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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungswandlung, ein Traktionsnetz in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug sowie ein Verfahren zum Laden einer Batterie in einem Traktionsnetz.
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Traktionsnetze in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug umfassen eine Batterie, einen Wechselrichter und eine Elektromaschine, die üblicherweise als dreiphasige Elektromaschine ausgebildet ist. Der Wechselrichter umfasst dabei einen Zwischenkreiskondensator sowie drei Halbbrücken, wobei in den Halbbrücken jeweils zwei Transistoren mit Freilaufdioden angeordnet sind. Die Transistoren werden durch ein Steuergerät angesteuert, das die Transistoren derart steuert, dass die Gleichspannung in drei phasenversetzte Wechselspannungssignale oder umgekehrt die dreiphasige Wechselspannung beim rekuperativen Bremsen in eine Gleichspannung wandelt.
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Um entsprechend große Reichweiten zu erreichen, benötigt man Batterien mit großen Energiedichten. Kurze Ladezeiten erfordern hohe Ladeleistungen, sodass entsprechend hohe Nennspannungen bei den Batterien angestrebt werden. Die derzeit standardmäßig verfügbaren Transistoren haben allerdings eine begrenzte Spannungsfestigkeit von ca. 600 V. Zwar sind auch Transistoren mit höheren Spannungsfestigkeiten von z.B. 1.200 V und höher bekannt, allerdings stellen die dann geschalteten hohen Ströme auch ein Problem für die zu bestromenden Komponenten (z.B. die Wicklungen einer Elektromaschine) dar. Diese müssten dann entsprechend auf diese hohen Ströme ausgelegt werden. Daher sind die möglichen Batterienennspannungen auf ca. 400 V beschränkt und die entsprechenden externen Gleichspannungsquellen auf 400 V ausgelegt.
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Aus der
EP 0 593 472 B1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters eines Drehstromantriebs eines Elektroautos als Bordladegerät bekannt, wobei während eines Ladebetriebes zwei Brückenzweige dieses Wechselrichters derart als Hochsetzsteller geregelt werden, dass in Abhängigkeit einer weitgehend sinusförmigen, oberschwingungsarmen Stromeinspeisung mit cos φ = 1 eine Gleichspannung einem Zwischenkreiskondensator des Wechselrichters eingeprägt wird und wobei ein weiterer Brückenzweig dieses Wechselrichters derart als Tiefsetzsteller geregelt wird, dass in Abhängigkeit einer Ladecharakteristik einer Fahrbatterie des Elektroautos dieser ein Ladestrom aus dem Zwischenkreiskondensator eingeprägt wird. In einer alternativen Ausführungsform wird während eines Ladebetriebes ein Brückenzweig dieses Wechselrichters derart als Hochsetzsteller geregelt, dass in Abhängigkeit einer Ladecharakteristik einer Fahrbatterie des Elektroautos dieser ein Ladestrom aus dem Zwischenkreiskondensator eingeprägt wird.
