DE102018124789A1

DE102018124789A1 - Schnellladevorrichtung und elektrisches Antriebssystem mit einer derartigen Schnellladevorrichtung

Info

Publication number: DE102018124789A1
Application number: DE102018124789.3A
Authority: DE
Inventors: Philipp Matt; Roland Buol; Katja Stengert; Martin Stöck
Original assignee: ThyssenKrupp AG
Current assignee: Jheeco eDrive AG Liechtenstein
Priority date: 2018-10-08
Filing date: 2018-10-08
Publication date: 2020-04-09
Also published as: WO2020074390A2; WO2020074390A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie 7 eines mit einem elektrischen Antriebsmotor 2 ausgebildetem Kraftfahrzeugs, mit einer Induktivität, und einem Antriebsumrichter 3, der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie 7 für den elektrischen Antriebsmotor 2 wandelt, wobei die Induktivität zusammen mit dem Antriebsumrichter 3 für einen Ladebetrieb der Batterie 7 als Hochsetzsteller dient. Mit dem Ziel, eine verbesserte und insbesondere anpassungsfähigere Ladevorrichtung bereitzustellen, ist eine Schalteinheit 10 in der Ladevorrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, eine Ladungsquelle 8, 12 direkt oder über den Hochsetzsteller mit der Batterie 7 zu verschalten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines mit einem elektrischen Antriebsmotor ausgestatteten Kraftfahrzeugs sowie ein elektrisches Antriebssystem mit einer derartigen Ladevorrichtung.
Zum Laden von Elektrofahrzeugen kommen unterschiedliche Ladekonzepte zum Einsatz. Das Laden mit Wechselstrom über die Haussteckdose ist nahezu überall verfügbar, weist jedoch nur geringe Ladeleistungen von meist unter 5 kW auf. Demgegenüber sind beim Schnelladen an Gleichstromquellen (DC-Laden), etwa über spezielle Ladesäulen, sehr viel höhere Leistungen möglich (50 kW und darüber). Dies erfordert jedoch eine Anpassung der Spannung, wenn das verfügbare Spannungslevel der Ladesäule, typischerweise 400 V DC, geringer ist als das Spannungslevel der Fahrzeugbatterie, von beispielsweise 800V DC.
Zur Anpassung des Spannungslevels können Hochsetzsteller, auch unter den Begriffen „Aufwärtswandler“, „Boost-Converter“ oder „Step-Up-Converter“ bekannt, verwendet werden.
DE 10 2016 209 905 A1 zeigt eine Schnellladeeinheit für ein Elektrofahrzeug, wobei der Antriebsumrichter des Traktionsmotors in Verbindung mit den Motorspulen als Hochsetzsteller dient.
DE 10 2009 052 680 A1 zeigt die eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie, bei der ein Antriebsumrichter als Hochsetzsteller zum Aufladen der Batterie dient. Zur Anpassung an eine gewünschte Ladespannung kann die an board vorhandene Struktur durch das Vorschalten eines Tiefsetzstellers vor dem Hochsetzsteller vervollständigt werden, um eine Anpassung an eine nahezu beliebige jeweils durch die Infrastruktur bereitgestellte DC-Spannung zu ermöglichen.
