-
Die Anmeldung betrifft das Gebiet der Energieübertragung zwischen einer Anschlussstation und einem Fahrzeugbordnetz, insbesondere eines Fahrzeugbordnetzes eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs.
-
Es ist bekannt, per Kabel anschließbare Fahrzeuge, die einen elektrischen Traktionsantrieb aufweisen, an eine Anschlussstation anzuschließen, insbesondere um den Energiespeicher des Fahrzeugs aufzuladen.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich das Übertragen von Energie kosteneffizient realisieren lässt, insbesondere bei geringen Kosten für Leistungselektronik.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Vorteile, Eigenschaften, Merkmale und Ausführungsformen ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen sowie mit der Beschreibung und der 1.
-
Es wird vorgeschlagen, zur Energieübertragung eine Spannung über unterschiedliche Wicklungen einer elektrischen Maschine des Fahrzeugbordnetzes zu übertragen. Die Spannung wird hierbei ferner über unterschiedliche Phasen (der Wechselstromseite) des Stromrichters übertragen, der die elektrische Maschine mit einem elektrischen Energiespeicher verbindet. Da unterschiedliche Phasen des Stromrichters verwendet werden, ergibt sich eine Spannung an dem Energiespeicher, die höher ist als bei einer Energieübertragung mittels einer Spannung zwischen einer Phase und einem Massepotential des Stromrichters. Dadurch können höhere Leistungen erzielt werden, insbesondere beim Laden.
-
Ferner ist es möglich, auch einen Energiespeicher mit einer vergleichsweise hohen Nennspannung mittels des Stromrichters aufzuladen, ohne dass eine weitere Spannungswandlung zwischen dem Stromrichter und dem Energiespeicher notwendig wäre. Der Stromrichter ist hierbei zum einen diejenige Komponente, die Energie des Energiespeichers zum Versorgen der elektrischen Maschine wandelt, und ist zum anderen die Komponente, welche beim Übertragen von Energie zwischen dem Energiespeicher und einer Anschlussstation (etwa zum Laden) den Energiefluss zwischen Energiespeicher und Anschlussstation steuert oder regelt (etwa die Spannung, den Strom oder die Leistung). Daher hat der Stromrichter mehrere Funktionen und es können Leistungsbauelemente eingespart werden.
-
Es wird ein Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie beschrieben, insbesondere elektrischer Energie. Die elektrische Energie wird vorzugsweise als Gleichspannungssignal (kontinuierlich oder gepulst) übertragen bzw. als pulsierender oder konstanter Gleichstrom.
-
Die elektrische Energie wird zwischen einem fahrzeugseitigen Energiespeicher und einer Anschlussstation übertragen. Mit anderen Worten wird die elektrische Energie zum Laden des Energiespeichers von der Anschlussstation an den Energiespeicher übertragen, oder die elektrische Energie wird zum Rückspeisen von dem (fahrzeugseitigen) Energiespeicher an die Anschlussstation übertragen. Die elektrische Energie wird insbesondere in galvanisch verbundener Weise (oder auch über eine induktive Schnittstelle oder über einen fahrzeugseitigen oder anschlussstationsseitigen Transformator) zwischen dem Energiespeicher an die Anschlussstation (oder umgekehrt) übertragen. Der Energiespeicher ist insbesondere ein Energiespeicher eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, insbesondere ein Traktionsakkumulator. Der Energiespeicher hat vorzugsweise eine Nennspannung von mindestens 360 V, 380 V oder 500 V oder 750 V. Die Nennspannung beträgt vorteilhafterweise etwa 600 V oder, besonders bevorzugt, ca. 800 V (etwa 650 V–900 V oder 750 V–850 V).
