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WO2023006729A1 - Elektrisches antriebssystem für ein fahrzeug und verfahren zum betreiben eines entsprechenden elektrischen antriebssystems - Google Patents

Elektrisches antriebssystem für ein fahrzeug und verfahren zum betreiben eines entsprechenden elektrischen antriebssystems Download PDF

Info

Publication number
WO2023006729A1
WO2023006729A1 PCT/EP2022/070915 EP2022070915W WO2023006729A1 WO 2023006729 A1 WO2023006729 A1 WO 2023006729A1 EP 2022070915 W EP2022070915 W EP 2022070915W WO 2023006729 A1 WO2023006729 A1 WO 2023006729A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
vehicle
inverter
charging
electrical
drive system
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/070915
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nathan Tröster
Urs Boehme
Markus Orner
Original Assignee
Mercedes-Benz Group 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 Mercedes-Benz Group AG filed Critical Mercedes-Benz Group AG
Priority to EP22757279.9A priority Critical patent/EP4377135A1/de
Priority to US18/292,404 priority patent/US20240343141A1/en
Priority to JP2024503994A priority patent/JP2024527881A/ja
Priority to CN202280052696.5A priority patent/CN117813216A/zh
Publication of WO2023006729A1 publication Critical patent/WO2023006729A1/de

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    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the invention relates to an electric drive system for a vehicle, with an electric three-phase machine for driving the vehicle.
  • the electrical drive system also has an electrical energy store for supplying power to the three-phase electrical machine while the vehicle is operating in a ferry mode.
  • the electrical drive system also has an inverter for the electrical three-phase machine, which is electrically coupled to the electrical energy store.
  • the electric drive system has a vehicle-side charging connection for electrically coupling the electrical energy store to a vehicle-external charging unit.
  • the invention also relates to a method for operating an electric drive system of a vehicle, with an electric three-phase machine being supplied with electricity by means of an electric energy storage device while the vehicle is in motion, so that the vehicle is driven by means of the electric three-phase machine.
  • BEV battery-powered, vehicles
  • BEV electric vehicles
  • 800 volt charging stations are not always available, so such an electric vehicle must also be charged at 400 volt charging stations.
  • Boost converters can be used for this purpose, for example. Additional power electronics are installed in the electric vehicle, which adapt the voltage of the charging station to the battery voltage of the vehicle.
  • switching batteries are used in the prior art, which are divided into two strands, which are connected in parallel or in series with switches can.
  • the electric vehicle can be charged with either 400 volts or 800 volts.
  • a switching arrangement for hybrid and electric vehicles is known from DE 102018009848 A1.
  • An additional voltage converter can be integrated in the vehicle, with which a 400 volt direct current can be converted into a 800 volt direct current.
  • Something similar is known from DE 102018 009840 A1.
  • One aspect of the invention relates to an electric drive system for a vehicle, with
  • An electrical energy store for supplying electricity to the electric three-phase machine during ferry operation of the vehicle
  • An on-board charging connection for electrically coupling the electrical energy store with an off-board charging unit, wherein - Depending on the inverter, a charging voltage of the vehicle-side charging connection can be converted into a supply voltage for charging the electrical energy store.
  • the inverter of the electric three-phase machine of the vehicle which is already present in the vehicle, also has a secondary function in addition to its primary function.
  • the primary function of the inverter is to provide AC voltage for the three-phase machine.
  • the secondary function is the misuse of the inverter for charging the vehicle, in particular at a 400 volt charging station. Consequently, the vehicle can be backwards compatible without the use of additional components and/or parts since the inverter is already present in the vehicle.
  • Another aspect of the invention relates to a method for operating an electric drive system of a vehicle, wherein
  • an electrical three-phase machine is supplied with electricity by means of an electrical energy store, so that the vehicle is driven by means of the electrical three-phase machine, wherein
  • a vehicle-side charging connection of the vehicle is coupled to an inverter of the electric three-phase machine, wherein
  • a charging voltage of the vehicle-side charging connection is converted into a supply voltage for charging the electrical energy store.
  • a charging process for an 800 volt electric vehicle can be carried out more easily and without additional effort, even with a 400 volt charging station.
  • the method just described can be carried out with an electric drive system according to the previous aspect or an advantageous embodiment thereof.
  • Fig. 1 is a schematic block diagram of an electrical according to the invention
  • Fig. 2 is another schematic block diagram of the electrical
  • an electric drive system 1 for a vehicle.
  • This can in particular be an electric drive system 1 for an electrically driven vehicle, in particular a hybrid vehicle or an electric vehicle.
  • the electric drive system 1 is used to drive the vehicle for locomotion. Consequently, the electric drive system 1 can be associated with a large number of components or systems with which the vehicle can be driven.
  • the electrical drive system 1 can be referred to as a drive device, a switching arrangement or an electrical system.
  • the electric drive unit 1 can have an electric three-phase machine 2 for driving the vehicle.
  • the electrical three-phase machine 2 is an electrical machine, in particular an electric motor.
  • the electric three-phase machine 2 has, specifically, three phases A, B and C.
  • the electric three-phase machine 2 can be operated, for example, in a motor mode and thus as an electric motor.