Ein Nachteil dieser vorgenannten Lösungen besteht darin, dass jeweils nur eine Ladespannung zum Aufladen der Batterie verwendet werden kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte, insbesondere an Ladungsquellen anpassungsfähigere, Schnellladevorrichtung für ein Elektrofahrzeug anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung eine Ladevorrichtung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Bei der Ladevorrichtung handelt es sich insbesondere um eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines mit einem elektrischen Antriebsmotor ausgebildetem Kraftfahrzeugs, mit einer Induktivität, und einem Antriebsumrichter, der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie für den elektrischen Antriebsmotor wandelt, wobei die Induktivität zusammen mit dem Antriebsumrichter für einen Ladebetrieb der Batterie als Hochsetzsteller dient. Dabei ist zusätzlich eine Schalteinheit vorgesehen, die ausgebildet ist, eine Ladungsquelle direkt oder über den Hochsetzsteller mit der Batterie zu verschalten.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dargestellt. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Ladevorrichtung ohne Weiteres an die Ladungsquelle angeschlossen werden kann. Dabei passt sich die Ladevorrichtung an die Eigenschaften der Ladungsquelle an und ermöglicht, ohne zusätzliche Einstellungen, ein effektives Aufladen der Fahrzeugbatterie. So kann die Ladungsquelle eine gegenüber der Fahrzeugbatterie geringere oder gleiche hohe Spannung bereitstellen, die mittels der Schalteinheit derart mit der Ladevorrichtung und schlussendlich mit der Fahrzeugbatterie verschaltet wird, dass die Fahrzeugbatterie aufgeladen werden kann.
Vorzugsweise ist die Schalteinheit derart ausgebildet, eine angeschlossene Ladungsquelle zu identifizieren. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Schalteinheit vorab die Spannung der Ladungsquelle misst und/oder bestimmten Daten von der Ladungsquelle, z.B. kabelgebunden und/oder drahtlos, herausliest. Sobald die Ladungsquelle identifiziert wurde, wird abhängig von der Identifizierung die Ladungsquelle mit der Batterie z.B. direkt, über den Hochsetzsteller oder einen Tiefsetzsteller der Ladungsvorrichtung verschaltet. Dadurch ist die Ladevorrichtung in der Lage, die angeschlossene Ladungsquelle selbstständig und ohne Fremdsteuerung zu identifizieren und mit der Fahrzeugbatterie zu verschalten/verbinden. Alternativ oder zusätzlich kann die Schalteinheit Daten empfangen, z.B. von der Ladungsquelle, die die Ladungsquelle identifiziert und/oder die Schalteinheit steuert, um die Ladungsquelle mit der Fahrzeugbatterie entsprechend zu verschalten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Antriebsumrichter als 2-Level-Wechselrichter oder als 3-Level-Wechselrichter ausgebildet. Der 3-Level-Wechselrichter kann insbesondere als Neutral Point Clamped (NPC) oder T-shape Neutral Point Clamped (TNPC) Wechselrichter ausgeführt sein.
Des Weiteren kann der Antriebsumrichter für drei Spannungsphasen ausgelegt sein und zur Versorgung jeder Wicklung des Elektromotors jeweils eine Halbbrücke aufweisen.
Vorzugsweise sind zum Laden der Batterie ein bis drei Halbbrücken mit entsprechenden Induktivitäten jeweils als Hochsetzsteller steuer- und verwendbar. Die Hochsetzsteller können einzeln oder gleichzeitig, insbesondere mit oder ohne Phasenversatz verwendet werden. Je mehr Hochsetzsteller insbesondere gleichzeitig betrieben werden, desto höher ist die für die Fahrzeugbatterie zur Verfügung stehende Ladeleistung.
Um die Anzahl der Bauelemente und somit die Kosten für die Ladevorrichtung zu sparen, kann die für einen Hochsetzsteller notwendige Induktivität durch mindestens eine Spulen-/Wellenwicklung des Elektromotors gebildet sein. Bevorzugt sind mehrere Induktivitäten vorgesehen, die mehr bevorzugt alle als Wicklungen zur Erregung des Antriebsmotors in Form von Spulen- oder Wellenwicklung ausgebildet sind.
