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WO2020074383A1 - Ladevorrichtung und elektrisches antriebssystem mit einer derartigen ladevorrichtung - Google Patents

Ladevorrichtung und elektrisches antriebssystem mit einer derartigen ladevorrichtung Download PDF

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Publication number
WO2020074383A1
WO2020074383A1 PCT/EP2019/076901 EP2019076901W WO2020074383A1 WO 2020074383 A1 WO2020074383 A1 WO 2020074383A1 EP 2019076901 W EP2019076901 W EP 2019076901W WO 2020074383 A1 WO2020074383 A1 WO 2020074383A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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charging
voltage
converter
intermediate circuit
inductance
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/076901
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Katja Stengert
Original Assignee
Thyssenkrupp Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thyssenkrupp Ag filed Critical Thyssenkrupp Ag
Priority to CN201990001065.4U priority Critical patent/CN216467384U/zh
Publication of WO2020074383A1 publication Critical patent/WO2020074383A1/de
Priority to DE212020000285.1U priority patent/DE212020000285U1/de

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Definitions

  • the invention relates to a charging device for charging a battery of a motor vehicle designed with an electric drive motor and an electric drive system with such a charging device.
  • Voltage level of the charging station typically 400 V DC
  • the voltage level of the vehicle battery especially of future generations with typically 800 V DC.
  • step-up converters also known under the terms “step-up converter”, “boost converter” or “step-up converter”, can be used as separate structural units.
  • inverter an already existing inverter referred to as "inverter" of the traction or electric motor
  • DE 10 2016 209 905 A1 shows a rapid charging unit for an electric vehicle, the inverter of the traction motor serving as a step-up converter in connection with the motor coils.
  • DE 10 2016 218 304 B3 shows a 3-level inverter in an NPC configuration (abbreviation for "neutral point clamped") for an electric vehicle, which in the Fast charging mode can be operated as a step-up converter, external inductors being used for the step-up position.
  • NPC configuration abbreviation for "neutral point clamped”
  • 3-level inverters for electric vehicles which also have a third voltage level, e.g. B. 0V, 400V and 800V.
  • the permissible reverse voltage prohibits switching states in which a voltage higher than the permissible reverse voltage is present. Such an impermissible state exists, for example, if only one switching element blocks while the others are all switched on. This also applies in operation as a step-up converter.
  • the switching elements Since a simultaneous switching of two switching elements is practically not possible, the switching elements must be switched to target states at different times, e.g. B. first an inner and then an outer switching element are switched. During this time, a current flows into the center of the intermediate circuit and undesirably and further charges it (or its capacitor) with each switching cycle. Exceeds the tension of the
  • Inverters are used and if you want to use them as DC / DC converters at the same time, a solution for voltage balancing of the DC link center voltage (in the DC link center between two DC link capacitances CI and C2), i.e. maintaining or maintaining a DC link center point voltage.
  • Charger for charging a battery with an electric motor to provide trained motor vehicle.
  • Particular care should be taken to ensure that the voltage at the center of the DC link does not shift to a technically relevant extent during charging, especially not beyond the permissible reverse voltage of the semiconductors.
  • a charging device according to claim 1 is used for this purpose
  • a charging device for charging a battery of a type which is designed with an electric drive motor
  • Drive operation of the motor vehicle converts the DC voltage of the battery for the electric drive motor and has an intermediate circuit center, the inductance together with the drive converter for one
  • Charging operation of the battery serves as a step-up converter.
  • Equalization current which would otherwise accumulate in the capacitor and in extreme cases would charge it up to battery voltage, is discharged.
  • the switching units are opened and closed periodically.
  • According to the intermediate circuit center is interconnected such that a compensating current can flow off and one
  • Pre-charge voltage is maintained. B. happen that a compensating conductor is connected to the inductor starting from the intermediate circuit center.
  • the compensating conductor is preferably separable, for. B. carried out by means of a circuit breaker. This allows the compensating conductor for the
  • the intermediate circuit center point is preferably connected or connectable to the input voltage via a resistor. It is therefore ensured that the current to the intermediate circuit center and the charge source and / or inductance is limited.
  • the resistor is preferably designed as a PTC resistor (positive temperature coefficient), so that the current flowing through the compensating conductor is limited, in particular in the event of a fault.
  • the inductance has at least one winding of the electric drive motor or is formed by at least this. This saves additional components and thus reduces costs and space requirements.
  • a plurality of inductors are preferably provided, all more preferably as windings for exciting the drive motor, in the form of coils or
  • Wave winding are formed. With the aim of controlling the electric motor for ferry operation and efficient voltage conversion in the
  • the drive converter has three
  • Each 3-level inverter is connected to one of the three windings of the electric drive motor. This also has the advantage of being able to use all three windings for one step-up converter, in particular individually or simultaneously, and thus to increase the maximum possible charging power.
  • the 3 half bridges preferably have the same intermediate circuit center.
  • the windings of the motor windings used for the step-up position preferably have a common star point.
  • the interconnection of the DC link center and inductors or motor windings is only one line possible, which also saves components and materials.
  • the intermediate circuit center is arranged between two capacitors connected in series.
  • at least one additional capacitance can be connected in parallel and / or in series to at least one of the capacitances in order to change the size of the capacitance in charging mode and / or ferry mode.
  • the charging device preferably has a control circuit for controlling the drive converter, in particular its half-bridges, as a step-up converter for the charging operation and as an inverter for the driving operation.
