beide Schalter der Umschaltvorrichtung offen vorzusehen, während ein Schalter geschlossen vorgesehen wird, der den Gleichstromladeanschluss mit dem Energiespeicher verbindet .

Die Umschaltvorrichtung kann einen ersten Schalter aufweisen, der den Gleichrichter mit dem Energiespeicher verbindet. Die Umschaltvorrichtung kann einen zweiten Schalter aufweisen, der zwischen dem Energiespeicher und einer Verbindung vorgesehen ist, die den Gleichrichter mit dem Inverter verbindet. Ins besondere ist der zweite Schalter zwischen der elektrischen Maschine und dem Energiespeicher vorgesehen bzw. verbindet diese beiden Komponenten. Der zweite Schalter kann insbesondere am Sternpunkt der elektrischen Maschine (bzw. an deren inneren Phasenanschlüssen) vorgesehen sein und kann diesen bzw . diese mit dem Energiespeicher verbinden. In den Wechselstromlademodi sind der erste und der zweite Schalter wechselweise offen oder geschlossen . In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Umschalt vorrichtung nur den ersten Schalter, während der zweite Schalter von den Schaltern des Inverters realisiert wird. In diesem Fall wird der Leistungspfad, der über den Inverter bzw. über die elektrische Maschine führt (und der beim Wechsel

strom-Anpassungslademodus zur Übertragung verwendet wird) von den Schaltern des Inverters selbst geöffnet oder geschlossen, während der direkt vom Gleichrichter zum Energiespeicher führende Pfad von dem ersten Schalter geöffnet oder geschlossen wird. Die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, in den Wechselstromlademodi den ersten Schalter einerseits und die Schalter des Inverters andererseits wechselweise zu öffnen oder zu schließen. Hierbei kann die Steuerungseinrichtung ausgebildet sein, in dem Wechselstrom-Direktlademodus den ersten Schalter geschlossen und die Schalter des Inverters offen anzusteuern, und in dem Wechselstrom-Anpassungslademodus den ersten Schalter offen und die Schalter des Inverters geschlossen anzusteuern. Anstatt alle Schalter des Inverters geschlossen anzusteuern, kann auch eine Untergruppe der Vollbrücken oder auch nur eine Vollbrücke des Inverters geschlossen angesteuert werden.

Das hier beschriebene Fahrzeugbordnetz ist zur Ausführung des Verfahrens ausgestaltet . Das Verfahren verwendet die be schriebenen Komponenten des Fahrzeugbordnetzes.

Die Figur 1 zeigt eine Übersicht zur näheren Erläuterung des Fahrzeugbordnetzes bzw. des Verfahrens.

Ein symbolhaft dargestelltes Fahrzeugbordnetz BN umfasst einen Energiespeicher ES in Form eines Traktionsakkumulators und einen Inverter I, der über einen ersten Schalter Bl mit dem Ener giespeicher ES verbunden ist. Auf der gegenüberliegenden Seite ist eine elektrische Maschine M an den Inverter angeschlossen. Die elektrische Maschine M hat insbesondere mehrere Phasen und kann als permanenterregte, selbsterregte oder fremderregte elektrische Maschine ausgebildet sein, beispielsweise als Synchronmaschine, oder kann eine Asynchronmaschine sein. Die elektrische Maschine M weist einen Sternpunkt SP auf. Dieser befindet sich an den inneren Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine. Der Sternpunkt SP kann auftrennbar ausgestaltet sein.

Von dem Inverter I aus gesehen ist der elektrischen Maschine ein zweiter Schalter S1 nachgeschaltet. Der zweite Schalter S1 verbindet die elektrische Maschine M (insbesondere deren Sternpunkt SP bzw. zumindest einen inneren Phasenanschluss der elektrischen Maschine EM) mit dem Energiespeicher, insbesondere direkt, d.h. ohne Wandeln der Spannung. Es kann ein optionaler Filter F vorgesehen sein, der sich zwischen der elektrischen Maschine M und dem Energiespeicher ES befindet, insbesondere zwischen dem zweiten Schalter S1 und dem Energiespeicher.

Ein Wechselstromladeanschluss ACLB (etwa als Ladebuchse aus gestaltet) ist über einen Gleichrichter GR mit dem ersten Schalter Bl und mit dem Inverter I verbunden. Der erste Schalter Bl und der Inverter I (insbesondere dessen Gleichspannungsseite) sind mit der Gleichspannungs Seite des Gleichrichters GR ver bunden. Der Wechselstromladeanschluss ACLB ist mit einem Wechselstromnetz ACN verbunden, dass sich außerhalb des Fahrzeugbordnetzes befindet und in einer Ladestation LS vor gesehen sein kann. Das Wechselstromnetz ACN umfasst eine Wechselstromguelle . Der Gleichrichter GR weist die Funktion eines Leistungsfaktorkorrekturfilters auf (neben der Funktion des Gleichrichtens), so dass der Leistungsfaktor, der an dem Wechselstromladeanschluss ACLB herrscht, eingestellt und insbesondere (gegenüber der Verwendung eines Gleichrichters ohne PFC-Funktion) vergrößert werden kann.