Vorzugsweise kann die Zwischenkreiskapazität des Antriebsumrichters veränderlich ausgebildet sein. Dies kann zum Beispiel durch ein oder mehrere zusätzliche parallel und/oder seriell schaltbare Kapazitäten erfolgen. Diese können Schalter zur An- und Abkopplung im Ladebetrieb aufweisen. Auch kann eine für den Fahrtbetrieb optimierte Zwischenkreiskapazität eingerichtet sein, welche im Ladebetrieb abgekoppelt und durch eine oder mehrere für den Ladebetrieb optimierte Zwischenkreiskapazitäten ersetzt wird, die im Ladebetrieb hinzugeschalten werden. Dadurch kann die Ladevorrichtung z.B. auf einen Ladebetrieb optimiert werden.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der elektrische Antriebsmotor ausgebildet ist, mindestens ein Fluid wie z.B. Öl und/oder Wasser zur Kühlung zu verwenden und insbesondere an die mindestens eine Spulen-/Wellenwicklung zuzuführen. Dies kann durch Pumpen und/oder durch entsprechend ausgebildete Zu-/Abflussstrukturen, die z.B. schwerkraftgetrieben funktionieren, ermöglicht werden. Zusätzlich kann der Antriebsmotor ausgebildet sein, im Ladebetrieb das mindestens eine Fluid an zusätzlich Stellen bzw. Räume innerhalb bzw. am Motor zuzuführen, um die Kühlwirkung zu verbessern. Sobald der Motor in den Fahrtbetrieb gesetzt wird, kann es vorgesehen sein, das Fluid soweit zu entfernen, dass es nur noch an den Stellen vorliegt, die sich während des Fahrtbetriebes stark erhitzen und/oder Schmierung während der Rotation brauchen. Dadurch können Schleppverluste im Fahrbetrieb minimiert werden. Insofern besteht die Möglichkeit, z.B. Öl nicht nur im gegenüber dem Stator abgedichteten Wickelkopfraum zu führen, sondern auch im Statorinnenraum des Elektromotors, insbesondere in dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor.
Vorzugsweise weist die Ladevorrichtung, insbesondere der Hochsetzsteller, mindestens ein Kühlsystem mit zwei voneinander unabhängigen Kreisläufen auf, einen Wasserkreislauf für den Antriebsumrichter und einen Ölkreislauf für die Induktivität, insbesondere für eine Spulen-/Wellenwicklung des elektrischen Antriebsmotors. Der Wasserkreislauf kann auch derart ausgebildet sein, neben dem Antriebsumrichter auch den Stator über einen Kühlmantel zu kühlen.
Vorzugsweise weist der Antriebsmotor einen Rotor auf, der während des Ladevorgangs gekühlt wird. Dabei kann es vorgesehen sein, den Rotor von innen und/oder aussen mit einem Kühlfluid zu kühlen. Dabei kann es vorgesehen sein, den Rotor hohl auszubilden und mit einem Kühlfluid zu durchströmen. Weiter ist es denkbar und möglich, den Innenraum des gesamten Antriebsmotors mit Kühlfluid zu fluten. Auch im Falle der Kühlung des Rotors ist es denkbar und möglich, einen Ölkreislauf für die Kühlung zu verwenden, bevorzugt denselben Kreislauf, wie für die Induktivitäten des Motors.
Des Weiteren ist der Ölkreislauf vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Abwärme der Induktivität und/oder Rotors an einen Fluid- bzw. Ölkreislauf des Antriebsmotors und/oder eines Getriebes abgegeben werden kann. Hierbei dient der Kreislauf des Antriebsmotors und/oder Getriebes zum Schmieren und Kühlen von beweglichen bzw. rotierenden Bauteilen des Antriebsmotors und/oder Getriebes. Hierbei kann es sich insbesondere um die Lagerschmierung des Motors handeln. Ziel der Ölerwärmung ist die Senkung der Öl-Viskosität und somit die Verbesserung der Schmierwirkung und die Senkung der Pumpleistung. Der Kühlkreislauf gibt hierbei seine Abwärme im Normalfall, d.h. während des Fahrbetriebs, über einen Wärmetauscher an den Wasserkreislauf ab. Die Ladevorrichtung kann somit zusätzlich ausgebildet sein, diese Wärmetauscherfunktion gezielt zu unterbinden, damit das Öl schneller seine Zieltemperatur und/oder Viskosität erreicht, und den Wärmetauscher erst dann wieder einzukoppeln.