  • the control circuit can thus operate the drive converter in both operating modes and thus save costs for additional components.
  • the disconnector can advantageously be opened and closed cyclically in charging mode. This means that the DC link center point voltage can be cyclically shifted (increased and decreased) without exceeding a permissible reverse voltage.
  • the DC link center point voltage can be raised on average.
  • the DC link voltage is preferably around 800V and the balanced DC link center point voltage at 400V.
  • DC link center voltage preferably increased periodically - z. B. by + 20% - because variations in the operating cycle can have a positive effect on efficiency.
  • the present invention also provides an electric drive system with a charging device according to the invention and a vehicle battery.
  • the charging device is connected to a charging station with a voltage level lower than that of the vehicle battery as a direct voltage source:
  • the charging station precharges the intermediate circuit capacitors of the drive system or the charging device to the voltage level of the charging station.
  • the charging process for the vehicle battery can begin.
  • Capacitors of the charging station must be pre-charged from the vehicle. This procedure is intended for China, for example, because there, unlike in Europe and the USA, the charging stations do not pre-charge their own DC link and vehicle DC link.
  • the corresponding loading process provides at least the following steps - in particular in this order:
  • the charging device is connected to the charging station with a voltage level lower than that of the vehicle battery as a DC voltage source.
  • DC link center is connected to the inductance and the charge source.
  • precharging the intermediate circuit of the vehicle via a precharging resistor of the charging device the precharging resistor preferably between
  • Vehicle battery and the intermediate circuit capacities is arranged and can be bridged by means of a switch for driving.
  • the DC link of the charging station is precharged to the voltage of the DC link center voltage via the closed compensating conductor.
  • the 3-level inverter can be used as a stepdown converter or stepup converter. 5. Start the loading process.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of an electric drive system with a charging device according to the invention
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of the electrical drive system according to FIG. 1, in this case in the charging mode
  • Figure 3A shows a detailed view of the circuit diagram of the half-bridge of the
  • FIG. 3B signal diagrams of the flow of individual components of the
  • Figure 4 is an equivalent circuit diagram of the half-bridge with corresponding
  • Figure 5 shows a circuit diagram of an electric drive system with a charging device according to the invention according to another preferred embodiment.
  • FIG. 1 shows an electric drive system 1 which is equipped with an electric motor 2.
  • the electric motor 2 has three inductors LI, L2 and L3 in the form of windings connected to a star point, each of which is supplied with current by means of a half bridge 4a, 4b and 4c of a drive converter 3 and the electric motor 2, in particular its rotor (not shown) , can set in rotation.
  • the half bridges 4a, 4b and 4c are controlled in such a way that the current of the individual half bridges is in each case 120 ° in Phase is shifted towards each other.
  • Each half-bridge 4a, 4b and 4c each has the following components: four transistors (e.g. MOSFETs or IGBTs) TI, T2, T3 and T4, each with a diode D1, D2, D3 and D4, and two diodes D5 and D6 that with an intermediate circuit center 5 of the drive converter 3
  • the intermediate circuit center 5 lies between the two intermediate circuit capacitors CI and C2, which are arranged parallel to the three half bridges 4a, 4b and 4c.
  • the intermediate circuit center point 5 is electrically connected to each half bridge 4a, 4b and 4c via the corresponding diodes D5 and D6.
  • the three inductors LI, L2 and L3 of the electric motor 2 are in one
  • a compensating conductor 9 runs from the intermediate circuit center point 5 via a disconnector S1 and a decoupling resistor RI to the center of the star connection in FIG
  • Plug connection 6 has two conductors and can be connected via a first one
  • Plug connection switch and a second plug connection switch S2 and S3 are separated from the drive system 1 - as shown in this case in FIG. 1.
  • the switch S2 is connected to the negative pole of the battery 7
  • the battery has a voltage level of e.g. B. 800V.
  • the switch S3 is connected to the center point of the star connection of the electric motor 2 and to the compensating conductor 9 or the decoupling resistor RI.
  • the vehicle battery 7 is connected to the drive converter 3 and supplies it with a
  • the electric drive system 1 has a controller (not shown) which is designed to control the half bridges 4a, 4b and 4c and thus their transistors TI, T2, T3 and T4, in order to generate a current which is too the other two currents are shifted by 120 ° phases. Switches S1, S2 and S3 are open during drive or travel mode.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of the electrical drive system according to FIG. 1.
  • the electrical drive system 1 is in the charging mode, whereby, in contrast to FIG. 1, the switches S1, S2 and S3 are closed and a charging source 8 is, for example, B. is connected in the form of a charging station as a DC voltage source to the connector 6. Since the charging source 8 has a voltage of 400 V (compared to a battery voltage of 800 V), this will be Drive system 1, in particular the windings LI, L2 and L3 and the
  • Half bridges 4a, 4b and 4c used as step-up converters or controlled accordingly.
  • FIG. 3A and FIG. 3B show a half bridge 4a with the
  • DC link capacitors CI and C2 as well as five signal diagrams for in particular the control of transistors T3 and T4, so that the half bridge in conjunction with the inductance LI of the electric motor (not shown) acts as a step-up converter.
  • the signal diagrams that an alternating current flows through the inductance LI, which is connected to the half-bridge 4a.
