DE102009021797B4 - Vehicle with charging arrangement for an energy storage of the vehicle - Google Patents
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Abstract
Fahrzeug (3), welches einen Energiespeicher umfasst, aus dem ein Wechselrichter versorgbar ist, der Statorwicklungen eines Elektromotors (4) speist, wobei die Statorwicklungen in Sternpunktschaltung verschaltet sind, wobei mittels eines ersten Steckverbinders (2) elektrische Energie an eine erste Ladeanordnung des Fahrzeugs (3) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ladeanordnung einen ersten Umrichter umfasst, der aus dem Steckverbinder (2) gespeist ist und ausgangsseitig eine mittelfrequente Spannungsquelle zur Verfügung stellt, die einen ersten Spannungs-Strom-Wandler (5), insbesondere Gyrator, speist, aus dem eine erste Primärwicklung (7) der induktiven Energieübertragung versorgt ist, wobei mittels eines zweiten Steckverbinders (20) elektrische Energie an eine zweite Ladeanordnung des Fahrzeugs (3) zuführbar ist, wobei die zweite Ladeanordnung einen zweiten Umrichter umfasst, der aus dem zweiten Steckverbinder (20) gespeist ist und ausgangsseitig eine mittelfrequente Spannungsquelle zur Verfügung stellt, die einen zweiten Spannungs-Strom-Wandler (25), insbesondere Gyrator, speist, aus dem eine zweite Primärwicklung (27) der induktiven Energieübertragung versorgt ist, wobei der erste und zweite Spannungs-Strom-Wandler (5, 25) derartig dimensioniert ist, dass die zugehörige Resonanzfrequenz der Mittelfrequenz entspricht und dieser somit einen Wechselstrom mit einer konstanten Amplitude in die Primärwicklung (7, 27) einprägt, wobei erste und zweite Primärwicklung (7, 27) zur induktiven Energieübertragung induktiv an die Sekundärwicklung (8) gekoppelt sind, aus der der Gleichrichter (31) gespeist wird, dessen Ausgangsstrom dem Sternpunkt (32) zum Beladen des Energiespeichers zugeführt wird, wobei der Ladestrom vom Sternpunkt (32) über die Statorwicklungen und den Wechselrichter dem Energiespeicher zugeführt wird, wobei die Primärwicklungen (7, 27) und die Sekundärwicklung um denselben Kern gewickelt sind.Vehicle (3), which comprises an energy storage, from which an inverter can be supplied, the stator windings of an electric motor (4), wherein the stator windings are connected in star point circuit, wherein by means of a first connector (2) electrical energy to a first charging arrangement of the vehicle (3) can be fed, characterized in that the first charging arrangement comprises a first inverter which is fed from the connector (2) and the output side provides a medium-frequency voltage source, the first voltage-current converter (5), in particular gyrator , from which a first primary winding (7) of the inductive energy transmission is supplied, wherein by means of a second connector (20) electrical energy to a second charging arrangement of the vehicle (3) can be supplied, wherein the second charging arrangement comprises a second inverter, the the second connector (20) is fed and the output side a mittelfre a second voltage-current converter (25), in particular a gyrator, from which a second primary winding (27) of the inductive energy transmission is supplied, wherein the first and second voltage-current converter (5, 25) is dimensioned such that the associated resonant frequency corresponds to the center frequency and thus this impresses an alternating current with a constant amplitude in the primary winding (7, 27), wherein first and second primary windings (7, 27) for inductive energy transfer inductively to the secondary winding ( 8) are coupled, from which the rectifier (31) is fed, whose output current is supplied to the star point (32) for loading the energy storage, wherein the charging current from the neutral point (32) via the stator windings and the inverter is supplied to the energy storage, wherein the Primary windings (7, 27) and the secondary winding are wound around the same core.
Description
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit Ladeanordnung für einen Energiespeicher des Fahrzeugs.The invention relates to a vehicle with a charging arrangement for an energy store of the vehicle.