-
Die Energie wird über einen Stromrichter und über mindestens zwei Wicklungen einer elektrischen Maschine übertragen. Die Energie wird insbesondere über einen fahrzeugseitigen kabelgebundenen Anschluss („Plug-In“) übertragen, der eingerichtet ist, mit der Anschlussstation verbunden zu werden, insbesondere über einen Steckanschluss. Der Anschluss ist insbesondere eine Ladebuchse, die gemäß einem Ladestandards für Elektrofahrzeuge oder Plug-In-Hybridfahrzeuge ausgebildet sein kann.
-
Die elektrische Energie wird mittels einer Spannung zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Phasen eines Stromrichters übertragen. Der Stromrichter ist zwischen dem Energiespeicher und der elektrischen Maschine vorgesehen.
-
In einem Fahrmodus überträgt der Stromrichter Energie zwischen dem Energiespeicher und der elektrischen Maschine, etwa um dieses anzutreiben, oder um Energie, die durch Rekuperation von der elektrischen Maschine gewonnen wurde, in dem Energiespeicher zu speichern. Das hier beschriebene Verfahren betrifft allerdings einen Rückspeise- oder Lademodus, wobei ein Rückspeise- oder Lademodus den Fahrmodus ausschließt. Die elektrische Maschine und der Stromrichter werden jedoch in dem hier beschriebenen Verfahren zur Übertragung von Energie verwendet, allerdings ohne Erzeugung eines Antriebmoments.
-
Der Stromrichter ist daher eingerichtet (im Fahr- oder Rekuperationsmodus), eine Übertragung von Energie zwischen der elektrischen Maschine und dem Energiespeicher zu steuern, so dass die elektrische Maschine die elektrische Energie in kinetische Energie wandelt (oder umgekehrt). Der Stromrichter ist ferner eingerichtet, gemäß dem hier beschriebenen Verfahren eine Energieübertragung zwischen dem fahrzeugseitigen Anschluss und dem Energiespeicher, die über die Wicklungen der elektrischen Maschine verläuft, zu steuern, etwa gemäß einer vorgegebenen Sollleistung, gemäß einer vorgegebenen Sollspannung, gemäß einem vorgegebenen Sollstrom oder gemäß einer vorgegebenen Sollfrequenz oder Sollphase. Hierbei zur Energieübertragung wird ein Leistungssignal durch die Wicklungen der elektrischen Maschine geführt, wobei der Leistungspfad durch mehrere Wicklungen der elektrischen Maschine hindurch führt. Das Leistungssignal ist eine Spannung, die zwischen Phasen, Wicklungen oder Wicklungsleistungen der elektrischen Maschine besteht. Die Spannung wird an oder von Wechselstromanschlüssen (d.h. Phasenanschlüssen oder Phasen) des Stromrichters empfangen oder abgegeben; ein Nullleiter, ein Sternpunkt aller Wicklungen oder ähnliche Potentiale werden hierbei nicht als Wechselstromanschluss bezeichnet. Beide Potentiale, die die Spannung ausmachen, sind Potentiale der Wicklungen oder von Wicklungsenden bzw. von Phasen des Stromrichters.
-
Die Energie kann zwischen dem Energiespeicher und dem Stromrichter übertragen werden, wobei die Spannungslage und/oder die Stromart beibehalten wird. Mit anderen Worten wird bei der Übertragung keine Wandlung von Gleichspannung in einer andere Gleichspannung durchgeführt. Ferner wird bei der Übertragung keine Wandlung von Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt ausgeführt. Der Stromrichter, an den die elektrische Maschine angeschlossen ist, ist daher über eine direkte Verbindung mit dem Energiespeicher verbunden. Die direkte Verbindung kann einen Filter, Sicherung, einen Überstromschutz, einen Trennschalter oder ein Trennschütz aufweisen, jedoch umfasst die direkte Verbindung keinen (weiteren) Stromwandler, insbesondere keinen DC/DC-Wandler.