  • the electric three-phase machine 2 can be supplied with an electrical AC voltage, in particular with an electrical high-voltage AC voltage, via the phases A, B and C, in particular via the phase lines assigned to the phases A, B and C or phase connections.
  • the phases A, B and C of the electric three-phase machine 2 can be connected in particular via a star point.
  • the electric drive system 1 can have an electric energy store 3 .
  • the electrical energy storage device 3 With the help of the electrical energy storage device 3, on the one hand electric three-phase machine 2 other vehicle components and / or vehicle systems are supplied with electrical energy.
  • the electrical energy store 3 can be a number of batteries or battery systems.
  • the electrical energy store 3 is a battery, in particular a vehicle battery.
  • the electrical energy store 3 is a high-voltage battery.
  • a battery voltage Ußatt can be provided with the aid of the electrical energy store 3 .
  • the vehicle is a battery-powered vehicle with a voltage level of 800 volts.
  • a voltage value of essentially 800 volts BC can be provided by means of the battery voltage U ßatt .
  • an alternating voltage is required.
  • This AC voltage can be provided or generated by means of an inverter 4 of the electric three-phase machine 2 by converting the battery voltage Ußatt.
  • the inverter 4 can be a power converter or an inverter, for example.
  • the inverter 4 can be referred to as a drive inverter.
  • the AC voltage for the electric three-phase machine 2 is provided by the primary function or main function of the inverter 4.
  • the inverter 4 can be connected between the electrical energy store 3 and the electrical three-phase machine 2 .
  • the electrical drive system 1 can have a charging connection, in particular a charging connection 5 on the vehicle side.
  • the vehicle-side charging connection 5 can be a charging socket of the vehicle, for example.
  • the vehicle, in particular the electrical energy store 3, can be electrically connected to a charging unit 6 external to the vehicle with the aid of the charging connection 5 on the vehicle.
  • the charging unit 6 can be, for example, a charging infrastructure, a charging system, a charging station or a charging column.
  • a voltage with a voltage value of 400 volts or 800 volts can be provided by means of the charging unit 6 .
  • any desired voltage value can be made available via the charging unit 6 .
  • the vehicle is an 800-volt electric vehicle
  • a charging option with a charging voltage of 800 volts is also required.
  • the charging unit 6 can be connected directly to the electrical energy storage device 3, so that the electrical energy storage device 3 can be supplied with a voltage with a voltage value of 800 volts directly via the charging unit 6 can be loaded.
  • the electric drive system 1 can have a switching device 7 for this purpose.
  • the switching device 7 is arranged directly on the charging connection 5 on the vehicle side. This switching device 7 can be switched or changed between different switching positions or switching states.
  • the switching device 7 can be brought into a first switching position.
  • the vehicle-side charging connection 5, in particular the charging unit 6, is connected directly to the electrical energy store 3, so that the voltage of the charging unit 6 can be used to charge the electrical energy store 3 without having to be converted .
  • the switching device 7 can have switching elements, for example, so that there is a direct flow of current from the charging unit 6 to the electrical energy store 3 .
  • the switching device 7 can have charging contactors, in particular DC charging contactors, for this purpose.
  • the current direction or the current flow is visually represented by the current flow arrows SF, in which the electrical energy store 3 is charged directly with the aid of the charging unit 6 with a voltage value of essentially 800 volts, for example.
  • the switching device 7 can have at least one EMC filter 8 or a plurality of filter units.
  • the EMC filter 8 in particular the vehicle-external charging unit 6 can be protected against disturbances such as electromagnetic interference. If the charging unit 6 is used to provide a voltage with a voltage value of 400 volts, in particular less than 800 volts, the problem arises because, as in the prior art, additional voltage converters are required to step up this voltage, which is lower than the battery voltage .
  • the inverter 4 can also have a secondary function in addition to its primary function.
  • the inverter 4 of the electrical three-phase machine 2 is not used for charging the electrical energy store 3 . Consequently, the inverter 4 has an additional functionality.
  • the inverter 4 can be controlled in such a way that it can be used for charging the electrical energy store 3 .
  • the inverter 4 can be controlled or operated in such a way that the inverter 4 works or acts as a step-up converter or step-up converter. Consequently, with the aid of the inverter 4, the charging voltage UL of the vehicle-side charging connection 5 can be converted or stepped up into a higher supply voltage for charging the electrical energy store 3.
  • the charging voltage UL which is 400 volts in this case, can be converted into a supply voltage with a voltage value of essentially 800 volts.
  • the charging unit 6 can be converted into a higher supply voltage for charging the electrical energy store 3 and made available.
  • the inverter 4 can be used as a step-up converter in order to adapt this 400 volt voltage of the charging unit 6 to the 800 volt voltage of the electrical energy store 3 .
  • the inverter 4 can be designed as a 3-level inverter, S3 inverter or as a 3-level inverter in a T-type design.
  • the inverter 4 can be designed as a 3-level inverter in NPC (Nutrial Point Claimed) topology or as a 3-point inverter in an NPC circuit.
  • the inverter 4 is a nutrial point claimed 3 level inverter. In contrast to the conventionally used 2-level inverter, this has a significantly higher dielectric strength.