Es ist allgemein bekannt, netzgespeiste Ladegeräte zum Beladen einer Batterie mit diesen zu verbinden. Zum Betrieb der von einer Batterie gespeisten Anordnung wird das Ladegerät von der Batterie getrennt.It is well known to connect mains powered chargers to charge a battery. To operate the powered by a battery arrangement, the charger is disconnected from the battery.
Aus der gattungsgleichen Schrift
Aus der
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Beladen weiterzubilden.The invention is therefore based on the object to further develop the loading.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Fahrzeug nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.According to the invention the object is achieved in the vehicle according to the features indicated in
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Fahrzeug sind, dass es einen Energiespeicher umfasst, aus dem ein Wechselrichter versorgbar ist, der Statorwicklungen eines Elektromotors speist,
wobei die Statorwicklungen in Sternpunktschaltung verschaltet sind,
wobei mittels zumindest eines Steckverbinders elektrische Energie an eine Ladeanordnung des Fahrzeugs zuführbar ist zum Beladen des Energiespeichers des Fahrzeugs,
wobei die Ladeanordnung zumindest eine induktive Energieübertragung umfasst und der induktiv übertragene Strom über einen Gleichrichter dem Sternpunkt zum Beladen des Energiespeichers zugeführt wird, wobei der Ladestrom vom Sternpunkt über die Statorwicklungen und den Wechselrichter dem Energiespeicher zugeführt wird,
wobei die induktive Energieübertragung mittelfrequent betrieben ist.Important features of the invention in the vehicle are that it comprises an energy store, from which an inverter can be supplied, which feeds stator windings of an electric motor,
wherein the stator windings are connected in neutral connection,
wherein by means of at least one connector electrical energy can be supplied to a charging arrangement of the vehicle for loading the energy store of the vehicle,
wherein the charging arrangement comprises at least one inductive energy transmission and the inductively transmitted current is supplied via a rectifier to the star point for loading the energy store, wherein the charging current is supplied from the star point via the stator windings and the inverter energy storage,
wherein the inductive energy transfer is operated medium frequency.
Von Vorteil ist dabei, dass eine galvanische Trennung erreicht ist und somit die Sicherheit erhöhbar ist. Außerdem ist eine eingangsseitig schwankende Versorgungsspannung oder eine Spannung aus einem weiten Bereich verwendbar. Somit ist die Beladung des Energiespeichers an verschiedenen Netzspannungen ausführbar. Daher ist das Fahrzeug auch für entsprechend überregionale Fahrten verwendbar. Des Weiteren sind die Statorwicklungen des Motors zweifach genutzt, nämlich bei motorischem Betrieben zum Antreiben des Fahrzeugs und beim Beladen des Energiespeichers zum Glätten des Ladestroms. Durch die mittelfrequente Energieübertragung ist die induktive Übertragung sehr kompakt ausführbar, also hohe Leistungen auf geringem Bauraum erreichbar.The advantage here is that a galvanic isolation is achieved and thus the safety can be increased. In addition, an input side fluctuating supply voltage or a voltage from a wide range can be used. Thus, the loading of the energy storage at different mains voltages is executable. Therefore, the vehicle is also usable for corresponding nationwide trips. Furthermore, the stator windings of the motor are used in two ways, namely in motor operations for driving the vehicle and in loading the energy store for smoothing the charging current. Due to the medium-frequency energy transfer inductive transmission is very compact executable, so high performance in a small space reachable.