-
Die elektrische Energie kann mittels einer konstanten oder getakteten Gleichspannung zwischen mindestens zwei der Phasen übertragen werden. Die Gleichspannung kann definiert sein durch mehrere Potentiale, wobei eines der Potentiale das Potential einer Untergruppe der Wicklungen oder Phasen des Stromrichters ist, und das andere der Potentiale das Potential einer weiteren Untergruppe der Wicklungen oder Phasen des Stromrichters ist. Die Untergruppen haben keine Schnittmenge. Ferner kann eine Untergruppe ein einziges Element (d.h. Wicklungen oder Phasen) oder mehrere Elemente umfassen. Die mehreren Potentiale sind vorzugsweise zwei Potentiale, insbesondere ein positives und ein negatives Potential. Ein einzelnes Potential kann somit über eine Wicklung oder über mehrere, verbundene Wicklungen übertragen werden.
-
Die Wicklungen können jeweils ein Ende aufweisen, das dem Stromrichter entgegengesetzt ist. Die Enden der Wicklungen sind vorzugsweise über Konfigurationsschalter miteinander verbunden. Mindestens ein Konfigurationsschalter ist während dem Übertragen von Energie zwischen dem Energiespeicher (ES) und der Anschlussstation (AS) geöffnet. Die Konfigurationsschalter sind insbesondere Sternpunktschalter. Bei einem einzelnen Konfigurationsschalter trennt dieser eine Wicklung oder eine Untergruppe von Wicklungen von einer anderen Wicklung oder von einer Untergruppe von Wicklungen (insbesondere von den verbleibenden Wicklungen) ab. Die Konfigurationsschalter sind insbesondere Sternpunktschalter zwischen Enden unterschiedlicher Wicklungen. Es kann bei mehreren Phasen nur ein Sternpunktschalter vorgesehen sein, der eine Wicklung von den restlichen Wicklungen abtrennt. Vorzugsweise ist jeweils ein Sternpunktschalter zwischen zwei unterschiedlichen Phasen vorgesehen; bei drei Wicklungen sind vorzugsweise zwei Wicklungen jeweils über einen Schalter mit der dritten Wicklung verbunden, so dass insgesamt zwei Sternpunktschalter vorgesehen sind. Mindestens einer der Konfigurationsschalter ist geöffnet, wenn das Verfahren ausgeführt wird, wobei die Energie als Spannung zwischen zwei verschiedenen Wicklungen übertragen wird, die von dem Konfigurationsschalter voneinander getrennt sind, wenn dieser geöffnet ist.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass elektrische Energie von einer Anschlussstation an einen fahrzeugseitigen Energiespeicher übertragen wird. Hierbei stellt der Stromrichter eine Sollladespannung, einen Sollladestrom oder eine Sollladeleistung am Energiespeicher ein. Der Stromrichter dient bei der Übertragung von Energie als Stellglied.
-
Ferner wird ein Fahrzeugbordnetz mit einem Energiespeicher beschrieben, der über einen Stromrichter mit einer elektrischen Maschine verbunden ist. Das Fahrzeugbordnetz umfasst Anschlüsse, die eingerichtet sind zum Anschluss des Fahrzeugbordnetzes an eine Anschlussstation. Die Anschlüsse sind vorzugsweise Kontakte zum kabelgebundenen Anschluss einer Anschlussstation, etwa einer Ladestation oder einer Rückspeisestation. Die Anschlüsse können auch als induktive Schnittstelle ausgebildet sein (der ein Gleichrichter nachgeschaltet ist). Die Anschlüsse sind vorzugsweise zum Übertragen einer Gleichspannung ausgestaltet.
-
Die Anschlüsse sind über mehrere Wicklungen der elektrischen Maschine mit mindestens zwei unterschiedlichen Phasen des Stromrichters verbunden. Die Anschlüsse sind über mindestens zwei voneinander getrennte Wicklungen mit dem Stromrichter verbunden.