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Aus der
DE 10 2009 033 185 B4 ist ein Ladesystem zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs bekannt, mit einem Umrichter, der an seiner Gleichspannungsseite an eine Batterie angeschlossen ist, zum Umrichten der von einer Batterie gelieferten Gleichspannung in eine für einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs verwendbare variable Wechselspannung. Weiter weist das Ladesystem eine Schalteinheit auf, die an die Wechselspannungsseite des Umrichters und an die Schalteinheit angeschlossen ist, zum Anschließen eines externen Stromversorgungsnetzes an den Umrichter. Dabei ist die Schalteinheit zum Trennen des Anschlusses zwischen dem Umrichter und dem Elektromotor vorgesehen, bevor der Umrichter als Ladegerät für die Batterie verwendet wird, wobei ein Spannungsanpassungsmodul des Umrichters zur Erstellung einer Ladecharakteristik des Ladesystems gemäß den Ladeanforderungen der Batterie vorgesehen ist. Weiter umfasst der Umrichter einen Zwischenkreis, dessen Wert der Spannung über einen Wert der Spannung des externen Stromversorgungsnetzes erhöht wird, wobei der Umrichter derart ausgestaltet ist, dass keine hohen Ströme an das externe Stromversorgungsnetz beim Anstecken des Stromnetz-Ladeanschlusses fließen. Weiter umfasst das Ladesystem eine Freigabeschalteinrichtung zum Entsperren einer Tankklappe des Fahrzeugs und zur Entriegelung des mindestens einen Stromnetz-Ladeanschlusses, wenn die Spannungserhöhungseinrichtung die Spannung des Zwischenkreises auf eine höhere Spannung als die Spannung des externen Stromversorgungsnetzes erhöht hat.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung zu schaffen, mittels derer ein schnelleres Laden mit einer gegebenen externen Gleichspannungsquelle möglich ist. Ein weiteres Problem ist die Schaffung eines geeigneten Traktionsnetzes für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug sowie das Bereitstellen eines Verfahrens zum Laden einer Batterie in einem Traktionsnetz.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Traktionsnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Vorrichtung zur Spannungswandlung umfasst einen Umrichter und ein Steuergerät, wobei der Umrichter einen zweipoligen Gleichspannungsanschluss zum Anschließen einer Batterie und einen dreipoligen Wechselspannungsanschluss zum Anschließen einer Elektromaschine aufweist, wobei der Umrichter drei Halbbrücken aufweist und parallel zu dem Gleichspannungsanschluss ein Zwischenkreiskondensator angeordnet ist. Der Zwischenkreiskondensator besteht aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren, deren gemeinsamer Verbindungspunkt einen Neutralpunkt bildet. Die beiden Kondensatoren sind dabei gleich groß. An den Mittelabgriffen der Halbbrücken sind jeweils zwei in Reihe gegeneinander verschaltete Transistoren angeordnet. Parallel zu den Transistoren ist dabei jeweils eine Diode angeordnet, wobei die Dioden auch gegeneinander verschaltet sind, wobei je nach Technologie der Transistoren diese Dioden als intrinsische Dioden des Transistors oder als separate Dioden ausgebildet sein können. Weiter weist die Vorrichtung einen externen Ladeanschluss auf, wobei der negative Anschluss des externen Ladeanschlusses mit dem negativen Anschluss des Gleichspannungsanschlusses verbunden ist. Ein positiver Anschluss des externen Ladeanschlusses ist mit mindestens einer Induktivität verbunden, die über ein Schaltelement in einem externen Lademodus mit einem Mittelabgriff einer der Halbbrücken oder mit den gegeneinander verschalteten Transistoren an der dem Mittelabgriff entgegengesetzten Anschlussseite verbindbar ist. Mittels der beiden gegeneinander verschalteten Transistoren kann eine 3-Level-Umrichter-Topologie realisiert werden, d.h. das Spannungsniveau am Mittelabgriff kann nicht nur auf das positive und negative Potential der am Gleichspannungsanschluss angeschlossenen Batterie gezogen werden (je nachdem, welcher Transistor der Halbbrücke durchgeschaltet ist), sondern auch auf das Potential am Neutralpunkt (entsprechend halbe Batteriespannung). Die günstigeren Eigenschaften bei der Flankensteilheit der Spannung entspannen auch die Anforderungen an die maschinenseitigen Wicklungen einer angeschlossenen Elektromaschine trotz hoher Nennspannungen. Durch ein entsprechend modifiziertes Pulsmuster können gezielt harmonische Stromkomponenten eliminiert werden, was den Gesamtwirkungsgrad der Elektromaschine verbessert, da Oberwellen in der Regel nicht zur Drehmomentbildung beitragen. Die Ladung der Batterie mit einer externen Gleichspannungsquelle, deren Nennspannung kleiner als die Nennspannung der Batterie ist, erfolgt nun dadurch, dass im Lademodus bzw. Ladebetrieb der Transistor im oberen Teil der Halbbrücke oder ein Transistor der beiden gegeneinander verschalteten Transistoren als DC/DC-Aufwärtswandler betrieben wird. Dadurch kann beispielsweise die Batterie mit einer Nennspannung von 800V durch eine externe Gleichspannungsquelle mit 400V Nennspannung geladen werden. Dies erlaubt schnelle Ladezeiten bei großer Ladeleistung. Die für den Aufwärtswandler benötigte Induktivität kann dabei beispielsweise durch die externe Gleichspannungsquelle zur Verfügung gestellt werden. Die notwendige Größe der Induktivität hängt dabei von der Schaltfrequenz der Transistoren ab, da die Impedanz jωL ist. Vorzugsweise wird jedoch die Induktivität zwischen dem positiven Anschluss und dem Mittelabgriff angeordnet, sodass die Induktivität Teil der Vorrichtung ist und keine speziellen Anpassungen an der externen Gleichspannungsquelle notwendig sind.