Erfindungsgemäß umfasst die Ladeanordnung einen Umrichter, der aus dem Steckverbinder gespeist ist und ausgangsseitig eine mittelfrequente Spannungsquelle zur Verfügung stellt, die einen Spannungs-Strom-Wandler, insbesondere Gyrator, speist, aus dem die Primärwicklung der induktiven Energieübertragung versorgt ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Wandler mit auf Resonanz abgestimmten Induktivitäten und Kapazitäten betrieben wird.According to the invention, the charging arrangement comprises a converter which is fed from the plug connector and provides on the output side a medium-frequency voltage source which supplies a voltage-current converter, in particular a gyrator, from which the primary winding of the inductive energy transmission is supplied. The advantage here is that the converter is operated with resonance-tuned inductors and capacitors.
Erfindungsgemäß umfasst der Umrichter einen Gleichrichter, aus dem ein Wechselrichter versorgt ist, dessen Schalter derart pulsweitenmoduliert ansteuerbar sind, dass die mittelfrequente Ausgangsspannung bereit stellbar ist,
wobei der Umrichter an einem weiten Bereich von Netzspannungen betreibbar ist, insbesondere an einphasigen Effektiv-Spannungen zwischen 100 Volt und 250 Volt und/oder an Netzfrequenzen zwischen 40 und 70 Hertz. Von Vorteil ist dabei, dass das Fahrzeug überregional verwendbar ist und mit verschiedenen Netzspannungen betreibbar ist, also beispielsweise mit einer einphasigen Effektiv-Netzspannung von 110 Volt oder 230 Volt und auch mit verschiedenen Netzfrequenzen, wie beispielsweise 50 oder 60 Hertz. Erfindungsgemäß ist mittels eines ersten Steckverbinders elektrische Energie an eine erste Ladeanordnung des Fahrzeugs zuführbar,
wobei die erste Ladeanordnung einen ersten Umrichter umfasst, der aus dem Steckverbinder gespeist ist und ausgangsseitig eine mittelfrequente Spannungsquelle zur Verfügung stellt, die einen ersten Spannungs-Strom-Wandler, insbesondere Gyrator, speist, aus dem eine erste Primärwicklung der induktiven Energieübertragung versorgt ist,
wobei mittels eines zweiten Steckverbinders elektrische Energie an eine zweite Ladeanordnung des Fahrzeugs zuführbar ist,
wobei die zweite Ladeanordnung einen zweiten Umrichter umfasst, der aus dem zweiten Steckverbinder gespeist ist und ausgangsseitig eine mittelfrequente Spannungsquelle zur Verfügung stellt, die einen zweiten Spannungs-Strom-Wandler, insbesondere Gyrator, speist, aus dem eine zweite Primärwicklung der induktiven Energieübertragung versorgt ist,
wobei erste und zweite Primärwicklung zur induktiven Energieübertragung induktiv an die Sekundärwicklung gekoppelt sind, aus der der Gleichrichter gespeist wird, dessen Ausgangsstrom dem Sternpunkt zum Beladen des Energiespeichers zugeführt wird, wobei der Ladestrom vom Sternpunkt über die Statorwicklungen und den Wechselrichter dem Energiespeicher zugeführt wird. Von Vorteil ist dabei, dass zwei Ladegeräte und somit zwei verschiedene Netzversorgungen verwendbar sind. Auf diese Weise ist also beispielsweise eine Drehspannungsversorgung und eine einphasige Versorgung ermöglicht. Dies ermöglicht dann entsprechend hohe Ladeströme. Insbesondere bei der Drehspannungsversorgung ist eine Schnellladung des Energiespeichers ausführbar, da hohe Ströme realisierbar sind. Außerdem ist jeweils eine Spannung aus einem weiten Bereich verwendbar. Denn der Umrichter der Ladeanordnung ist je nach Versorgungsspannung mit einer entsprechenden gleichgerichteten Zwischenkreisspannung ausgestattet und daher auch mit einer Ausgangsspitzenspannung entsprechender Höhe. Da aber der nachgeschaltete Wandler somit nur einen entsprechenden Spitzenstrom in die Primärwicklung einprägt, ist sekundärseitig der Ladestrom entsprechend der Versorgungsspannung des Umrichters verringert. Die Höhe der Versorgungsspannung verursacht also nur eine Anpassung des Ladestroms. Die prinzipielle Funktionsweise der gesamten Ladeanordnung bleibt aber unabhängig von Änderungen der Netzversorgungsspannung.According to the invention, the converter comprises a rectifier, from which an inverter is supplied, whose switches can be controlled in a pulse-width-modulated manner such that the medium-frequency output voltage is ready to be adjusted,