  • the inverter 4 may freely have switching arrangements for each of the A, B and C phases.
  • the inverter 4 individual semiconductor switches, such as IGBT's or MOSFETs: SA1, SA2, SA3, SA4, SB1, SB2, SB3, SB4, SC1, SC2, SC3 and SC4.
  • the inverter 4 also has a number of diodes DA1, DA2, DA3, DA4, DZA1, DZA2, DB1, DB2, DB3, DB4, DZB1, DZB2, DC1, DC2, DC3, DC4, DZC1 and DZC2.
  • the inverter 4 has an intermediate circuit 9; this intermediate circuit 9 can have, for example, a capacitor C1 and C2, which can be connected to the charging connection 5 on the vehicle side via a center tap Z.
  • the voltages mentioned, in particular the high-voltage voltages generally mean an electrical voltage which is greater than 50 volts, in particular greater than 60 volts.
  • the voltages, in particular the high-voltage voltages are preferably several hundred volts.
  • FIG. 2 it is now shown in which the electric drive system 1 is present during a charging process at the charging unit 6 at a charging voltage UL with a voltage value of 400 volts.
  • the switching device 7 is switched or changed to a second switching position that is different from the first switching position. This change can be carried out automatically, in particular with the aid of a control unit.
  • the current flow SFL is shown in FIG. This shows, for example, the current flow for charging using the charging voltage UL of 400 volts.
  • the 400 volts of the charging unit 6 can be stepped up, in particular to 800 volts, by means of the inverter 4 .
  • individual semiconductor elements of the inverter 4 are operated in a clocked manner.
  • the components can be driven alternately between current-supplying operation and clocked operation.
  • the clocked operation of the individual components is additionally shown with the current flow arrow SFG.
  • the semiconductor element SA2 is in the current flow SFL.
  • the elements SB3 and SB4 can be found as clock generators.
  • 3 and 4 show, on the one hand, a slightly different interconnection option between the vehicle-side charging connection 5 and the electrical energy store 3.
  • FIG. 3 as in FIG. 1, the case of 800 volt charging is shown in an analogous manner.
  • the statements relating to FIG. 1 can also be considered in an analogous manner to that relating to FIG.
  • FIG. 4 the similar wiring change as in FIG. 3 is shown.
  • FIG. 4 the explanations for FIGS. 2 and 1 can be considered.
  • the components of the inverter 4 and in particular of the electric drive system 2 are now interchanged in the current flow mode and in the clocked mode.
  • the most varied of variations with regard to the current-flowing operation of the components and the clocked operation of the components can be interchanged for this purpose.
  • the current-conducting components are also shown here with the current flow SF L and the clock-generating components are shown with the current flow SF G .

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrisches Antriebssystem (1) für ein Fahrzeug, mit - einer elektrischen Drehstrommaschine (2) zum Antreiben des Fahrzeugs, - einem elektrischen Energiespeicher (3) zum elektrischen Versorgen der elektrischen Drehstrommaschine (2) während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs, - einem Wechselrichter (4) der elektrischen Drehstrommaschine (2), welcher mit dem elektrischen Energiespeicher (3) elektrisch gekoppelt ist, und- einem fahrzeugseitigen Ladeanschluss (5) zum elektrischen Koppeln des elektrischenEnergiespeichers (3) mit einer fahrzeugexternen Ladeeinheit (6), wobei- in Abhängigkeit von dem Wechselrichter (4) eine Ladespannung (UL) des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses (5) in eine Versorgungsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers (3) umwandelbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren.

Description

Elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden elektrischen Antriebssystems
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit einer elektrischen Drehstrommaschine zum Antreiben des Fahrzeuges. Ebenfalls weist das elektrische Antriebssystem einen elektrischen Energiespeicher zum Versorgen der elektrischen Drehstrommaschine während eines Fährbetriebs des Fahrzeuges auf. Das elektrische Antriebssystem weist des Weiteren einen Wechselrichter der elektrischen Drehstrommaschine auf, welcher mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch gekoppelt ist. Das elektrische Antriebssystem weist einen fahrzeugseitigen Ladeanschluss zum elektrischen Koppeln des elektrischen Energiespeichers mit einer fahrzeugexternen Ladeeinheit auf.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeugs, wobei während eines Fährbetriebs des Fahrzeugs eine elektrische Drehstrommaschine mittels eines elektrischen Energiespeichers elektrisch versorgt wird, so dass das Fahrzeug mittels der elektrischen Drehstrommaschine angetrieben wird.
Elektrisch angetriebene, insbesondere batteriebetriebene, Fahrzeuge, wie Elektrofahrzeuge (BEV), werden häufig mit einer Batteriespannung im Bereich von 800 Volt betrieben. Dabei sind 800 Volt-Ladesäulen nicht immer verfügbar, so dass solch ein entsprechendes Elektrofahrzeug auch an 400 Volt-Ladesäulen geladen werden muss.
Hierzu können beispielsweise Boost-Wandler eingesetzt werden. Dabei wird eine zusätzliche Leistungselektronik im Elektrofahrzeug verbaut, die die Spannung der Ladesäule an die Batteriespannung des Fahrzeuges anpasst.