-
Der Energiespeicher ist vorzugsweise direkt (d.h. über eine wie oben beschriebene direkte Verbindung) mit dem Stromrichter verbunden. Der Stromrichter ist insbesondere ein Inverter, der vorzugsweise bidirektional ausgestaltet ist. Die Funktion des Inverters wird ausgeführt, wenn die elektrische Maschine von dem Energiespeicher versorgt wird oder in diesen Energie zurückspeist, d.h. im Falle des Fahrens (und somit bei der Erzeugung von Drehmoment). Bei der hier beschriebenen Übertragung von Energie zwischen dem Energiespeicher und Anschlüssen (d.h. elektrische Energieübertragung über die Wicklungen hinweg), insbesondere beim Laden und Rückspeisen, können die Schalter des Stromrichters betätigt werden, um eine Gleichspannungswandlung auszuführen. Die Induktivitäten der Wicklungen, über die Energie übertragen wird, bilden dann induktive Energiespeicher des sich ergebenden Gleichspannungswandlers (kurz: DCDC-Wandlers), der die Gleichspannungswandlung ausführt.
-
Die Anschlüsse sind vorzugsweise als Gleichstromanschlüsse ausgebildet, insbesondere mit zwei unterschiedlichen Potentialen. Die Anschlüsse können einer Norm zur Übertragung von Energie einer Ladestation entsprechen.
-
Die Wicklungen weisen Enden auf, die dem Stromrichter abgewandt sind. Diese Enden sind über mindestens einen Konfigurationsschalter verbunden. Bei geöffnetem Konfigurationsschalter ist mindestens eines der Enden einer der Wicklungen nicht mit einer anderen Wicklung verbunden. Die Anschlüsse sind mit Wicklungen verbunden, die über einen Konfigurationsschalter untereinander verbunden sind, so dass bei geöffnetem Konfigurationsschalter die Wicklungen getrennte Potentiale aufweisen können, etwa die Potentiale der Anschlüsse.
-
Das Fahrzeugbordnetz kann mit einer Steuerung ausgerüstet sein, die ansteuernd mit dem Stromrichter verbunden ist. Die Steuerung ist eingerichtet, den Stromrichter gemäß dem Regelungsziel anzusteuern, eine Differenz zwischen der Sollspannung und einer Istspannung am Energiespeicher zu minimieren. Hierbei kann als Stellgröße etwa eine Schaltdauer, ein Tastverhältnis, eine Frequenz oder andere Betriebsparameter des Stromrichters verwendet werden. Ferner kann die Steuerung eingerichtet sein, den Stromrichter gemäß dem Regelungsziel anzusteuern, eine Differenz zwischen der Sollleistung oder einem Sollstrom einerseits und einer Istleistung oder einem Iststrom am Energiespeicher zu minimieren. Die Sollgrößen können von der Steuerung vorgegeben sein oder können von einer übergeordneten Steuerung vorgegeben sein, etwa von einer Ladesteuerung oder von einem Batteriemanagementsystem. Als Steuerung wird hierbei einer Steuervorrichtung bezeichnet, die eine Steuerung oder Regelung in regelungstechnischem Sinne realisiert.
-
Die 1 zeigt ein Fahrzeugbordnetz FB mit einem Energiespeicher ES, der über einen Stromrichter IN mit einer elektrischen Maschine verbunden ist. Der Stromrichter IN umfasst eine B6C-Brücke mit den Schaltelementen 11–23 und einen Zwischenkreiskondensator C. Der Zwischenkreiskondensator ist an einer Gleichspannungsseite des Stromrichters IN angeschlossen, an der auch der Energiespeicher ES angeschlossen ist. Die Schalter 11–23 des Stromrichters sind als dreiphasige Vollwellenbrücke geschaltet. Für jede Phase sind zwei Schalter in Reihe geschaltet, wobei die Reihenschaltungen an die beiden Potentiale der Gleichstromseite angeschlossen sind. An den Verbindungspunkten der Schalter jeder Phase sind die Phasen L1–L3 des Stromrichters IN vorgesehen. Diese bilden eine Wechselstromseite. Die Phasen L1–L3 sind mit ersten Enden der Wicklungen W1–W3 der elektrischen Maschine EM verbunden. Die entgegengesetzten, zweiten Enden sind über Konfigurationsschalter K1, K2 miteinander verbunden.