wherein the inverter is operable at a wide range of line voltages, in particular single-phase rms voltages between 100 volts and 250 volts and / or at line frequencies between 40 and 70 hertz. The advantage here is that the vehicle is used nationwide and can be operated with different mains voltages, so for example with a single-phase effective mains voltage of 110 volts or 230 volts and with different network frequencies, such as 50 or 60 hertz. According to the invention, electrical energy can be supplied to a first charging arrangement of the vehicle by means of a first connector,
wherein the first charging arrangement comprises a first converter, which is fed from the connector and provides on the output side a medium-frequency voltage source, which supplies a first voltage-current converter, in particular a gyrator, from which a first primary winding of the inductive energy transmission is supplied,
wherein electrical energy can be supplied to a second charging arrangement of the vehicle by means of a second connector,
wherein the second charging arrangement comprises a second converter, which is fed from the second connector and provides on the output side a medium-frequency voltage source which supplies a second voltage-current converter, in particular a gyrator, from which a second primary winding of the inductive energy transmission is supplied,
wherein first and second primary windings for inductive energy transmission are inductively coupled to the secondary winding, from which the rectifier is fed, the output current is supplied to the star point for loading the energy storage, wherein the charging current from the neutral point via the stator windings and the inverter is supplied to the energy storage. The advantage here is that two chargers and thus two different power supplies can be used. In this way, for example, a three-phase voltage supply and a single-phase supply is possible. This then allows correspondingly high charging currents. In particular in the case of the three-phase voltage supply, rapid charging of the energy store can be carried out since high currents can be realized. In addition, a voltage from a wide range can be used in each case. Because the inverter of the charging arrangement is equipped depending on the supply voltage with a corresponding rectified DC link voltage and therefore also with an output peak voltage corresponding height. But since the downstream converter thus impresses only a corresponding peak current in the primary winding, the secondary side of the charging current is reduced according to the supply voltage of the inverter. The amount of supply voltage thus causes only an adjustment of the charging current. However, the basic mode of operation of the entire charging arrangement remains independent of changes in the mains supply voltage.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Mittelfrequenz zwischen 10 und 500 kHz beträgt, insbesondere zwischen 15 und 30 kHz. Von Vorteil ist dabei, dass ein hoher Wirkungsgrad bei geringem Bauvolumen und hohen übertragenen Leistungen erreichbar sind. Außerdem sind die Schaltverluste von elektronischen Halbleiterschaltern in diesem Frequenzbereich noch akzeptabel, wobei die Wärme mittels der Wasserkühlung abgeführt wird.In an advantageous embodiment, the center frequency is between 10 and 500 kHz, in particular between 15 and 30 kHz. The advantage here is that a high efficiency with low volume and high transmitted power can be achieved. In addition, the switching losses of electronic semiconductor switches in this frequency range are still acceptable, the heat is dissipated by means of water cooling.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind ein Umrichter, ein Spannungs-Strom-Wandler und/oder eine Primärwicklung mit einem Wasserkühlkreislauf des Fahrzeugs zur Kühlung verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass auf kompaktem Bauvolumen hohe Leistungen durchleitbar sind. Die Wasserkühlung ist dabei kein besonderer Zusatzaufwand, da sie im Fahrzeug sowieso vorhanden ist, insbesondere zur Kühlung des Antriebsmotors und auch des Energiespeichers.In an advantageous embodiment, an inverter, a voltage-current converter and / or a primary winding are connected to a water cooling circuit of the vehicle for cooling. The advantage here is that high power can be transmitted on a compact construction volume. The water cooling is not a special additional effort, since it is present anyway in the vehicle, in particular for cooling the drive motor and the energy storage.