Beispielsweise werden im Stand der Technik Umschaltbatterien verwendet, welche in zwei Stränge aufgeteilt ist, welche mit Schaltern parallel oder seriell geschaltet werden können. Dabei kann das Elektrofahrzeug entweder mit 400 Volt oder mit 800 Volt geladen werden.
Beispielsweise ist aus der DE 102018009848 A1 eine Schaltanordnung für Hybrid- und Elektrofahrzeuge bekannt. Dabei kann in dem Fahrzeug ein zusätzlicher Spannungswandler integriert werden, mit welchem eine 400 Volt-Gleichspannung in eine 800 Volt-Gleichspannung umgewandelt werden kann. Ähnliches ist aus der DE 102018 009840 A1 bekannt.
Nachteile bei dem Einsatz solcher zusätzlicher Spannungswandler im Stand der Technik sind die, dass im Fahrzeug zusätzlicher Bauraum benötigt wird, so dass das Fahrzeuggewicht erhöht wird und durch das höhere Gewicht und insbesondere durch den größeren Bauraum der Energieverbrauch größer wird und ebenfalls die Kosten steigen. Die Verwendung der Umschaltbatterie hat ebenfalls die Nachteile, dass durch zusätzliche Stromschienen und Schalter in der Batterie zusätzliches Gewicht, Bauraum und erhöhte Kosten auftreten. Insbesondere muss bei der Verwendung solcher Spannungswandler und/oder Umschaltbatterien beim Laden aktiv bleibenden Komponenten im Fahrzeug auf einen größeren Spannungsbereich ausgelegt werden.
Somit besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Elektrofahrzeug mit einer Spannungslage von 800 Volt einfacher und ohne zusätzlichen Aufwand an einer 400 Volt-Ladesäule laden zu können.
Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Antriebssystem und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit
- einer elektrischen Drehstrommaschine zum Antreiben des Fahrzeugs,
- einem elektrischen Energiespeicher zum elektrischen Versorgen der elektrischen Drehstrommaschine während eines Fährbetriebs des Fahrzeugs,
- einem Wechselrichter der elektrischen Drehstrommaschine, welcher mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch gekoppelt ist, und
- einem fahrzeugseitigen Ladeanschluss zum elektrischen Koppeln des elektrischen Energiespeichers mit einer fahrzeugexternen Ladeeinheit, wobei - in Abhängigkeit von dem Wechselrichter eine Ladespannung des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses in eine Versorgungsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers umwandelbar ist.
Durch das vorgeschlagene elektrische Antriebssystem können elektrisch angetriebene Fahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge, mit einer Spannungslage von 800 Volt einfacher an 400 Volt-Ladesäulen und/oder Ladeeinheiten geladen werden, da die Abwärtskompatibilität hierzu ohne Zusatzaufwand durchgeführt werden kann. Folglich können Elektrofahrzeuge effiziente betrieben werden, da eine einfachere und verbesserte Möglichkeit gegeben ist, um auch an Ladesäulen mit geringeren Spannungen Ladevorgänge durchführen zu können.
Diese Vorteile können dadurch erreicht werden, indem der bereits im Fahrzeug vorhandene Wechselrichter der elektrischen Drehstrommaschine des Fahrzeuges neben seiner Primärfunktion zusätzlich eine Sekundärfunktion aufweist. Bei der Primärfunktion des Wechselrichters handelt es sich um das Bereitstellen einer Wechselspannung für die Drehstrommaschine. Bei der Sekundärfunktion handelt es sich bei der Zweckentfremdung des Wechselrichters für den Ladebetrieb des Fahrzeuges, insbesondere an einer 400 Volt-Ladesäule. Folglich kann die Abwärtskompatibilität des Fahrzeuges ohne die Verwendung zusätzlicher Komponenten und/oder Bauteile erfolgen, da der Wechselrichter bereits im Fahrzeug vorhanden ist. Durch die Zweckentfremdung des Wechselrichters, insbesondere durch die Verwendung der Sekundärfunktion des Wechselrichters, können Kosten, Gewicht und Bauraum eines Elektrofahrzeuges eingespart werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeuges, wobei
- während eines Fährbetriebs des Fahrzeugs eine elektrische Drehstrommaschine mittels eines elektrischen Energiespeichers elektrisch versorgt wird, sodass das Fahrzeug mittels der elektrischen Drehstrommaschine angetrieben wird, wobei
- für einen Ladebetrieb des Fahrzeugs ein fahrzeugseitiger Ladeanschluss des Fahrzeugs mit einem Wechselrichter der elektrischen Drehstrommaschine gekoppelt wird, wobei
- in Abhängigkeit von dem Wechselrichter eine Ladespannung des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses in eine Versorgungsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers umgewandelt wird. Durch das Verfahren kann ein Ladevorgang eines 800 Volt-Elektrofahrzeuges einfacher und ohne zusätzlichen Aufwand auch bei einer 400 Volt-Ladesäule durchgeführt werden.
Insbesondere kann das soeben geschilderte Verfahren mit einem elektrischen Antriebssystem nach dem vorherigen Aspekt oder einer vorteilhaften Ausführungsform davon ausgeführt beziehungsweise durchgeführt werden.
Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem sind als Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt. Insbesondere können mit gegenständlichen Komponenten des elektrischen Antriebssystems alleine oder in Wirkverbindung das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden.
Einzelne Ausführungsbeispiele eines Aspekts sind als vorteilhafte Ausführungsbeispiele des anderen Aspekts und umgekehrt anzusehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen elektrischen
Antriebssystems eines Fahrzeugs, wobei ein 800 Volt Ladebetrieb des Fahrzeugs dargestellt ist;
Fig. 2 ein weiteres schematisches Blockschaltbild des elektrischen
Antriebssystems aus Fig.1 , wobei ein 400 Volt Ladebetrieb des Fahrzeugs dargestellt ist; Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des elektrischen Antriebssystems aus
Fig.1 ; und
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des elektrischen Antriebssystems aus
Fig.2.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 zeigt beispielsweise ein schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Antriebssystems 1 für ein Fahrzeug. Dabei kann es sich insbesondere um ein elektrisches Antriebssystem 1 für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere um ein Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug handeln. Insbesondere dient das elektrische Antriebssystem 1 dazu, das Fahrzeug für eine Fortbewegungsfahrt anzutreiben. Folglich können zu dem elektrischen Antriebssystem 1 eine Vielzahl an Komponenten oder Systemen zugehörig sein, mit welchen das Fahrzeug angetrieben werden kann.
Beispielsweise kann das elektrische Antriebssystem 1 als Antriebsvorrichtung, Schaltanordnung oder elektrisches System bezeichnet werden.
Für das Antreiben des Fahrzeuges kann die elektrische Antriebseinheit 1 eine elektrische Drehstrommaschine 2 aufweisen. Insbesondere handelt es sich bei der elektrischen Drehstrommaschine 2 um eine elektrische Maschine, insbesondere um einen Elektromotor. Die elektrische Drehstrommaschine 2 weist, insbesondere genau, drei Phasen A, B und C auf. Insbesondere ist die elektrische Drehstrommaschine 2 beispielsweise in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betreibbar. Um die elektrische Drehstrommaschine 2 in dem Motorbetrieb zu betreiben, kann die elektrische Drehstrommaschine 2 über die Phasen A, B und C mit einer elektrischen Wechselspannung, insbesondere mit einer elektrischen Hochvolt-Wechselspannung, versorgt, insbesondere über den Phasen A, B und C zugeordneten Phasenleitungen beziehungsweise Phasenanschlüssen. Die Phasen A, B und C der elektrischen Drehstrommaschine 2 können insbesondere über einen mittels eines Sternpunkts verschaltet sein.
Um die elektrische Drehstrommaschine 2 mit einer Wechselspannung versorgen zu können, kann das elektrische Antriebssystem 1 einem elektrischen Energiespeicher 3 aufweisen. Mit Hilfe des elektrischen Energiespeichers 3 können zum einen die elektrische Drehstrommaschine 2 weitere Fahrzeugkomponenten und/oder Fahrzeugsysteme mit elektrischer Energie versorgt werden.
Beispielsweise kann es sich bei dem elektrischen Energiespeicher 3 um mehrere Batterien oder Batteriesysteme handeln. Insbesondere handelt es sich bei dem elektrischen Energiespeicher 3 um eine Batterie, insbesondere um eine Fahrzeugbatterie. Beispielsweise handelt es sich bei dem elektrischen Energiespeicher 3 um eine Hochvolt- Batterie.
Mit Hilfe des elektrischen Energiespeichers 3 kann insbesondere eine Batteriespannung Ußatt bereitgestellt werden. Insbesondere handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein batteriebetriebenes Fahrzeug mit einer Spannungslage von 800 Volt. Dabei kann die mittels der Batteriespannung Ußatt einen Spannungswert von im Wesentlichen 800 Volt BC bereitgestellt werden.
Um die elektrische Drehstrommaschine 2 betreiben zu können, wird eine Wechselspannung benötigt. Diese Wechselspannung kann mittels eines Wechselrichters 4 der elektrischen Drehstrommaschine 2 durch Umwandlung der Batteriespannung Ußatt bereitgestellt beziehungsweise erzeugt werden. Bei dem Wechselrichter 4 kann es sich beispielsweise um einen Stromrichter oder um einen Inverter handeln. Insbesondere kann der Wechselrichter 4 als Antriebswechselrichter bezeichnet werden. Insbesondere befolgt die Bereitstellung der Wechselspannung für die elektrische Drehstrommaschine 2 durch die Primärfunktion beziehungsweise Hauptfunktion des Wechselrichters 4.
Beispielsweise kann der Wechselrichter 4 zwischen dem elektrischen Energiespeicher 3 und der elektrischen Drehstrommaschine 2 verschaltet sein.