-
Sind die Konfigurationsschalter K1, K2 geschlossen, ergibt sich ein gemeinsamer Sternpunkt für die Wicklungen W1–W3. Ist mindestens ein Konfigurationsschalter K1, K2 geöffnet, dann ist der Sternpunkt zumindest teilweise aufgelöst.
-
Die Anschlüsse A1, A2 sind zum Anschluss einer Anschlussstation AS eingerichtet. Ist die Anschlussstation AS im Lademodus bzw. als Ladestation ausgebildet, dann wird Energie E von der Anschlussstation AS über die Wicklungen W1–W3 und den Stromrichter IN (in dieser Reihenfolge) mit dem Energiespeicher ES verbunden. Der Energiespeicher ES, etwa ein Traktionsakkumulator, vorzugsweise ein Hochvoltakkumulator, wird hierdurch geladen.
-
Wird Energie durch Wicklungen der elektrischen Maschine EM geführt, dann ist mindestens ein Konfigurationsschalter geöffnet.
-
Ist bei dem Übertragen von Energie K1 geöffnet (und K2 geschlossen), dann wird über die Anschlüsse A1 und A2 eine Spannung zwischen W1 einerseits und W2, W3 andererseits angelegt. Diese wird durch diese Wicklungen an L1 einerseits und L2, L3 andererseits übertragen. Die Wicklungen W2 und W3 haben das gleiche Potential, da K2 geschlossen ist. Ferner haben die Phasen L2 und L3 das gleiche Potential, da K2 geschlossen ist.
-
Ist bei dem Übertragen von Energie K2 geöffnet (und K1 geschlossen), dann wird über die Anschlüsse A1 und A2 eine Spannung U zwischen W1 und W2 einerseits und W3 andererseits angelegt. Diese wird durch diese Wicklungen an L1, L2 einerseits und L3 andererseits übertragen. Die Wicklungen W1 und W2 haben das gleiche Potential, da K1 geschlossen ist. Ferner haben die Phasen L1 und L2 das gleiche Potential, da K1 geschlossen ist.
-
Es kann vorgesehen sein, dass K1 und K2 (allgemein: die Konfigurationsschalter) wechselseitig geöffnet sind, wobei während dem Übertragen von Energie der Schaltzustand von K1 und K2 (allgemein: die Konfigurationsschalter) geändert werden kann, etwa wenn diejenige Wicklung, welche nicht mit einer weiteren Wicklung verbunden ist, eine Temperatur über einer vorgegebenen Grenze aufweist. Ferner können die Schaltzustände von K1 und K2 (allgemein: die Konfigurationsschalter) während dem Übertragen von Energie E gewechselt werden, wenn diejenigen Schalter des Stromrichter IN, welche nicht das gleiche Potential wie Schalter einer anderen Phase führen, eine Temperatur aufweisen, die über einem vorgegebenen Temperaturgrenzwert liegt. Durch zusammenschalten von Phasen bzw. Wicklungen kann die Stromtragfähigkeit des betreffenden Strompfads erhöht werden, wobei zum Ausgleich der unterschiedlichen Strombelastung der Schaltzustand der Konfigurationsschalter während dem Übertragen von Energie geändert werden kann.
-
Ist bei dem Übertragen von Energie K1 und K1 geöffnet, dann wird über die Anschlüsse A1 und A2 eine Spannung U zwischen W2 und W3 angelegt. Diese wird durch diese Wicklungen an L2 und L3 übertragen. Die Wicklungen W1 ist hierbei von den Anschlüssen A1, A2 abgetrennt. Allgemein können daher zwei Phasen zur Übertragung der Energie verwendet werden.