  • the transistors T3 and T4 are periodically closed. Since the transistors are not designed to block the complete voltage of the vehicle battery, and the transistors can never be switched simultaneously, transistor T4 is switched on first and then transistor T3 is closed or opened again in reverse order (see falling signal edge).
  • the compensating conductor 9 (see FIGS. 1 and 2) is used, which is controlled by the switch S1 and the Resistor RI is connected to the voltage source and thus creates a voltage equalization. As soon as the two transistors T3 and T4 are blocked, flows in
  • FIG. 4 shows a simplified circuit diagram of the electrical drive system of the present invention.
  • a half bridge 4a with the intermediate circuit capacitances CI and C2 is shown.
  • an inductance LI is shown as an example of a winding of an electric drive motor.
  • the switch S1 is opened and closed via a step signal 01, the switch S1 being able to send a corresponding signal to the control circuit 12 for controlling the half-bridge 4a as a step-up converter.
  • the control circuit 12 is supplied with a square-wave signal with a frequency of 20 kHz (see component A2) instead of a 0 V signal (see component Al).
  • a corresponding signal changeover switch Bl is controlled by the switch S1.
  • the square wave signal from A2 is sent to a first one
  • Signal modifier ZI and a second signal modifier Z2 sent.
  • the signal modifier ZI is connected to the transistor T3 and the signal modifier Z2 is connected to the transistor T4.
  • the signal is modified such. B. by a time shift of the signal that transistor T4 blocks first and then transistor T3.
  • FIG. 5 shows a further electric drive system 1 a
  • the drive system 1 a differs in that a precharge resistor 10 is arranged between the transistor CI and the car battery 7 and can be bridged via a bypass switch 11. This makes it possible to charge the capacities CI and C2 before the charging process and to raise the DC link center to a corresponding voltage level.
  • Switch 11 is closed during travel mode. Before the charging operation, the switch 11 is opened to precharge the capacities; then the switch 11 for the charging process of the vehicle battery is closed again.
  • an external inductance z. B a charging station, precharged to the intermediate circuit center voltage lying below the battery voltage.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie (7) eines mit einem elektrischen Antriebsmotor (2) ausgebildetem Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer Induktivität, und einem Antriebsumrichter (3), der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie (7) für den elektrischen Antriebsmotor (2) wandelt und einen Zwischenkreismittelpunkt (5) aufweist, wobei die wenigstens eine Induktivität zusammen mit dem Antriebsumrichter (3) für einen Ladebetrieb der Batterie (7) als Hochsetzsteller dient. Zur Leistungsoptimierung ist der Zwischenkreismittelpunkt (5) mit einer Eingangsspannung einer Ladungsquelle (8) und/oder der Induktivität permanent oder temporär verschalten bzw. verschaltbar.

Description

Ladevorrichtung und elektrisches Antriebssystem mit einer derartigen
Ladevorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines mit einem elektrischen Antriebsmotor ausgebildeten Kraftfahrzeugs sowie ein elektrisches Antriebssystem mit einer derartigen Ladevorrichtung.
Zum Laden von Elektrofahrzeugen kommen unterschiedliche Ladekonzepte zum Einsatz. Das Laden mit Wechselstrom über die Haussteckdose ist nahezu überall verfügbar, weist jedoch nur geringe Ladeleistungen von unter 5 kW auf.
Demgegenüber sind beim Schneiladen an Gleichstromquellen (DC-Laden), etwa über spezielle Ladesäulen, sehr viel höhere Leistungen möglich (50 kW und darüber). Dies erfordert jedoch eine Anpassung der Spannung, wenn das
Spannungslevel der Ladesäule, typischerweise 400 V DC, geringer ist als das Spannungslevel der Fahrzeugbatterie, insbesondere der zukünftigen Generationen mit typischerweise 800V DC.
Zur Anpassung des Spannungslevels können Hochsetzsteller, auch unter den Begriffen„Aufwärtswandler",„Boost-Converter" oder„Step-Up-Converter" bekannt, als separate Baueinheiten verwendet werden. Es ist aber auch möglich, einen ohnehin vorhandenen Wechselrichter (im Englischen auch als„Inverter" bezeichnet) des Traktions- bzw. Elektromotors als Hochsetzsteller zur
Gleichspannungswandlung zu verwenden. Um im Wechselrichter nicht zusätzliche Induktivitäten für die Hochsetzstellung verwenden zu müssen, ist es
bekannterweise möglich, die Wicklungen des Traktionsmotors als Lade- Induktivitäten zu nutzen:
DE 10 2016 209 905 Al zeigt eine Schnellladeeinheit für ein Elektrofahrzeug, wobei der Wechselrichter des Traktionsmotors in Verbindung mit den Motorspulen als Hochsetzsteller dient.
DE 10 2009 052 680 Al zeigt die Vorschaltung eines Tiefsetzstellers vor dem Wechselrichter.
DE 10 2016 218 304 B3 zeigt einen 3-Level-Wechselrichter in NPC-Konfiguration (Abkürzung für„neutral point clamped") für ein Elektrofahrzeug, welcher im Schnell-Ladebetrieb als Hochsetzsteller betrieben werden kann, wobei für die Hochsetzstellung externe Induktivitäten zum Einsatz kommen.
Neben den 2-Level-Wechselrichtern, welche 2 Spannungslevel aufweisen, z. B. OV und 800V, existieren für Elektrofahrzeuge auch 3-Level-Wechselrichter, die zusätzlich ein drittes Spannungslevel aufweisen, z. B. 0V,400V und 800V.