Um insbesondere den elektrischen Energiespeicher 3 aufladen zu können, kann das elektrische Antriebssystem 1 einen Ladeanschluss, insbesondere fahrzeugseitigen Ladeanschluss 5 aufweisen. Bei dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss 5 kann es sich beispielsweise um eine Ladedose des Fahrzeugs handeln. Mit Hilfe fahrzeugseitigen Ladeanschlusses 5 kann das Fahrzeug, insbesondere der elektrische Energiespeicher 3, mit einer fahrzeugexternen Ladeeinheit 6 elektrisch verbunden werden. Bei der Ladeeinheit 6 kann es sich beispielsweise um eine Ladeinfrastruktur, ein Ladesystem, eine Ladestation oder eine Ladesäule handeln. Mittels der Ladeeinheit 6 kann beispielsweise eine Spannung mit einem Spannungswert von 400 Volt oder 800 Volt bereitgestellt werden. Insbesondere kann über die Ladeeinheit 6 ein beliebiger Spannungswert zur Verfügung gestellt werden.
Wenn es sich bei dem Fahrzeug um ein 800 Volt-betriebenes Elektrofahrzeug handelt, ist speziell eine Lademöglichkeit mit einer Ladespannung von ebenfalls 800 Volt erforderlich. Wenn nun die Ladeeinheit 6 eine Ladespannung von im Wesentlichen 800 Volt zur Verfügung stellt, so kann die Ladeeinheit 6 direkt mit dem elektrischen Energiespeicher 3 verbunden werden, so dass der elektrische Energiespeicher 3 mit einer Spannung mit einem Spannungswert von 800 Volt direkt über die Ladeeinheit 6 geladen werden kann. Beispielsweise kann hierzu das elektrische Antriebssystem 1 eine Schaltvorrichtung 7 aufweisen. Insbesondere ist die Schaltvorrichtung 7 unmittelbar an den fahrzeugseitigen Ladeanschluss 5 angeordnet. Diese Schaltvorrichtung 7 kann zwischen verschiedenen Schaltstellungen beziehungsweise Schaltzuständen geschaltet beziehungsweise gewechselt werden.
Für den soeben geschilderten Fall des Bereitstellens eines Spannungswerts von 800 Volt durch die Ladeeinheit 6 kann die Schaltvorrichtung 7 in eine erste Schaltstellung gebracht werden. In der ersten Schaltstellung der Schaltvorrichtung 7 ist der fahrzeugseitige Ladeanschluss 5, insbesondere die Ladeeinheit 6, direkt mit dem elektrischen Energiespeicher 3 verbunden, so dass die Spannung der Ladeeinheit 6 ohne umgewandelt werden zu müssen, verwendet werden kann, um den elektrischen Energiespeicher 3 zu laden. Dazu kann die Schaltvorrichtung 7 beispielsweise Schaltelemente aufweisen, so dass ein Stromfluss von der Ladeeinheit 6 zu dem elektrischen Energiespeicher 3 direkt vorliegt. Beispielsweise kann hierzu die Schaltvorrichtung 7 Ladeschütze, insbesondere DC-Ladeschütze, aufweisen.
In der Fig. 1 ist mit dem Stromflusspfeilen SF die Stromrichtung beziehungsweise der Stromfluss visuell dargestellt, bei welchem der elektrische Energiespeicher 3 direkt mit Hilfe der Ladeeinheit 6 mit beispielsweise einem Spannungswert von im Wesentlichen 800 Volt geladen wird.
Beispielsweise kann die Schaltvorrichtung 7 zumindest einen EMV-Filter 8 oder mehrere Filtereinheiten aufweisen. Mit Hilfe des EMV-Filters 8 kann insbesondere die fahrzeugexterne Ladeeinheit 6 gegenüber Störgrößen, wie beispielsweise elektromagnetische Störungen, geschützt werden. Sollte mit Hilfe der Ladeeinheit 6 eine Spannung mit einem Spannungswert von 400 Volt, insbesondere kleiner 800 Volt, bereitgestellt werden, so liegt das Problem vor, da wie im Stand der Technik zusätzliche Spannungswandler benötigt werden, um diese im Vergleich zu der Batteriespannung niedrigere Spannung hochtransformieren.
Um hierzu Abhilfe zu schaffen, kann der Wechselrichter 4 neben seiner Primärfunktion zusätzlich eine Sekundärfunktion aufweisen. Mit anderen Worten wird der Wechselrichter 4 der elektrischen Drehstrommaschine 2 für den Ladebetrieb des elektrischen Energiespeichers 3 zweckentfremdet. Folglich weist der Wechselrichter 4 eine zusätzliche Funktionalität auf. Für diesen Fall kann der Wechselrichter 4 so angesteuert werden, dass er für den Ladebetrieb des elektrischen Energiespeichers 3 verwendet werden kann. Für diesen Fall kann der Wechselrichter 4 derart angesteuert beziehungsweise betrieben werden, dass der Wechselrichter 4 als Aufwärtswandler beziehungsweise Hochsetzsteller arbeitet beziehungsweise fungiert. Folglich kann mit Hilfe des Wechselrichters 4 die Ladespannung UL des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses 5 in eine dazu höhere Versorgungsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers 3 umgewandelt beziehungsweise hochtransformiert werden. Folglich kann mit Hilfe des Wechselrichters 4 die Ladespannung UL, welche in diesem Fall 400 Volt beträgt, in eine Versorgungsspannung mit einem Spannungswert von im Wesentlichen 800 Volt gewandelt werden. Somit kann ohne zusätzliche Spannungswandlerelemente auch bei einer zu geringen bereitgestellten Ladespannung L der Ladeeinheit 6 diese in eine höhere Versorgungsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers 3 umgewandelt und bereitgestellt werden. Insbesondere kann bei einem 400 Volt-Laden des Fahrzeuges der Wechselrichter 4 als Hochsetzer verwendet werden, um diese 400 Volt Spannung der Ladeeinheit 6 an die 800 Volt Spannung des elektrischen Energiespeichers 3 anzupassen.