-
Der Stromrichter weist Schalter 11–23 auf, zu denen antiparallel jeweils eine Diode geschaltet ist. Diese Diode kann eine Inversdiode sein, insbesondere wenn die Schalter Halbleiterschalter sind, deren Struktur Inversdioden ausbilden. Ferner können die Dioden als diskrete Bauelemente ausgebildet sein, die parallel zu den Schaltern angeschlossen sind. Dioden als diskrete Bauelemente können parallel zu Schaltern angeschlossen werden, die selbst eine Inversdiode aufweisen, oder die keine Inversdiode aufweisen. Im erstgenannten Fall wird so die Stromtragfähigkeit bei dem Übertragen von Energie erhöht. Die Schalter 11–23 sind vorzugsweise als Feldeffekttransistoren ausgebildet, insbesondere als MOSFET, oder sind als IGBTs ausgebildet. Die Die Schalter 11–23 sind Leistungsschalter und haben einen Nennschaltstrom von mindestens 10 A, vorzugsweise von mindestens 50 A und insbesondere von mindestens 100 A oder mindestens 150 A.
-
Beispielhaft wird angenommen, dass Energie E wie dargestellt von den Anschlüssen A1 und A2 an den Energiespeicher übertragen wird. Dies entspricht einem Ladevorgang. Hierbei sollen der Anschluss A1 ein negatives Versorgungspotential aufweisen und der Anschluss A2 soll ein positives Versorgungspotential aufweisen. Sind K1 und K2 bei dem Übertragen von Energie geöffnet, dann wird über W2 das negative Versorgungspotential übertragen und über W3 wird das positive Versorgungspotential übertragen. Zwischen den Versorgungspotentialen besteht die Spannung U.
-
Die Spannung U wird von der Anschlussstation AS bereitgestellt, die in diesem Fall als Ladestation arbeitet. Diese Spannung U wird an die Phasen L2 und L3 angelegt, wobei die Spannung U aufgrund der Übertragung entlang der Wicklungen W2 und W3 gefiltert wird. Das positive Potential des Anschlusses A2 wird über die Wicklung W3 an L3 übertragen und von dort über diejenige Diode, die parallel zu Schalter 13 angeschlossen ist, an den positiven Anschluss des Energiespeichers ES übertragen. Das negative Potential des Anschlusses A1 wird über die Wicklung W2 an L2 übertragen und von dort über diejenige Diode, die parallel zu Schalter 22 angeschlossen ist, an den negativen Anschluss des Energiespeichers ES übertragen. Der Kondensator C ist hierbei optional. Die Schalter 11–23 (allgemein: die Schalter des Stromrichters IN) können beim Übertragen von Energie zwischen dem Energiespeicher ES und der Anschlüsse A1, A2 geöffnet sein.
-
Vorzugsweise werden die Schalter des Stromrichters IN während dem Übertragen von Energie (insbesondere zum Energiespeicher ES hin oder ausgehend von diesem) angesteuert, um so eine Stromwandlung (insbesondere eine Gleichspannungswandlung) zu realisieren; die Wicklungen, welche ein Potential der Anschlüsse A1, A2 aufweisen (d.h. unter anderem die über K1, K2 ggf. zugeschalteten Wicklungen) dienen als induktive Energiespeicher. Es ergibt sich ein DCDC-Wandler, der die Schalter des Stromrichters IN und die Wicklungen als Serieninduktivitäten umfasst. Der Kondensator C dient zur Glättung und kann in diesem Fall zum sich ergebenden DCDC-Wandler gezählt werden. Werden bei der Übertragung von Energie E die Schalter 11–23 des Stromrichters IN geschaltet, um so eine Gleichspannungswandlung vorzusehen, dann werden vorzugsweise für jedes Potential gleich viele Wicklungen verwendet. Im dargestellten Fall wäre die eine Wicklung pro zu übertragendes Potential.
-
Es ist ersichtlich, dass bei der umgekehrten Richtung der Energieübertragung ebenso die Schalter 11–23 ausgeschaltet sein können oder geschaltet werden können, um einen DCDC-Wandler zu realisieren.