Insbesondere bei 3-Level-Wechselrichtern mit NPC-Topologie reduzieren sich die an den Schaltelementen der Halbbrücken anliegenden Spannungen in
Sperrrichtung auf etwa die Hälfte der Nennspannung, z. B. 400V. Diese sind entsprechend nur noch auf diese Sperrspannung ausgelegt. Gleichzeitig verbietet die zulässige Sperrspannung Schaltzustände, bei denen eine Spannung höher als die zulässige Sperrspannung anliegt. Ein solcher unzulässiger Zustand liegt beispielsweise vor, wenn nur ein Schaltelement sperrt, während die anderen alle leitend geschalten sind. Dies gilt auch im Betrieb als Hochsetzsteller.
Da ein zeitgleiches Durchschalten zweier Schaltelemente praktisch nicht möglich ist, müssen die Schaltelemente zeitlich versetzt in Zielzustände geschaltet werden, z. B. werden zuerst ein inneres und dann ein äußeres Schaltelement geschaltet. In dieser Zeit fließt ein Strom in den Mittelpunkt des Zwischenkreises und lädt diesen (bzw. dessen Kondensator) unerwünschterweise und mit jedem Schaltzyklus weiter auf. Überschreitet die Spannung des
Zwischenkreismittelpunktes die zulässige Sperrspannung der Schaltelemente bzw. Dioden oder überschreitet die Spannung des Zwischenkreismittelpunktes die zulässige Spannung des Kondensators, wird das betroffene Element versagen und führt zu einem Defekt des Wechselrichters. Dies muss vermieden werden.
Um nun eine Batterie eines Elektrofahrzeugs mit bestehenden DC-Ladestationen aufzuladen, ist fahrzeugseitig ein Anpassungselement in Form eines DC/DC- Wandlers gewünscht. Kommt nun als Schalttopologie ein 3-Level NPC
Wechselrichter zur Anwendung und möchte man diesen gleichzeitig als DC/DC- Wandler verwenden, so muss eine Lösung für die Spannungs-Balancierung der Zwischenkreismittelpunktsspannung (im Zwischenkreismittelpunkt zwischen zwei Zwischenkreiskapazitäten CI und C2), d.h. das Festhalten bzw. Beibehalten einer Zwischenkreismittelpunktsspannung, gesucht.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines mit einem Elektromotor ausgebildeten Kraftfahrzeugs anzugeben. Dabei soll insbesondere darauf geachtet werden, dass sich im Ladebetrieb die Spannung im Zwischenkreismittelpunkt nicht in technisch relevantem Ausmaß, insbesondere nicht über die zulässige Sperrspannung der Halbleiter, verschiebt.
Hierzu wird erfindungsgemäß eine Ladevorrichtung gemäß Anspruch 1
bereitgestellt. Es handelt sich insbesondere um eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines mit einem elektrischen Antriebsmotor ausgebildeten
Kraftfahrzeugs, mit einer Induktivität und einem Antriebsumrichter, der im
Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie für den elektrischen Antriebsmotor wandelt und einen Zwischenkreismittelpunkt aufweist, wobei die Induktivität zusammen mit dem Antriebsumrichter für einen
Ladebetrieb der Batterie als Hochsetzsteller dient. Dabei ist der
Zwischenkreismittelpunkt mit einer Eingangsspannung einer Ladungsquelle und/oder der Induktivität über einen Ausgleichsleiter im Ladebetrieb permanent oder temporär verschalten bzw. verschaltbar. Hierbei kann unter einer
permanenten bzw. temporären Verschaltung verstanden werden, dass z. B. kein bzw. ein Schalter zum Unterbrechen des Ausgleichsleiters vorhanden ist.
Dadurch wird vermieden, dass während des Ladevorgangs die zur symmetrischen Spannungsverteilung dienenden Zwischenkreiskapazitäten zu unterschiedlich aufgeladen werden und eine Zerstörung von Kondensator und/oder
Schaltelementen bzw. Dioden eintritt. Über den Ausgleichsleiter kann ein
Ausgleichsstrom, der sich andernfalls im Kondensator ansammeln und diesen im Extremfall bis auf Batteriespannung aufladen würde, abfließen.
Damit der Antriebsumrichter als Hochsetzsteller agiert, sollte im Ladebetrieb dieser, insbesondere dessen Schalteinheiten in Form von Transistoren,
entsprechend angesteuert werden, um die Eingangsspannung (die der
Ladungsquelle) auf eine höhere Ausgangsspannung (die der Fahrzeugbatterie) hochzusetzen. Dabei werden die Schalteinheiten periodisch geöffnet und geschlossen. Erfindungsgemäß wird der Zwischenkreismittelpunkt derart verschaltet, dass ein Ausgleichsstrom abfließen kann und eine
Vorladungsspannung beibehalten wirdDies kann z. B. dadurch geschehen, dass ein Ausgleichleiter vom Zwischenkreismittelpunkt ausgehend mit der Induktivität verbunden ist. Vorzugsweise ist der Ausgleichsleiter auftrennbar, z. B. mittels eines Trennschalters, ausgeführt. Dadurch kann der Ausgleichsleiter für den
Fährbetrieb aufgetrennt werden, so dass im Fahrtbetrieb keine Verlustströme fließen können.