Um diese Abwärtskompatibilität erreichen zu können, kann der Wechselrichter 4 als 3- Level-Wechselrichter, S3-Inverter oder als 3-Stufen-lnverter in T-Typ-Ausführung ausgebildet sein. Insbesondere kann der Wechselrichter 4 als 3-Level-Wechselrichter in NPC (Nutrial Point Claimed)-Topologie oder als 3-Punkt-Wechselrichter in NPC-Schaltung ausgebildet sein. Insbesondere handelt es sich bei dem Wechselrichter 4 um einen Nutrial-Point-Claimed-3-Level-lnverter. Dieser weist im Gegensatz zu dem herkömmlich verwendeten 2-Level-lnverter eine deutlich höhere Spannungsfestigkeit auf.
Der Wechselrichter 4 kann frei Schaltanordnungen für jede der Phasen A, B und C aufweisen. Dabei kann der Wechselrichter 4 einzelne Halbleiterschalter, wie IGBT's oder MOSFET’s: SA1, SA2, SA3, SA4, SB1, SB2, SB3, SB4, SC1, SC2, SC3 und SC4 aufweisen. Ebenfalls weist der Wechselrichter 4 mehrere Dioden DA1, DA2, DA3, DA4, DZA1, DZA2, DB1, DB2, DB3, DB4, DZB1, DZB2, DC1, DC2, DC3, DC4, DZC1 und DZC2 auf. Des Weiteren weist der Wechselrichter 4 einen Zwischenkreis 9 auf, dieser Zwischenkreis 9 kann beispielsweise einen Kondensator C1 und C2 aufweisen, welche über einen Mittelabgriff Z mit dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss 5 verbunden werden können.
Bei den genannten Spannungen, insbesondere den Hochvolt-Spannungen, ist im Allgemeinen eine elektrische Spannung zu verstehen, welche größer als 50 Volt, insbesondere größer als 60 Volt, ist. Vorzugsweise betragen die Spannungen, insbesondere die Hochvolt-Spannungen mehrere hundert Volt.
Mit dem Begriff „im Wesentlichen“ ist insbesondere eine Toleranz von plus/minus 5 Prozent, insbesondere 10 Prozent zu verstehen.
In der nachfolgenden Fig. 2 ist nun dargestellt, bei welchem sich das elektrische Antriebssystem 1 bei einem Ladevorgang an der Ladeeinheit 6 bei einer Ladespannung UL mit einem Spannungswert von 400 Volt vorliegt. In diesem Fall ist die Schaltvorrichtung 7 in eine zur ersten Schaltstellung verschiedene zweite Schaltstellung geschaltet beziehungsweise gewechselt. Dieser Wechsel kann insbesondere mit Hilfe einer Steuereinheit automatisch durchgeführt werden. Dabei ist in der Fig. 2 zum einen der Stromfluss SFL eingezeichnet. Dieser zeigt beispielsweise einen den Stromfluss für das Laden mittels der Ladespannung UL von 400 Volt. Dabei können mittels des Wechselrichters 4 die 400 Volt der Ladeeinheit 6 hochtransformiert, insbesondere auf 800 Volt, werden. Damit dies durchgeführt werden kann, werden einzelne Halbleiterelemente des Wechselrichters 4 getaktet betrieben. Beispielsweise können die Bauelemente zwischen dem stromliefernden Betrieb und dem getakteten Betrieb wechselweise angesteuert werden. In diesem Fall ist zusätzlich mit dem Stromflusspfeile SFG der getaktete Betrieb der einzelnen Bauelemente dargestellt. Als Beispiel befindet sich in diesem Ausführungsfall das Halbleiterelement SA2 in dem Stromfluss SFL. Beispielsweise finden sich die Elemente SB3 und SB4 als Taktgeber. Durch die Aufteilung der getakteten und nicht getakteten Bauelemente können die Halbleiter und/oder Dioden des Wechselrichters 4 unterschiedlich belastet werden. Somit ergibt sich eine verringerte Belastung des Wechselrichters 4. Insbesondere werden die Induktivitäten der elektrischen Drehstrommaschine 2 für das Hochsetzen der Spannung verwendet, so dass keine zusätzlichen Bauelemente und/oder große und schwere Drosseln benötigt werden.
Die Fig. 3 und Fig. 4 zeigen zum einen eine etwas verschiedene Verschaltungsmöglichkeit zwischen dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss 5 und dem elektrischen Energiespeicher 3.
Insbesondere ist in der Fig. 3 wie in der Fig. 1 der Fall des 800 Volt-Ladens in analoger Weise dargestellt. Dazu können die Ausführungen zu der Figur 1 ebenso in analoger Weise in der zu der Fig. 3 betrachtet werden.