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Energiespeicher mit dem Wasserkühlkreislauf zur Kühlung verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass mittels der Wasserkühlung hohe Leistungen realisierbar sind.In an advantageous embodiment of the energy storage is connected to the water cooling circuit for cooling. The advantage here is that by means of water cooling high performance can be realized.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Wechselrichter in Halbbrücken angeordnete, pulsweitenmoduliert ansteuerbare elektronische Schalter, wie IGBT oder dergleichen, auf. Von Vorteil ist dabei, dass der Wechselrichter in einfacher Weise herstellbar und ansteuerbar ist.In an advantageous embodiment, the inverter has half-bridges arranged, pulse width modulated controllable electronic switch, such as IGBT or the like on. The advantage here is that the inverter can be produced and controlled in a simple manner.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine weitere Sekundärspule, insbesondere eine zur Sekundärspule parallel beschaltet vorgesehene, weitere Sekundärspule, vorgesehen, die an der Unterseite des Fahrzeugs angeordnet ist und induktiv koppelbar ist mit einem bodenverlegten Primärleiter, in den ein mittelfrequenter Strom einprägbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass mittels der induktiven Kopplung primärseitig verschiedene Strom einspeisende Systeme vorsehbar sind. Insbesondere ist die Schaltungstopologie derart gewählt, dass auch ein induktives Beladen des Fahrzeugs aus einem bodenverlegten Primärleiter ermöglicht ist. Denn die verwendete Mittelfrequenz für die induktive Übertragung ist auch für eine induktive Übertragung von diesem bodenverlegten Primärleiter zu einer induktiv gekoppelten, am Fahrzeug angebrachten Wicklung mit hohem Wirkungsgrad ausführbar. Somit muss auch bei Anwendung einer solchen Energiezufuhr sekundärseitig keine Schaltungsänderung ausgeführt werden.In an advantageous embodiment, a further secondary coil, in particular a secondary coil provided in parallel provided, another secondary coil is provided, which is arranged on the underside of the vehicle and is inductively coupled with a buried primary conductor, in which a medium-frequency current can be impressed. The advantage here is that by means of the inductive coupling on the primary side different power feeding systems are providable. In particular, the circuit topology is chosen such that an inductive loading of the vehicle from a buried primary conductor is made possible. Because the center frequency used for the inductive transmission is also feasible for an inductive transmission of this buried primary conductor to an inductively coupled, mounted on the vehicle winding with high efficiency. Thus, even when using such a power supply on the secondary side no circuit change must be performed.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantages emerge from the subclaims.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:The invention will now be explained in more detail with reference to figures:
In der
In der
Die Beladung des Energiespeichers des Fahrzeugs erfolgt aus dem Öffentlichen Versorgungsnetz, das weit verbreitet ist und daher gut verfügbar.The vehicle's energy storage is loaded from the public supply network, which is widely used and therefore well available.
Das mit dem Öffentlichen Netz verbundene Netzversorgungskabel
Das Fahrzeug wird von einem Motor
Zum Beladen wird die induktiv an die Sekundärwicklung
Der Spannungs-Strom-Wandler
Wird statt der den Umrichter versorgenden Netzspannung eine niedrigere oder eine mit anderer Frequenz bereitgestellte Netzspannung, wird ein geringerer Strom in die Primärwicklung eingeprägt, der somit auch zu einem geringeren Ladestrom für den Energiespeicher bewirkt. Aber es ist somit eine Weitspannungsversorgung ermöglicht, da ein weiter Bereich von Spannungen verwendbar ist.If, instead of the mains voltage supplying the converter, a lower mains voltage or a mains voltage provided with a different frequency, a smaller current is impressed into the primary winding, which thus also causes a lower charging current for the energy store. But it is thus possible a wide voltage supply, since a wide range of voltages can be used.
