DE102015224090A1 - Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Traktionsnetzes eines elektrischen Antriebsstranges - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Traktionsnetzes eines elektrischen Antriebsstranges Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Traktionsnetzes (8) eines elektrischen Antriebsstranges (1), wobei die Schaltungsanordnung mindestens drei DC/DC-Wandler (4–6) und mindestens eine Hochvoltspannungsquelle (13, 16) aufweist, wobei ein Ausgang (7) eines ersten DC/DC-Wandlers (4) mit dem Traktionsnetz (8) verbunden ist und der Eingang (9) des ersten DC/DC-Wandlers (4) mit den Ausgängen (10, 11) des zweiten und dritten DC/DC-Wandlers (5, 6) verbunden ist, wobei die mindestens eine Hochvoltspannungsquelle (13, 16) am Eingang (12, 15) des zweiten oder dritten DC/DC-Wandlers (5, 6) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Traktionsnetzes eines elektrischen Antriebsstranges.
  • Elektrische Antriebsstränge werden in Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzt. Dabei weist der Antriebsstrang eine Elektromaschine auf, die motorisch oder generatorisch betrieben werden kann. Die Elektromaschine kann dabei grundsätzlich eine Gleichstrom- oder eine Wechselstrommaschine sein, wobei überwiegend Wechselstrommaschinen Anwendung finden. Weiter verfügen die Antriebsstränge über mindestens eine Hochvoltspannungsquelle, die die Spannung für die Elektromaschine zur Verfügung stellt bzw. im generatorischen Betrieb als Senke von der Elektromaschine geladen wird. Die Hochvoltspannungsquelle ist häufig als Hochvoltbatterie ausgebildet, wobei zwischen Hochvoltbatterie und Elektromaschine noch ein Wechselrichter angeordnet ist, wenn es sich bei der Elektromaschine um eine Wechselstrommaschine handelt.
  • Alternativ oder ergänzend zu Hochvoltbatterien sind auch Brennstoffzellen vorgeschlagen worden.
  • Aus der DE 199 54 306 A1 ist eine Vorrichtung zur elektrischen Energieerzeugung mit einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug bekannt, das wenigstens einen Antriebsmotor aufweist, der über einen Umrichter mit der Brennstoffzelle verbindbar ist. Dabei sind der Brennstoffzelle Hilfsaggregate für die Startphase und den Dauerbetrieb nach der Startphase zugeordnet, wobei der Umrichter und Hilfs- bzw. Zusatzaggregate für das Starten und den Betrieb der Brennstoffzelle sowie eine Seite eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers über wenigstens einen Schaltkontakt mit elektrischen Ausgängen der Brennstoffzelle verbindbar sind. An die andere Seite des DC/DC-Wandlers ist über wenigstens einen weiteren Schaltkontakt ein Energiezwischenspeicher anschließbar. Weiter ist ein Steuergerät vorgesehen, das die Freigabe des Energieflusses über den DC/DC-Wandler und die Energieflussrichtung über den DC/DC-Wandler in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennstoffzelle und des Energiezwischenspeichers steuert. Weiter ist vorgesehen, dass der bidirektionale DC/DC-Wandler und wenigstens ein weiterer bidirektionaler DC/DC-Wandler, der mit dem von der Brennstoffzelle gespeisten Netz und mit einem Bordnetz verbunden ist, dessen Spannung kleiner als die Nennspannung der Brennstoffzelle ist, in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dabei kann der Antriebsmotor ein Gleichstrommotor sein, sodass der Wechselrichter ebenfalls ein DC/DC-Wandler ist, sodass insgesamt drei DC/DC-Wandler zum Einsatz kommen können. Nachteilig an dieser Topologie ist, dass bei steigender Last die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle absinkt, sodass auch die Eingangsspannung des Wechselrichters einbricht. Dies führt dazu, dass der Antriebsmotor (bzw. allgemeiner die Elektromaschine) nicht in ihren hinsichtlich Wirkungsgrad optimierten Arbeitspunkten betrieben werden kann.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Traktionsnetzes eines elektrischen Antriebsstranges zu schaffen, das einen verbesserten Betrieb der Elektromaschine ermöglicht.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Traktionsnetzes eines elektrischen Antriebsstranges weist mindestens drei DC/DC-Wandler und mindestens eine Hochvoltspannungsquelle auf. Dabei ist ein Ausgang eines ersten DC/DC-Wandlers mit dem Traktionsnetz verbunden und der Eingang des ersten DC/DC-Wandlers mit den Ausgängen des zweiten und dritten DC/DC-Wandlers verbunden, wobei die mindestens eine Hochvoltspannungsquelle am Eingang des zweiten oder dritten DC/DC-Wandlers angeordnet ist. Somit liegt die mindestens eine Hochvoltspannungsquelle über zwei DC/DC-Wandlern an dem Traktionsnetz, sodass Spannungseinbrüche an der Hochvoltspannungsquelle sich nicht unmittelbar auf das Traktionsnetz auswirken. Vielmehr bilden die drei DC/DC-Wandler einen TriPort-Wandler mit einem gemeinsamen internen Anschluss. Dabei sei angemerkt, dass die DC/DC-Wandler vorzugsweise als bidirektionale DC/DC-Wandler ausgebildet sind, sodass die Bezeichnung Ein- und Ausgang nur der Unterscheidung dient, was später noch näher erläutert wird. Im generatorischen Betrieb der Elektromaschine wird beispielsweise eine am Traktionsnetz anliegende Spannung, die von der Elektromaschine erzeugt wird, vom Ausgang des ersten DC/DC-Wandlers auf den Eingang des ersten DC/DC-Wandlers umgesetzt. Weiter sei darauf hingewiesen, dass der Begriff Hochleistungsspannungsquelle nicht ausschließt, dass diese auch als Senke arbeiten kann.