Vorzugsweise bildet der Ölkreislauf des Kühlsystems der Ladevorrichtung mindestens ein Teil des Ölkreislaufes des Antriebsmotors und/oder Getriebes oder umgekehrt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Zwischenkreismittelpunkt des Antriebsumrichters z.B. über einen Widerstand mit einer Eingangsspannung der Ladungsquelle und/oder der Induktivität mittels eines Ausgleichsleiters verschalten oder zuschaltbar. Hierbei kann ein Schaltelement ausgebildet sein, den Ausgleichsleiter für den Fahrbetrieb zu unterbrechen und für den Ladebetrieb zu schließen. Somit können Ausgleichsströme über den Ausgleichsleiter fließen, um die Spannung des Zwischenkreismittelpunkts zu halten bzw. zu stabilisieren und die vorbestimmte Funktion des Hochsetzstellers zu gewährleisten. Bei dem Schaltelement kann es sich z.B. um ein Schütz, Relais oder auch Halbleiterschalter handeln.
Die Schalteinheit ist bevorzugt in das Gehäuse eines elektrischen Antriebssystems integriert. Bevorzugt sind dabei die Bestandteile der Schalteinheit mit den Bestandteilen des Antriebssystems, insbesondere der Antriebsumrichter, integriert. Dabei werden gemeinsame Bauteile, wie z.B. Stromschienen und z.B. Kühleinrichtungen, nur einmal ausgebildet. Dadurch kann der interne Schaltungsaufwand und auch die Teileanzahl reduziert werden. Die Integration der Schalteinheit bietet weiterhin den Vorteil, dass auch der externe Schaltungsaufwand reduziert werden kann.
Entsprechend ist bevorzugt die Schalteinheit und der Antriebsumrichter bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Die Schalteinheit weist vorzugsweise eine vorgelagerte und/oder nachgelagerte Filtereinheit auf, mit deren Hilfe die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) verbessert werden kann. Derartige Filter können mit Vorteil Drosseln und Kondensatoren aufweisen. Drosseln mit Windungszahl 1 sind dabei zu bevorzugen, da dadurch ein aufwendiges Biegen/Umwickeln von Ringkernen entfällt. Die Ringkerne sind z.B. aus Ferrit, besonders bevorzugt jedoch aus amorphen oder nanokristallinen Materialien gefertigt. Dadurch lassen sich ausreichend hohe Induktivitäten auch bei geringen Windungszahlen der Drosseln erreichen.
Weiter bevorzugt umfasst die Schalteinheit und/oder der Antriebsumrichter eine Schaltung zur Leistungsanpassung, um die Ladungsquelle optimal an den Hochsetzsteller in Kombination mit der Batterie anzupassen. Hier kommen ebenfalls Widerstände, Kondensatoren und Spulen zum Einsatz. Dabei ist es sogar denkbar und möglich einstellbare Elemente und steuerbare Schalter vorzusehen, um die Leistungsanpassung jeweils zu optimieren.
Zwischen Hochsetzsteller und Batterie kann eine weitere Filtereinheit vorgesehen sein, die eine entsprechende Leistungsanpassung und/oder eine entsprechende Verbesserung der EMV darstellt. Dabei ist es denkbar und möglich nur eine oder mehrere oder alle der Filtereinheiten vorzusehen. Es ist auch denkbar und möglich die Schaltung zur Leistungsanpassung ohne zusätzliche Filtereinheit oder mit ein oder mehreren der oben genannten Filtereinheiten in dem elektrischen Antriebssystem vorzusehen.
Weiter betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Ladevorrichtung wie sie oben beschrieben wurde, sowie eine Batterie, sowie einen Ladeanschluss, der auch als Ladedose bezeichnet wird, wobei die Batterie genau einen Stromanschluss zur Verbindung mit einem Stromanschluss für den Antriebsumrichter aufweist, und dass genau ein Anschluss zur Verbindung der Ladedose mit der Schalteinheit vorgesehen ist, wobei die Anschlüsse für den Antriebsumrichter und die Anschlüsse zur Verbindung mit der Ladedose an dem Gehäuse angeordnet sind. Die Ladedose ist ihrerseits vorgesehen zur Herstellung der elektrischen Kontaktierung mit der Ladungsquelle.