Vorzugsweise ist der Zwischenkreismittelpunkt über einen Widerstand mit der Eingangsspannung verschalten bzw. verschaltbar. Somit wird darauf geachtet, dass der Strom zum Zwischenkreismittelpunkt und der Ladungsquelle und/oder Induktivität begrenzt wird.
Bevorzugt ist der Widerstand als PTC-Widerstand (positiv temperature coefficient) ausgeführt, so dass insbesondere im Fehlerfall der über den Ausgleichsleiter fließende Strom begrenzt wird.
Es hat sich ebenfalls als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Induktivität mindestens eine Wicklung des elektrischen Antriebsmotors aufweist bzw. durch wenigstens diese ausgebildet ist. Dadurch können zusätzliche Bauelemente eingespart und somit die Kosten und der Raumbedarf verringert werden.
Bevorzugt sind mehrere Induktivitäten vorgesehen, die mehr bevorzugt alle als Wicklungen zur Erregung des Antriebsmotors, in Form von Spulen- oder
Wellenwicklung ausgebildet sind. Mit dem Ziel, neben der Ansteuerung des Elektromotors für den Fährbetrieb eine effiziente Spannungswandlung im
Ladebetrieb bereitzustellen, weist der Antriebsumrichters für drei
Spannungsphasen einen 3-Level-Wechselrichter, insbesondere mit einer
Halbbrücke für jede der dreiPhasen, auf. Jeder 3-Level-Wechselrichter ist mit einer der drei Wicklungen des elektrischen Antriebsmotors verbunden. Dies hat auch den Vorteil, alle drei Wicklungen für jeweils einen Hochsetzsteller, insbesondere einzeln oder gleichzeitig, verwenden zu können und somit die maximal mögliche Ladeleistung zu erhöhen.
Vorzugsweise weisen die 3 Halbbrücken denselben Zwischenkreismittelpunkt auf. Vorzugsweise weisen die Wicklungen der für die Hochsetzstellung genutzten Motorwicklungen einen gemeinsamen Sternpunkt auf. Somit ist die Verschaltung von Zwischenkreismittelpunkt und Induktivitäten bzw. Motorwicklungen mit nur einer Leitung möglich, wodurch auch wieder Bauelemente und Materialien gespart werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Zwischenkreismittelpunkt zwischen zwei in Reihe geschalteten Kapazitäten angeordnet. Zusätzlich kann mindestens eine weitere Kapazität parallel und/oder seriell zu mindestens einer der Kapazitäten hinzuschaltbar sein, um die Größe der Kapazität im Ladebetrieb und/oder Fährbetrieb zu verändern.
Vorzugsweise weist die Ladevorrichtung eine Steuerungsschaltung zum Steuern des Antriebsumrichters, insbesondere dessen Halbbrücken, als Hochsetzsteller für den Ladebetrieb und als Wechselrichter für den Fährbetrieb auf. Somit kann die Steuerungsschaltung den Antriebsumrichter in beiden Betriebsmodi betreiben und somit Kosten für zusätzliche Bauelemente einsparen.
Vorteilhaft kann der Trennschalter im Ladebetrieb zyklisch geöffnet und geschlossen werden. Dadurch kann eine zyklische Verschiebung (Anhebung und Senkung) der Zwischenkreismittelpunktsspannung erreicht werden, ohne dass dabei eine zulässige Sperrspannung überschritten wird. Im Mittel kann so die Zwischenkreismittelpunktsspannung gehoben werden. Eine Anhebung der
Zwischenkreismittelpunktsspannung im Ladebetrieb kann sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad auswirken. Aus diesem Grund kann eine erhöhte, jedoch unter der zulässigen Sperrspannung liegende Zwischenkreismittelpunktsspannung
erwünscht sein.
Bevorzugt liegt die Zwischenkreisspannung um 800V und die symmetrierte Zwischenkreismittelpunktsspannung auf 400V. Im Ladebetrieb liegt die
Zwischenkreismittelpunktsspannung bevorzugt periodisch erhöht - z. B. um +20% - da Variationen im Betriebszyklus sich positiv auf den Wirkungsgrad auswirken können.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung und einer Fahrzeugbatterie vor.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung oder als
erfindungsgemäßes Ladeverfahren hat es sich als von Vorteil herausgestellt, wenn mindestens folgende Schritte - insbesondere in dieser Reihenfolge - durchgeführt werden :
1. Sobald der Motor abgestellt ist, entlädt sich automatisch der Zwischenkreis und somit die Zwischenkreiskondensatoren.
2. Die Ladevorrichtung wird an eine Ladesäule mit einem Spannungslevel kleiner als das der Fahrzeugbatterie als Gleichspannungsquelle angeschlossen : Hierbei lädt die Ladesäule die Zwischenkreiskondensatoren des Antriebssystems bzw. der Ladevorrichtung auf das Spannungslevel der Ladesäule vor.
3. Erst wenn die Zwischenkreiskondensatoren vorgeladen wurden, wird der Trennschalter zwischen Zwischenkreismittelpunkt und Induktivität bzw.
Ladungsquelle geschlossen.