In der Fig. 4 ist die ähnliche Verschaltungsveränderung wie in der Fig. 3 dargestellt. Insbesondere können zu der Fig. 4 die Ausführungen zu der Fig. 2 und 1 betrachtet werden.
In der Fig. 4 sind nun die Bauelemente des Wechselrichters 4 und insbesondere des elektrischen Antriebssystems 2 in dem Stromflussbetrieb und in dem getakteten Betrieb vertauscht. Insbesondere können hierzu die verschiedensten Variationen bezüglich des stromfließenden Betriebs der Bauelemente und des getakteten Betriebs der Bauelemente vertauscht werden. Somit ist hier ebenfalls mit dem Stromfluss SFL die stromleitenden Bauelemente und mit dem Stromfluss SFG die taktgebenden Bauelemente dargestellt.
Bezugszeichenliste
1 elektrisches Antriebssystem
2 elektrische Drehstrommaschine
3 elektrischer Energiespeicher
4 Wechselrichter
5 fahrzeugseitige Ladeanschluss
6 fahrzeugexterne Ladeeinheit
7 Schaltvorrichtung
8 EMV-Filter 9 Zwischenkreis
A, B, C Phasen der Drehstrommaschine
DA1, DA2, DA3, DA4, DZA1, Dioden
DZA2, DB1, DB2, DB3, DB4,
DZB1, DZB2, DC1, DC2,
DC3, DC4, DZC1, DZC2
SA1, SA2, SA3, SA4, SB1, Halbleiterelemente
SB2, SB3, SB4, SC1, SC2,
SC3, SC4
SF Stromflusspfeile
SFL Stromflusspfeile des Ladebetrieb
SFG Stromflusspfeile des getakteten Betrieb
C1, C2 Kondensatoren z Mittelabgriff
UL Ladespannung
Ußatt Batteriespannung

Claims

Mercedes-Benz Group AG Patentansprüche
1. Elektrisches Antriebssystem (1) für ein Fahrzeug, mit
- einer elektrischen Drehstrommaschine (2) zum Antreiben des Fahrzeugs,
- einem elektrischen Energiespeicher (3) zum elektrischen Versorgen der elektrischen Drehstrommaschine (2) während eines Fährbetriebs des Fahrzeugs,
- einem Wechselrichter (4) der elektrischen Drehstrommaschine (2), welcher mit dem elektrischen Energiespeicher (3) elektrisch gekoppelt ist, und
- einem fahrzeugseitigen Ladeanschluss (5) zum elektrischen Koppeln des elektrischen Energiespeichers (3) mit einer fahrzeugexternen Ladeeinheit (6), dadurch gekennzeichnet, dass
- in Abhängigkeit von dem Wechselrichter (4) eine Ladespannung (UL) des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses (5) in eine Versorgungsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers (3) umwandelbar ist, wobei der Wechselrichter (4) der elektrischen Drehstrommaschine (2) als 3-Level- Wechselrichter ausgebildet ist und das elektrische Antriebssystem (1) eine Schaltvorrichtung (7) zum elektrischen Koppeln des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses (5) mit dem Wechselrichter (4) der elektrischen Drehstrommaschine (2) für einen Ladebetrieb des Fahrzeugs aufweist, wobei die Schaltvorrichtung (7) ein EMV-Filter (8) zum Schutz der fahrzeugexternen Ladeeinheit (6) gegenüber Störgrößen aufweist.
2. Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Ladebetrieb des Fahrzeugs der Wechselrichter (4) als Aufwärtswandler betreibbar ist.
3. Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Schaltstellung der Schaltvorrichtung (7) der fahrzeugseitige Ladeanschluss (5) direkt mit dem elektrischen Energiespeicher (3) und in einer zweiten Schaltstellung der Schaltvorrichtung (7) der fahrzeugseitige Ladeanschluss (5) mit dem Wechselrichter (4) verbunden ist.
4. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems (1) eines Fahrzeugs, wobei während eines Fährbetriebs des Fahrzeugs eine elektrische Drehstrommaschine (2) mittels eines elektrischen Energiespeichers (3) elektrisch versorgt wird, sodass das Fahrzeug mittels der elektrischen Drehstrommaschine (2) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- für einen Ladebetrieb des Fahrzeugs ein fahrzeugseitiger Ladeanschluss (5) des Fahrzeugs mit einem Wechselrichter (4) der elektrischen Drehstrommaschine (2) gekoppelt wird,
- wobei in Abhängigkeit von dem Wechselrichter (4) eine Ladespannung (UL) des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses (5) in eine Versorgungsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers (3) umgewandelt wird und der Wechselrichter (4) der elektrischen Drehstrommaschine (2) als 3-Level- Wechselrichter ausgebildet ist und
- wobei das elektrische Antriebssystem (1) eine Schaltvorrichtung (7) aufweist, durch welche der fahrzeugseitige Ladeanschlusses (5) mit dem Wechselrichter (4) der elektrischen Drehstrommaschine (2) für einen Ladebetrieb des Fahrzeugs gekoppelt wird, und
- wobei die Schaltvorrichtung (7) ein EMV-Filter (8) aufweist über den die fahrzeugexterne Ladeeinheit (6) gegenüber Störgrößen geschützt wird.
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