Zusätzlich ist in
Mittels der induktiven Übertragung ist eine galvanische Trennung erreicht, wobei auch der Datenaustausch vom Ladegerät zur Leistungselektronik im Fahrzeug galvanisch getrennt, nämlich vorzugsweise über Infrarot, erfolgt. Hierzu sind primärseitig und sekundärseitig entsprechende Infrarotempfänger E und Infrarotsender S vorgesehen.By means of inductive transmission galvanic isolation is achieved, whereby the data exchange from the charger to the power electronics in the vehicle galvanically isolated, namely preferably via infrared takes place. For this purpose, the primary side and the secondary side corresponding infrared receiver E and infrared transmitter S are provided.
Der Wandler
Der Zustand des Energiespeichers wird von der Überwachungsschaltung
An der die Sekundärwicklung
Die Primärwicklungen
Der Motor ist vorzugsweise als fremderregte Synchronmaschine ausgeführt, wobei die Erregerwicklung des Motors induktiv versorgt ist.The motor is preferably designed as a separately excited synchronous machine, wherein the field winding of the motor is supplied inductively.
Der Energiespeicher ist vorzugsweise eine Hochvoltbatterie, also eine Batterie deren Leerlaufspannung mehr als 100 Volt, insbesondere bis zu 400 oder 500 Volt, beträgt.The energy store is preferably a high-voltage battery, ie a battery whose open circuit voltage is more than 100 volts, in particular up to 400 or 500 volts.
In Weiterbildung ist auch eine weitere Sekundärspule als Flachwicklung ausführbar und am Boden des Fahrzeugs anordenbar. Somit ist entlang der Fahrstrecke ein mittelfrequent Primärstrom in einem langgestreckt ausgeführten Primärleiter beaufschlagbar, so dass auch auf diese weise eine Energiezufuhr an das Fahrzeug ermöglicht ist während des Parkens oder Fahrens des Fahrzeugs. Dabei ist der Flachwicklung eine Kapazität derart parallel oder in Reihe zuschaltbar, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz des Primärstromes entspricht, wodurch auch bei Abstandsschwankungen ein hoher Wirkungsgrad erreichbar ist.In a further development, another secondary coil can also be designed as a flat winding and can be arranged on the floor of the vehicle. Thus, along the route a medium-frequency primary current in an elongated executed primary conductor can be acted upon, so that in this way an energy supply to the vehicle is made possible while parking or driving the vehicle. In this case, the flat winding is a capacitance connected in parallel or in series, that the associated resonant frequency substantially corresponds to the center frequency of the primary current, whereby a high efficiency can be achieved even with distance fluctuations.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- NetzversorgungskabelPower supply cable
- 22
- SteckverbinderConnectors
- 33
- Fahrzeugvehicle
- 44
- Motor mit Leistungselektronik, wie WechselrichterMotor with power electronics, such as inverters
- 55
- Spannungs-Strom-WandlerVoltage-current converter
- 66
- Ladegerät mit galvanischer TrennungCharger with galvanic isolation
- 77
- Primärwicklungprimary
- 88th
- Sekundärwicklungsecondary winding
- 2020
- SteckverbinderConnectors
- 2525
- Spannungs-Strom-WandlerVoltage-current converter
- 2727
- Primärwicklungprimary
- 3030
- Wasserkühlungwater cooling
- 3131
- Gleichrichterrectifier
- 3232
- Sternpunkt des MotorsStar point of the motor
- 3333
- Überwachungsschaltung für EnergiespeicherMonitoring circuit for energy storage
- 3434
- Sensorsensor
- 3535
- Sensorauswertungsensor evaluation
- Ee
- InfrarotempfängerInfrared receiver
- SS
- Infrarotsenderinfrared transmitter
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