  • Dieser TriPort, gebildet durch die drei DC/DC-Wandler, bietet nun vielfältige Ausgestaltungen.
  • In einer Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung eine zweite Spannungsquelle auf, wobei die Hochvoltspannungsquelle am Eingang des zweiten DC/DC-Wandlers und die zweite Spannungsquelle am Eingang des dritten DC/DC-Wandlers angeordnet ist. Dabei kann die zweite Spannungsquelle beispielsweise auf einem Spannungsniveau von 12 V bis 48 V arbeiten und beispielsweise der Versorgung eines Bordnetzes dienen.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist die zweite Spannungsquelle eine Hochvoltspannungsquelle, die eine Spannung größer 60 V aufweist. Somit existieren zwei Hochvoltspannungsquellen, die Energie zur Versorgung des Traktionsnetzes zur Verfügung stellen können.
  • Die erste und/oder die zweite Hochvoltspannungsquelle können dabei auf ganz unterschiedliche Technologien beruhen. Eine Hochvoltspannungsquelle kann als Brennstoffzelle oder als Hochvoltbatterie oder als Verbrennungsmotor mit Generator (gegebenenfalls noch mit einem Wechselrichter) oder als Kondensatorbank (z.B. aus Doppelschichtkondensatoren) ausgebildet sein. Dabei sind beliebige Kombinationen möglich, deren Verhalten sich synergetisch ergänzen. So kann z.B. die erste Hochvoltspannungsquelle als Brennstoffzelle und die zweite Hochvoltspannungsquelle als Hochvoltbatterie ausgebildet sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die erste und zweite Hochvoltspannungsquelle als Hochvoltbatterien ausgebildet, wobei die eine Hochvoltbatterie als Hochenergiebatterie und die andere als Hochleistungsbatterie ausgebildet ist. Dabei kann die Hochleistungsbatterie sehr gut dynamische Anforderungen des Traktionsnetzes erfüllen, wobei die Hochenergiebatterie eine lange Laufzeit gewährleistet.
  • In einer alternativen Ausführungsform, wo keine zweite Spannungsquelle benötigt wird, kann der freie Eingang des zweiten oder dritten DC/DC-Wandlers als DC-Ladeanschluss konfiguriert sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der erste DC/DC-Wandler derart ausgebildet, dass die Ausgangsspannung einstellbar ist. Somit kann in vorteilhafter Weise ein Arbeitspunkt für Spannung und Strom an der Elektromaschine hinsichtlich des Wirkungsgrades optimiert eingestellt werden.
  • Hierzu ist vorzugsweise dem ersten DC/DC-Wandler ein Steuergerät zugeordnet, das derart ausgebildet ist, dass die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers in Abhängigkeit eines gewünschten Arbeitspunktes einer Elektromaschine im Traktionsnetz eingestellt wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Eingangsspannung des ersten DC/DC-Wandlers die höchste Spannung der Schaltungsanordnung. Hierdurch werden die Ströme im TriPort minimiert, sodass mit geringeren Leitungsquerschnitten gearbeitet werden kann, was Kosten und Gewicht spart.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Hochvoltspannungsquelle modular aufgebaut. Somit kann die Schaltungsanordnung sehr einfach an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die zugehörigen DC/DC-Wandler modular aufgebaut sind, wobei vorzugsweise die interne Spannung am Eingang des ersten DC/DC-Wandlers konstant gehalten wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist am Eingang des zweiten oder dritten DC/DC-Wandlers ein weiteres Traktionsnetz mit einer weiteren Elektromaschine angeordnet, wobei dann entsprechend am Eingang des dritten oder zweiten DC/DC-Wandlers die mindestens eine Hochvoltspannungsquelle angeordnet ist. Hierdurch lässt sich beispielsweise ein elektrischer Allradantrieb realisieren, wobei die Elektromaschinen unterschiedlich dimensioniert sein können.
  • Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Schaltungsanordnung ist der Einsatz in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstranges in einer ersten Ausführungsform,
  • 2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstranges in einer zweiten Ausführungsform,
  • 3 eine schematische Darstellung eines Drehmoment-Drehzahl-Kennfeldes einer Synchron-Elektromaschine (Stand der Technik),
  • 4 eine Spannungs-Strom-Kennlinie eines elektrochemischen Elements (Stand der Technik) und
  • 5 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstranges in einer dritten Ausführungsform.
  • In der 1 ist schematisch ein elektrischer Antriebsstrang 1 dargestellt, der eine Elektromaschine 2, einen Wechselrichter 3 sowie drei DC/DC-Wandler 4–6 aufweist. Der Ausgang 7 des ersten DC/DC-Wandlers 4 ist mit dem Wechselrichter 3 verbunden. Der Teil zwischen Wechselrichter 3 und DC/DC-Wandler 4 stellt das Traktionsnetz 8 dar. Der Eingang 9 des ersten DC/DC-Wandlers 4 ist mit den beiden Ausgängen 10, 11 des zweiten DC/DC-Wandlers 5 und des dritten DC/DC-Wandlers 6 verbunden. Dieser Verbindungspunkt liegt auf einem festen Spannungspotential U (intern), das die höchste Spannung im elektrischen Antriebsstrang 1 darstellt. Am Eingang 12 des zweiten DC/DC-Wandlers 5 ist eine erste Hochvoltspannungsquelle 13 in Form einer Brennstoffzelle 14 angeschlossen. Am Eingang 15 des dritten DC/DC-Wandlers 6 ist eine zweite Hochvoltspannungsquelle 16 in Form einer Hochvoltbatterie 17 angeschlossen. Weiter weist der elektrische Antriebsstrang 1 mindestens ein Steuergerät 18 auf. Die drei DC/DC-Wandler 4–6 sind als bidirektionale DC/DC-Wandler ausgebildet, wobei vorzugsweise die Ausgangsspannung des ersten DC/DC-Wandlers 4 durch das Steuergerät 18 einstellbar ist. Das Steuergerät 18 steuert dabei auch die Energierichtung an den DC/DC-Wandlern 4–6. Dadurch, dass jede Hochvoltspannungsquelle 13, 16 über zwei DC/DC-Wandler mit dem Traktionsnetz 8 verbunden ist, kann die Ausgangsspannung am Ausgang 7 des ersten DC/DC-Wandlers 4 unabhängig vom physikalischen Verhalten der Hochvoltspannungsquelle 13, 16 eingestellt werden, was es erlaubt, stets einen gewünschten Arbeitspunkt für die Elektromaschine 2 einzustellen.
  • Dabei bilden die drei DC/DC-Wandler 4–6 einen TriPort 25 mit den drei äußeren Anschlüssen 7, 12, 15. Dies erlaubt neben der Einstellung des Arbeitspunktes der Elektromaschine 2 auch eine einfache Skalierbarkeit. So kann beispielsweise die Schaltung sehr einfach an unterschiedliche Leistungsbedarfe der Elektromaschine 2 angepasst werden.
  • In der 2 ist eine alternative Ausführungsform eines elektrischen Antriebsstranges 1 dargestellt, wo gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen aufweisen. Der einzige Unterschied ist, dass die erste Hochvoltspannungsquelle 13 als Hochleistungsbatterie 19 und die zweite Hochvoltspannungsquelle 16 als Hochenergiebatterie 20 ausgebildet sind. Durch die Verwendung unterschiedlicher Hochvoltspannungsquellen 13, 16 kann somit sowohl eine Anpassung an Dynamik und Dauer erfolgen.
  • Dabei sei angemerkt, dass die zweite Hochvoltspannungsquelle 16 auch durch eine Niedervoltspannungsquelle ersetzt werden kann oder aber als externe DC-Ladeanschlussmöglichkeit ausgebildet sein kann.
  • In der 3 ist ein Drehmoment-Drehzahl-Kennfeld einer Synchron-Elektromaschine dargestellt, wobei der obere Bereich den motorischen Betrieb und der untere Bereich den generatorischen Betrieb darstellt.
  • Die Leistung P ist dabei über die Beziehung P = U·I = 2·π·M·n definiert.