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In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Induktivität über das Schaltelement wahlweise mit dem Mittelabgriff einer Halbbrücke verbunden oder freigeschaltet, wobei in der freigeschalteten Schaltstellung der Mittelabgriff mit einem Wechselspannungsanschluss verbunden ist, wobei die gegeneinander verschalteten Transistoren mit der dem Mittelabgriff entgegengesetzten Anschlussseite fest mit dem Neutralpunkt verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform wird der DC/DC-Hochsetzsteller durch den oberen Transistor und die Freilaufdiode der Halbbrücke gebildet, wobei die gegeneinander verschalteten Transistoren gesperrt werden, um den Neutralpunkt vom Mittelabgriff zu isolieren.
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In einer alternativen Ausführungsform ist über das Schaltelement die dem Mittelabgriff entgegengesetzte Anschlussseite der gegeneinander verschalteten Transistoren wahlweise mit der Induktivität oder dem Neutralpunkt verbindbar. Dabei wird einer der Transistoren von den beiden gegeneinander verschalteten Transistoren als DC/DC-Hochsetzsteller betrieben, wobei der obere Transistor in der Halbbrücke einfach durchgeschaltet wird. Der Mittelabgriff kann dabei entweder fest mit einem Wechselspannungsanschluss verbunden sein oder aber zwischen Mittelabgriff und Wechselspannungsanschluss ist ein weiteres Schaltelement angeordnet, das den Mittelabgriff im externen Ladebetrieb von dem Wechselspannungsanschluss trennt.
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Grundsätzlich ist es möglich, nur über eine Halbbrücke den externen Ladebetrieb zu realisieren. Vorzugsweise ist jedoch jeder Halbbrücke eine Induktivität mit Schaltelement zugeordnet, um die Verlustleistung besser aufzuteilen.
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Ein weiterer Vorteil bei Verwendung von allen drei Halbbrücken als DC/DC-Wandler ist, dass diese um 120° phasenversetzt angesteuert werden können, was die Stromwelligkeit reduziert. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass bei kleineren benötigten Ladeleistungen ein oder zwei Halbbrücken abgeschaltet werden, um den Wirkungsgrad des verbleibenden DC/DC-Wandlers zu erhöhen.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Transistoren der Halbbrücken als SiC-IGBTs ausgebildet. IGBTs in Siliziumkarbid-Technologie können Spannungsfestigkeiten von 1.200 V aufweisen und sind daher für Batterienennspannungen von bis zu 850 V ideal geeignet. Die gegeneinander verschalteten Transistoren können ebenfalls als SiC-IGBTs ausgebildet sein. Da aber ohnehin die Spannung sich auf zwei Transistoren aufteilt bzw. nur die halbe Batteriespannung zu schalten ist, können auch IGBTs in Si-Technologie verwendet werden, die beispielsweise jeweils nur eine Spannungsfestigkeit von beispielsweise 600 V aufweisen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass ein Laden über den Ladeanschluss nur möglich ist, wenn eine erfasste Eingangsspannung am Ladeanschluss um einen definierten Spannungshub kleiner als eine Spannung am Gleichspannungsanschluss ist. Dies verhindert undefinierte Stromflüsse in der Vorrichtung. Der Spannungshub ist dabei beispielsweise 10 V. Dabei kann je nach externer Gleichspannungsquelle vorgesehen sein, dass die Steuereinheit mit der Gleichspannungsquelle kommuniziert, sodass diese ihre Spannung anpasst. Ist beispielsweise die Nennspannung der externen Gleichspannungsquelle 400 V und erfasst die Steuereinheit eine Spannung von 380 V am Gleichspannungsanschluss, so wird die Spannung der Gleichspannungsquelle auf 370 V gesenkt. Mit steigender Batteriespannung kann dann auch die Spannung der Gleichspannungsquelle angehoben werden.