4. Der Ladevorgang für die Fahrzeugbatterie kann beginnen.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Ladeverfahren ist vorgesehen, wenn die
Kondensatoren der Ladesäule vom Fahrzeug aus vorgeladen werden müssen. Dieses Verfahren ist zum Beispiel für China vorgesehen, da dort nicht wie in Europa und in den USA die Ladesäulen den eigenen Zwischenkreis und den Fahrzeugzwischenkreis vorladen. Der entsprechende Ladevorgang sieht mindestens folgende Schritte - insbesondere in dieser Reihenfolge - vor:
1. Der Motor wird abgestellt und der Zwischenkreis bzw. die Kondensatoren entladen sich selbständig.
2. Die Ladevorrichtung wird an die Ladesäule mit einem Spannungslevel kleiner als das der Fahrzeugbatterie als Gleichspannungsquelle angeschlossen.
3. Schließen des Trennschalters im Ausgleichsleiter, so dass der
Zwischenkreismittelpunkt mit der Induktivität und der Ladungsquelle verbunden ist.
4. Vorladen des Zwischenkreises des Fahrzeugs über einen Vorladewiderstand der Ladevorrichtung, wobei der Vorladewiderstand vorzugsweise zwischen
Fahrzeugbatterie und den Zwischenkreiskapazitäten angeordnet ist und mittels eines Schalters für den Fahrtbetrieb überbrückbar ist. Gleichzeitig wird der Zwischenkreis der Ladesäule über den geschlossenen Ausgleichsleiter auf die Spannung der Zwischenkreismittelpunktspannung vorgeladen.
4a. Falls nötig, kann der 3-Level-Wechselrichter als Stepdown-Converter oder Stepup-Converter genutzt werden. 5. Starten des Ladevorgangs.
Die nachfolgenden Zeichnungen zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung, wobei diese nicht als Einschränkung der Erfindung gelten, sondern im Wesentlichen der Veranschaulichung dienen.
Es zeigen
Figur 1 einen Schaltungsplan eines elektrischen Antriebssystems mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung;
Figur 2 einen Schaltungsplan des elektrischen Antriebssystems nach Figur 1, in diesem Fall im Lademodus;
Figur 3A eine Detailansicht auf den Schaltungsplan der Halbbrücke des
Antriebsumrichters des elektrischen Antriebssystems aus Figur 1 und Figur 2;
Figur 3B Signaldiagramme von dem Strömen einzelner Bauelemente der
Halbbrücke aus Figur 3A;
Figur 4 ein Ersatzschaltbild der Halbbrücke mit entsprechenden
Steuerungselementen für die Transistoren, um als Hochsetzsteller zu fungieren; und
Figur 5 einen Schaltungsplan eines elektrischen Antriebssystems mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung gemäß eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Figur 1 zeigt ein elektrisches Antriebssystem 1, das mit einem elektrischen Motor 2 ausgestattet ist. Der Elektromotor 2 weist drei Induktivitäten LI, L2 und L3 in Form von zu einem Sternpunkt verschalteten Wicklungen auf, die jeweils mittels einer Halbbrücke 4a, 4b und 4c eines Antriebsumrichters 3 mit Strom versorgt werden und den Elektromotor 2, insbesondere dessen Rotor (nicht dargestellt), in Rotation versetzen können. Die Ansteuerung der Halbbrücken 4a, 4b und 4c erfolgt derart, dass der Strom der einzelnen Halbbrücken jeweils um 120° in Phase zueinander verschoben ist. Jede Halbbrücke 4a, 4b und 4c weist jeweils die folgenden Bauelemente auf: vier Transistoren (z. B. MOSFETs oder IGBTs) TI, T2, T3 und T4 mit jeweils einer Diode Dl, D2, D3 und D4, sowie zwei Dioden D5 und D6, die mit einem Zwischenkreismittelpunkt 5 des Antriebsumrichters 3
verbunden sind. Der Zwischenkreismittelpunkt 5 liegt zwischen den beiden Zwischenkreiskapazitäten CI und C2, die parallel zu den drei Halbbrücken 4a, 4b und 4c angeordnet sind. Der Zwischenkreismittelpunkt 5 ist mit jeder Halbbrücke 4a, 4b und 4c über die entsprechenden Dioden D5 und D6 elektrisch verbunden. Die drei Induktivitäten LI, L2 und L3 des Elektromotors 2 sind in einer
Sternschaltung miteinander verschaltet. Des Weiteren verläuft ein Ausgleichsleiter 9 von dem Zwischenkreismittelpunkt 5 über einen Trennschalter S1 und einen Entkopplungswiderstand RI zu dem Mittelpunkt der Sternschaltung der
Induktivitäten LI, L2 und L3 des Elektromotors 2 sowie zu einem
Steckeranschluss 6 für eine Ladungsquelle (nicht dargestellt). Dieser
Steckeranschluss 6 weist zwei Leiter auf und kann über einen ersten
Steckeranschlussschalter und einen zweiten Steckeranschlussschalter S2 und S3 von dem Antriebssystem 1 getrennt werden - wie in diesem Fall in Figur 1 gezeigt. Der Schalter S2 ist mit dem Minuspol der Batterie 7, der
Zwischenkreiskapazität C2 und den Halbbrücken 4a, 4b und 4c verbunden. Die Batterie weist ein Spannungslevel von z. B. 800V auf. Der Schalter S3 ist mit dem Mittelpunkt der Sternschaltung des Elektromotors 2 und mit dem Ausgleichsleiter 9 bzw. dem Entkopplungswiderstand RI verbunden. Die Fahrzeugbatterie 7 ist mit dem Antriebsumrichter 3 verbunden und versorgt diesen mit einer
Gleichspannung. Für den Antriebsmodus weist das elektrische Antriebssystem 1 eine Steuerung auf (nicht dargestellt), die ausgebildet ist, die Halbbrücken 4a, 4b und 4c und somit deren Transistoren TI, T2, T3 und T4 zu steuern, um jeweils einen Strom zu erzeugen, der zu den beiden anderen Strömen um 120° Phasen verschoben ist. Während des Antriebs- bzw. Fahrtmodus sind die Schalter Sl, S2 und S3 geöffnet.