  • Um beispielsweise bei hohen Drehzahlen noch ein ausreichend hohes Drehmoment zur Verfügung zu stellen, muss die Spannung (bei angenommener gleich hoher Stromstärke I) angehoben werden. Bei geringen Leistungen sind für den Wirkungsgrad eher kleine Spannungen zu bevorzugen (bei gleicher Stromstärke). Dieses gewünschte Verhalten zur Optimierung des Wirkungsgrades der Elektromaschine 2 ist aber invers zum Verhalten eines elektrochemischen Elements wie beispielsweise einer Batterie oder Brennstoffzelle (siehe 4). Durch die Verwendung zweier DC/DC-Strecken kann die Arbeitspunkteinstellung weitgehend vom realen Verhalten der Hochvoltspannungsquelle 13, 16 entkoppelt werden. In der 5 ist ein elektrischer Antriebsstrang 1 in einer weiteren alternativen Ausführungsform dargestellt, wobei gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen aufweisen. Der Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsformen gemäß 1 und 2 ist, dass am Eingang 15 des dritten DC/DC-Wandlers 6 keine Spannungsquelle angeschlossen ist, sondern ein weiteres Traktionsnetz 26 mit einer weiteren Elektromaschine 27 sowie einem Wechselrichter 28. Der Wechselrichter 28 kann jedoch entfallen, wenn die Elektromaschine 27 als Gleichstrommaschine ausgebildet ist. Somit kann eine Hochvoltspannungsquelle 13 zwei Traktionsnetze 8, 26 versorgen, wobei die Elektromaschinen 2, 27 an ihre jeweiligen Aufgaben optimiert werden können. Dabei kann das Steuergerät 18 oder ein weiteres Steuergerät vorzugsweise auch die Spannung am Eingang 15 des dritten DC/DC-Wandlers 6 anpassen, um die Elektromaschine 27 im optimalen Arbeitspunkt betreiben zu können. Hierdurch lässt sich beispielsweise ein elektrischer Allradantrieb realisieren, wobei die beiden Elektromaschinen 2, 26 unterschiedlich dimensioniert sein können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19954306 A1 [0004]

Claims (11)

  1. Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Traktionsnetzes (8) eines elektrischen Antriebsstranges (1), wobei die Schaltungsanordnung mindestens drei DC/DC-Wandler (4–6) und mindestens eine Hochvoltspannungsquelle (13, 16) aufweist, wobei ein Ausgang (7) eines ersten DC/DC-Wandlers (4) mit dem Traktionsnetz (8) verbunden ist und der Eingang (9) des ersten DC/DC-Wandlers (4) mit den Ausgängen (10, 11) des zweiten und dritten DC/DC-Wandlers (5, 6) verbunden ist, wobei die mindestens eine Hochvoltspannungsquelle (13, 16) am Eingang (12, 15) des zweiten oder dritten DC/DC-Wandlers (5, 6) angeordnet ist.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung eine zweite Spannungsquelle aufweist, wobei die Hochvoltspannungsquelle (13) am Eingang (12) des zweiten DC/DC-Wandlers (5) und die zweite Spannungsquelle am Eingang (15) des dritten DC/DC-Wandlers (6) angeordnet ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spannungsquelle eine Hochvoltspannungsquelle (16) ist.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltspannungsquelle (13, 16) als Brennstoffzelle (14) oder als Hochvoltbatterie (17) oder als Verbrennungsmotor mit Generator oder als Kondensatorbank ausgebildet ist.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Hochvoltspannungsquelle (13, 16) als Hochvoltbatterien (17) ausgebildet sind, wobei die eine Hochvoltbatterie (17) als Hochenergiebatterie (20) und die andere als Hochleistungsbatterie (19) ausgebildet ist.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des zweiten oder dritten DC/DC-Wandlers (5, 6) als DC-Ladeanschluss konfiguriert ist.
  7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste DC/DC-Wandler (4) derart ausgebildet ist, dass die Ausgangsspannung einstellbar ist.
  8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten DC/DC-Wandler (4) ein Steuergerät (18) zugeordnet ist, das derart ausgebildet ist, dass die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers (4) in Abhängigkeit eines gewünschten Arbeitspunktes einer Elektromaschine (2) im Traktionsnetz (8) eingestellt wird.
  9. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsspannung (U(intern)) des ersten DC/DC-Wandlers (4) die höchste Spannung der Schaltungsanordnung ist.
  10. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Hochvoltspannungsquelle (13, 16) modular aufgebaut ist.
  11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang (11, 15) des zweiten oder dritten DC/DC-Wandlers (5, 6) ein weiteres Traktionsnetz (26) mit einer weiteren Elektromaschine (27) angeordnet ist.
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