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Hinsichtlich der Ausbildung des Traktionsnetzes sowie des Verfahrens zum Laden wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen zur Vorrichtung Bezug genommen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 ein Traktionsnetz in einer ersten Ausführungsform und
- 2 ein Traktionsnetz in einer zweiten Ausführungsform.
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In der 1 ist ein Traktionsnetz 1 dargestellt, umfassend eine Vorrichtung 10, eine Elektromaschine 20 und eine Batterie 30. Die Vorrichtung 10 umfasst ein Steuergerät 11, einen zweipoligen Gleichspannungsanschluss 12, an dem die Batterie 30 angeschlossen ist, und einen dreipoligen Wechselspannungsanschluss 13, an dem die Elektromaschine 20 angeschlossen ist. Die Vorrichtung 10 weist drei Halbbrücken auf, die durch die Transistoren T1-T6 gebildet werden, wobei zwischen zwei Transistoren T1, T2; T3, T4; T5, T6 einer Halbbrücke jeweils ein Mittelabgriff M ist. Parallel zu den Transistoren T1-T6 ist jeweils eine Freilaufdiode D1-D6 geschaltet. Parallel zum Gleichspannungsanschluss 12 ist ein Zwischenkreiskondensator angeordnet, der aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren Cdc gebildet wird, wobei der gemeinsame Anschlusspunkt einen Neutralpunkt N definiert. Zwischen dem Neutralpunkt N und dem jeweiligen Mittelabgriff M einer Halbbrücke sind jeweils zwei gegeneinander verschaltete Transistoren T7, T8 angeordnet, zu dem jeweils parallel eine Diode D7, D8 geschaltet ist, wobei die Dioden D7, D8 ebenfalls gegensinnig verschaltet sind. Durch die gegensinnig verschalteten Transistoren T7, T8 mit parallelen Dioden D7, D8 kann in beide Richtungen ein Stromfluss vollständig gesperrt werden. Die Dioden D7, D8 haben dabei die Funktion, den jeweiligen Transistor im Rückwärtsbetrieb zu überbrücken. Für einen Stromfluss von N nach M wird der Transistor T7 durchgeschaltet, wobei T8 gesperrt werden kann, sodass der Strom durch die Diode D8 fließt. Entsprechend wird für einen Stromfluss von M nach N T8 durchgeschaltet und T7 gesperrt, sodass der Strom durch T8 und D7 fließt. Die dem Mittelabgriff M gegenüberliegende Anschlussseite der gegeneinander verschalteten Transistoren T7, T8 wird mit A gekennzeichnet. Weiter weist die Vorrichtung 10 einen Ladeanschluss 14 für eine nicht dargestellte externe Gleichspannungsquelle auf, wobei der negative Anschluss des Ladeanschlusses 14 mit dem negativen Anschluss des Gleichspannungsanschlusses 12 verbunden ist. Der positive Anschluss des Ladeanschlusses 14 ist jeweils mit einer Induktivität L1, L2, L3 je Halbbrücke verbunden. Schließlich weist die Vorrichtung 10 drei Schaltelemente S1-S3 auf. Die Schaltelemente S1-S3 weisen jeweils eine erste Schaltstellung auf, in der die drei Mittelabgriffe M der Halbbrücken jeweils mit einem Wechselspannungsanschluss 13 verbunden sind und die Induktivitäten L1-L3 freigeschaltet sind. Die erste Schaltstellung ist dabei in 1 dargestellt. In der zweiten Schaltstellung verbindet das Schaltelement S1-S3 die zugehörige Induktivität L1-L3 mit dem zugehörigen Mittelabgriff M der Halbbrücke.