Figur 2 zeigt einen Schaltungsplan des elektrischen Antriebssystems gemäß Figur 1. Hierbei befindet sich das elektrische Antriebssystem 1 im Lademodus, wobei, im Gegensatz zu Figur 1, die Schalter Sl, S2 und S3 geschlossen sind und eine Ladequelle 8 z. B. in Form einer Ladesäule als Gleichspannungsquelle an dem Steckeranschluss 6 angeschlossen ist. Da die Ladequelle 8 eine Spannung von 400 V (gegenüber einer Batteriespannung von 800V) aufweist, wird das Antriebssystem 1, insbesondere die Wicklungen LI, L2 und L3 sowie die
Halbbrücken 4a, 4b und 4c, als Hochsetzsteller verwendet bzw. entsprechend angesteuert.
Figur 3A und Figur 3B zeigen eine Halbbrücke 4a mit den
Zwischenkreiskondensatoren CI und C2 sowie fünf Signaldiagramme für insbesondere die Ansteuerung der Transistoren T3 und T4, damit die Halbbrücke in Verbindung mit der Induktivität LI des Elektromotors (nicht dargestellt) als Hochsetzsteller fungiert. Aus den Signaldiagrammen ist ersichtlich, dass ein alternierender Strom durch die Induktivität LI, die mit der Halbbrücke 4a verbunden ist, fließt. Um den Strom von der Induktivität LI zur Fahrzeugbatterie 7 (s. Figur 1 oder 2) zu steuern, werden die Transistoren T3 und T4 periodisch geschlossen. Da die Transistoren nicht ausgebildet sind, die komplette Spannung der Fahrzeugbatterie zu sperren, und ein gleichzeitiges Schalten der Transistoren niemals gleichzeitig erfolgen kann, wird zuerst der Transistor T4 und danach der Transistor T3 gesperrt bzw. in umgekehrter Reihenfolge wieder geöffnet (siehe fallende Signalflanke). In der kurzen Zeit, in der der Transistor T3 leitet und der Transistor T4 gesperrt bzw. geöffnet ist, fließt ein kurzer Stromimpuls über die Diode D6 zu der Kapazität C2. Zwar werden dadurch die Transistoren T3 und T4 vor eine Überspannung geschützt; andererseits lädt der Stromfluss die Kapazität C2 auf und verändert somit das Spannungslevel am Zwischenkreismittelpunkt 5. Um ein Spannungsanstieg der Zwischenkreismittelpunktsspannung über die zulässige Sperrspannung zu verhindern, wird der Ausgleichsleiter 9 (siehe Fig. 1 und 2) verwendet, der durch den Schalter S1 und den Widerstand RI mit der Spannungsquelle verbunden ist und somit einen Spannungsausgleich schafft. Sobald dann die beiden Transistoren T3 und T4 gesperrt sind, fließt ein
Ladestrom über die Diode D2 und somit über Dl an die Fahrzeugbatterie 7 (sh. Figur 1 und 2). In der gesamten Zeit sind die Transistoren TI und T2 gesperrt.
Figur 4 zeigt ein vereinfachtes Schaltdiagramm des elektrischen Antriebssystems der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist lediglich eine Halbbrücke 4a mit den Zwischenkreiskapazitäten CI und C2 darstellt. Des Weiteren ist eine Induktivität LI als Beispiel für eine Wicklung eines elektrischen Antriebsmotors dargestellt. Der Schalter S1 wird über ein Stufensignal 01 geöffnet und geschlossen, wobei der Schalter S1 ein entsprechendes Signal an die Steuerungsschaltung 12 zur Steuerung der Halbbrücke 4a als Hochsetzsteller senden kann. Ist der Schalter S1 geschlossen, wird die Steuerungsschaltung 12 mit einem Rechtecksignal mit einer Frequenz von 20 kHz (s. Bauteil A2) an Stelle eines 0 V-Signals (s. Bauteil Al) versorgt. Hierbei wird ein entsprechender Signalumschalter Bl durch den Schalter S1 gesteuert. Das Rechtecksignal von A2 wird jeweils an einen ersten
Signalmodifizierer ZI und einen zweiten Signalmodifizierer Z2 geschickt. Der Signalmodifizierer ZI ist mit dem Transistor T3 und der Signalmodifizierer Z2 mit dem Transistor T4 verbunden. Hierbei wird das Signal derart modifiziert, z. B. durch eine zeitliche Verschiebung des Signals, dass zuerst der Transistor T4 sperrt und danach der Transistor T3.