Ist der erste Schalter Bl geschlossen und der zweite Schalter S2 offen, dann ist der Gleichrichter GR direkt mit dem Energie speicher ES verbunden. Dies entspricht dem Wechsel

strom-Direktlademodus. Ist der erste Schalter Bl offen und der zweite Schalter S2 geschlossen, dann ist der Gleichrichter GR über den Inverter I und die elektrische Maschine M (in dieser Reihenfolge) mit dem Energiespeicher ES verbunden. Hierbei wird der Inverter zusammen mit der elektrischen Maschine wie eingangs erwähnt als (insbesondere abwärtswandelnder) Gleichspan nungswandler betrieben. Der optionale Filter F ermöglicht die Unterdrückung von Schaltpulsen im Bordnetz BN, die durch Schaltprozesse im Inverter I bei dem Betrieb als (Schaltereinheit eines) Gleichspannungswandler erzeugt werden.

Ein Masseschalter B2 verbindet den Energiespeicher schaltbar mit einem negativen Versorgungspotential des Fahrzeugbordnetzes. Die vorangehend genannten Schalter Bl und S2 sowie ein Schalter B3 sind in einer positiven Versorgungspotentialschiene vor gesehen. Ein Batterieabtrennschalter B3 ist zwischen dem Filter und dem Energiespeicher ES vorgesehen . Die Schalter B2 und B3 sind in den Wechselstromlademodi geschlossen und können im Fehlerfall oder bei inaktivem Bordnetz offen vorgesehen werden.

Ein optionaler Gleichspannungsladeanschluss DCLB ermöglicht das Anschließen des Fahrzeugbordnetzes BN an ein Gleichstromnetz DCN, das außerhalb des Fahrzeugbordnetzes BN liegt. Das Gleichstromnetz DCN kann Teil der Ladestation LS sein. Der Gleichspannungsladeanschluss DCLB ist über einen Gleichspan nungsschalter S2 (und über den Schalter B3) mit dem Energie speicher verbunden. Die Verbindung zwischen dem Schalter S2 und dem Energiespeicher ES ist direkt, d.h. ohne Spannungswandler . Es kann jedoch zur Spannungsniveauanpassung dem Gleichspan nungsladeanschluss DCLB ein Gleichspannungswandler nachge schaltet sein. Eine alternative (oder zusätzliche) Verbindung zwischen dem Gleichspannungsladeanschluss DCLB und dem Ener giespeicher ES führt über einen Schalter CI. Der Schalter Schalter CI verbindet den Gleichspannungsladeanschluss DCLB mit dem Energiespeicher ES. Ist dieser geschlossen, kann Leistung direkt vom Gleichspannungsladeanschluss DCLB an den Energie speicher ES übertragen werden.

Eine abstrakt dargestellte Steuerungseinrichtung CT ist an steuernd mit den Schaltern Bl und S1 verbunden. Die Steue rungseinrichtung CT steuert wie erwähnt in den Wechselstrom lademodi die Schalter Bl und S1 wechselweise an. Aus diesem Grund bilden die Schalter Bl und S1 (durch die wechselweise An steuerung) eine Umschaltvorrichtung. Die Steuerungseinrichtung CT ist ferner ansteuernd mit den Schaltern S2, B3 und CI verbunden (sofern vorhanden), die beim Gleichstromladen geschlossen sind, während die Schalter Sl, Bl offen sind. Die Steuerungseinrichtung CT ist zudem ansteuernd mit den Schaltern S2 und B3 bzw. CI verbunden, um diese im Gegensatz zu den Schaltern Bl und Sl geschlossen anzusteuern, wenn ein Gleichstromlademodus vor liegt. Die Steuerungseinrichtung kann ferner ansteuernd mit dem Gleichrichter GR und mit dem Inverter I verbunden sein. Wenn kein Schalter Sl vorgesehen ist, können anstatt dieses Schalters die Schalter des Inverters I von der Steuerungseinrichtung geöffnet oder geschlossen werden, etwa beim Umschalten zwischen den Wechselstrom-Lademodi. Die Steuerungseinrichtung CT ist durch die ansteuernde Verbindung mit dem Gleichrichter GR einge richtet, einen Leistungsfaktor einzustellen, der vom Gleich richter am Wechselstromladeanschluss ACLB herrscht, und Oberwellen zu Filtern bzw. Abzuschwächen. Wie erwähnt kann die Steuerungseinrichtung CT mehrteilig oder hierarchisch ausge bildet sein. Die Steuerungseinrichtung CT kann ferner einen Eingang zur Eingabe eines Soll-Betriebsmodus' aufweisen. Die Steuerung kann ferner zur Ausführung des Traktionsmodus oder Rekuperationsmodus ausgebildet sein, wie eingangs beschrieben ist .

Optionale bzw. alternative Komponenten und Verbindungen sind gestrichelt, punktiert oder strichpunktiert dargestellt.