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Im motorischen oder auch rekuperativen Betrieb der Elektromaschine 20 befindet sich das jeweilige Schaltelement S1-S3 in der ersten Schaltstellung. Das Steuergerät 11 erzeugt Steuersignale S für alle Transistoren T1-T8, sodass eine 3-Level-Ansteuerung erzeugt wird. Wird beispielsweise T1 durchgeschaltet und T2 sowie T7 und T8 gesperrt, liegt die positive Batteriespannung am Mittelabgriff M an (1. Level). Wird hingegen T1 und T7, T8 gesperrt und T2 aufgesteuert, liegt die negative Batteriespannung am Mittelabgriff (2. Level). Werden hingegen T1, T2 und T8 gesperrt und T7 durchgeschaltet, liegt nahezu das Potential vom Neutralpunkt N am Mittelabgriff M an, wobei der Strom für den motorischen Betrieb von N nach M in die Wicklung der Elektromaschine 20 fließt (3. Level) (im rekuperativen Betrieb wird T8 durchgeschaltet und T7 gesperrt).
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Die Nennspannung der Batterie 30 kann dabei beispielsweise zwischen 520 V bis 850 V liegen. Die Transistoren T1-T6 sind vorzugsweise SiC-IGBTs mit einer Spannungsfestigkeit von 1.200 V. Die Transistoren T7, T8 können auch SiC-IGBTs oder Si-IGBTs sein, wobei deren Spannungsfestigkeit nur halb so groß sein muss, da diese nur die halbe Betriebsspannung am Neutralpunkt N verarbeiten müssen.
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Um nun die Batterie 30 mit einer externen Gleichspannungsquelle zu laden, die eine kleinere Nennspannung als die Batterie 30 aufweist (z.B. 400 V), werden die Schaltelemente S1-S3 in die zweite Schaltstellung geschaltet und die Transistoren T2, T4, T6, T7 und T8 gesperrt. Die Transistoren T1, T3, T5 werden als DC/DC-Hochsetzsteller getaktet. Dabei können die drei Transistoren T1, T3 und T5 um 120° phasenversetzt angesteuert werden, sodass die Welligkeit des resultierenden Ladestroms für die Batterie 30 reduziert wird. Die Steuerung der Schaltelemente S1-S3 erfolgt ebenfalls durch das Steuergerät 11. Dabei stellt das Steuergerät 11 sicher, dass die Eingangsspannung am Ladeschluss mehr als 10 V geringer ist als die Spannung am Gleichspannungsanschluss 12, da es ansonsten zu unkontrollierten Stromflüssen in der Vorrichtung 10 kommen könnte.
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In der 2 ist eine alternative Ausführungsform für ein Traktionsnetz 1 dargestellt, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zu 1 sind die Mittelabgriffe M fest mit den Wechselspannungsanschlüssen 13 verbunden. In der ersten Schaltstellung schalten die Schaltelemente S1-S3 die Anschlussseite A auf den Neutralpunkt N, wobei die Induktivitäten L1-L3 freigeschaltet sind. In der zweiten Schaltstellung werden die Induktivitäten L1-L3 mit der Anschlussseite A verbunden, wobei der Transistor T7 mit der Diode D8 als DC/DC-Hochsetzsteller betrieben werden. T1 kann dabei durchgeschaltet bleiben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0593472 B1 [0004]
- DE 102009033185 B4 [0005]