Figur 5 zeigt ein weiteres elektrisches Antriebssystem la mit einer
erfindungsgemäßen Ladevorrichtung gemäß eines weiteren bevorzugten
Ausführungsbeispiels. Im Vergleich zu dem elektrischen Antriebssystem 1 aus den Figuren 1 und 2, unterscheidet sich das Antriebssystem la darin, dass zwischen dem Transistor CI und der Autobatterie 7 ein Vorladewiderstand 10 angeordnet ist, der über einen Überbrückungsschalter 11 überbrückt werden kann. Dadurch ist es möglich, die Kapazitäten CI und C2 vor dem Ladevorgang aufzuladen und den Zwischenkreismittelpunkt auf ein entsprechendes Spannungslevel anzuheben. Während des Fahrtmodus ist der Schalter 11 geschlossen. Vor dem Ladebetrieb wird der Schalter 11 geöffnet, um die Kapazitäten vorzuladen; danach wird der Schalter 11 für den Ladevorgang der Fahrzeugbatterie wieder geschlossen. In Verbindung mit dem Ausgleichsleiter 9 (bei geschlossenem Schalter Sl) kann damit eine externe Induktivität z. B. einer Ladesäule, auf die unterhalb der Batteriespannung liegende Zwischenkreismittelpunktspannung vorgeladen werden.
Bezugszeichenliste
1 Elektrisches Antriebssystem
la Elektrisches Antriebssystem, weiteres Ausführungsbeispiel
2 Elektromotor / elektrischer Antriebsmotor
3 Wechselrichter / Antriebsumrichter
4a Erste Halbbrücke für die 1. Phase
4b Zweite Halbbrücke für die 2. Phase
4c Dritte Halbbrücke für die 3. Phase
5 Zwischenkreismittelpunkt
6 Steckeranschluss
7 Fahrzeugbatterie
8 Ladequelle bzw. Ladesäule
9 Ausgleichsleiter
10 Vorladewiderstand
11 Überbrückungsschalter für den Vorladewiderstand
12 Steuerungsschaltung
LI Erste Motorwicklung
L2 Zweite Motorwicklung
L3 Dritte Motorwicklung
CI Erster Kondensator
C2 Zweiter Kondensator
TI Erster Transistor
T2 Zweiter Transistor
T3 Dritter Transistor
T4 Vierter Transistor
Dl Erste Freilaufdiode
D2 Zweite Freilaufdiode
D3 Dritte Freilaufdiode
D4 Vierte Freilaufdiode
D5 Erste Zwischendiode
D6 Zweite Zwischendiode
RI Entkopplungswiderstand
51 Trennschalter
52 Erster Steckeranschlussschalter
53 Zweiter Steckeranschlussschalter Al OV-Signal
A2 Rechtecksignal mit konstanter Frequenz
Bl gesteuerter Signalumschalter
ZI Signalverkleinerer - vom Anfang des Signals beginnend Z2 Signalverkleinerer - vom Ende des Signals beginnend
01 Stufensignal

Claims

Ansprüche
1. Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie (7) eines mit einem
elektrischen Antriebsmotor (2) ausgebildetem Kraftfahrzeugs, mit
- einer Induktivität,
- einem Antriebsumrichter (3), der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie (7) für den elektrischen Antriebsmotor (2) wandelt und einen Zwischenkreismittelpunkt (5) aufweist,
wobei die Induktivität zusammen mit dem Antriebsumrichter (3) für einen Ladebetrieb der Batterie (7) als Hochsetzsteller dient,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Zwischenkreismittelpunkt (5) über einen Ausgleichsleiter (9) mit einer Eingangsspannung einer Ladungsquelle (8) und/oder der Induktivität permanent oder temporär verschalten ist.
2. Ladevorrichtung nach Anspruch 1,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Zwischenkreismittelpunkt (5) über einen Widerstand (RI) mit der Induktivität verschaltbar ist.
3. Ladevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dad u rch geken nzeich net, dass
die Induktivität (LI) durch mindestens eine Wicklung des elektrischen Antriebsmotors (2) gebildet ist.
4. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Antriebsumrichter (3) für drei Spannungsphasen jeweils eine
Halbbrücke (4a; 4b; 4c) aufweist, wobei jede Halbbrücke mit einer der drei Wicklungen (LI; L2; L3) des elektrischen Antriebsmotors (2) verbunden ist.
5. Ladevorrichtung nach Anspruch 4,
dad u rch geken nzeich net, dass
jede Halbbrücke (4a; 4b; 4c) den selben Zwischenkreismittelpunkt (5) aufweist.
6. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Zwischenkreismittelpunkt (5) zwischen zwei in Reihe geschalteten Kapazitäten (CI; C2) angeordnet ist, wobei die Batterie (7) parallel zu den Kapazitäten (CI; C2) hinzuschaltbar ist.
7. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
geken nzeich net d u rch
eine Steuerungsschaltung (10) zum Steuern des Antriebsumrichters (3), insbesondere dessen Halbbrücke (4a; 4b; 4c), als Hochsetzsteller.
8. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
geken nzeich net d u rch
einen Trennschalter (Sl) zum Verschalten des Zwischenkreismittelpunkts (5) mit der Eingangsspannung der Ladungsquelle (8) und/oder der Induktivität (LI).
9. Ladevorrichtung nach Anspruch 8,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Trennschalter (Sl) derart ausgebildet ist, sich bei einer an die
Ladevorrichtung angeschlossenen Ladequelle (8) zu schließen und somit den Zwischenkreismittelpunkts (5) mit der Eingangsspannung der
Ladungsquelle (8) und/oder der Induktivität (LI) zu verschalten.
10. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Trennschalter (Sl) ausgebildet ist, sich im Ladebetrieb periodisch zu öffnen und zu schließen.
11. Elektrisches Antriebssystem (1) mit einer Ladevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche.
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