Auf diese Weise ist eine einfach austauschbare Antriebseinheit oder auch Antriebssystem dargestellt, die mit wenigen elektrischen Verbindungen, beispielsweise Steckkontakten, auskommt. Intern im Gehäuse sind nur kurze Leitungswege ausgebildet, die die Störempfindlichkeit des Systems verringern.
Die hier vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung bereit.
Das elektrische Antriebssystem ist zum Antrieb eines oder mehrerer Räder ausgebildet. Es kann sich insbesondere um eine elektrische Antriebsachse zum Antrieb zweier drehachsgleicher Räder oder um eine elektrischen Antriebseinheit zum Antrieb genau eines Rades handeln. Das elektrische Antriebssystem umfasst bevorzugt den elektrischen Antriebsmotor und den Antriebsumrichter, die in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind. Es kann auch ein Getriebe umfassen, welches ebenfalls in das gemeinsame Gehäuse integriert ist.
Die nachfolgend beschriebenen Figuren beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung, wobei diese Figuren nicht der Einschränkung, sondern im Wesentlichen der Veranschaulichung der Erfindung dienen.
Es zeigen

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 einen Schaltungsplan eines Antriebssystems einer dritten erfindungsgemässen Ausführungsform mit einem 2-Level-Wechselrichter als Antriebsumrichter und mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung in einem ersten Lademodus;
4 einen Schaltungsplan des Antriebssystems gemäß 3 in einem zweiten Lademodus;
5 einen Schaltungsplan eines Antriebssystems einer vierten erfindungsgemässen Ausführungsform mit einem 3-Level-Wechselrichter als Antriebsumrichter gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem zweiten Lademodus;
6a bis 6c einen Schaltungsplan für verschiedene Ausführungsformen von Filtereinheiten; und
7 einen strukturellen Aufbau eines Elektromotors mit angeschlossenen Kühlkreisläufen.
8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung analog zur Ausbildung in 3 und 4.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebssystems 1 mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung. Das Antriebssystem 1 weist einen Elektromotor 2, einen Antriebsumrichter 3 sowie ein Getriebe 20 auf, die in einem gemeinsamen Gehäuse 13 zusammengefasst sind.
Eine Fahrzeugbatterie 7 ist über eine Leitung zwischen Batterieanschluss 73,74 und einem ersten Anschluss 131,132 mit der elektrischen Antriebseinheit 2 verbunden und speist im Fahrtmodus den Antriebsumrichter 3 zum Antrieb des Elektromotors 2. Der Elektromotor mit Rotor 201 treibt im Fahrtmodus über ein Getriebe 20 das Rad 22. Im Beispiel ist nur ein Rad 22 dargestellt. Das Antrtiebssystem kann auch für den Antrieb zweier oder mehrerer Räder ausgebildet sein.
Eine Ladedose 6, die auch als Ladeanschluss bezeichnet werden kann, kann mit einem Plus- und Minuspol einer Gleichstrom-Ladungsquelle 8, 12 verbunden werden. Die Ladedose 6 ist über Kabel mit einer Schalteinheit 10 verbunden, wobei die Schalteinheit unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines weiter unten ausgeführten Hochsetzstellers 11 mit der Batterie 7 verbindbar ist. Hierzu sind Leiter zwischen Schalteinheit 10 und Batterie mit Batterieanschluss 71,72 sowie Leiter zwischen Schalteinheit 10 und elektrischem Antriebssystem 1 mit Anschluss 133, 134 ausgebildet.
Schalteinheit 10 und Ladedose 6 sind dabei als baulich eigenständige Komponenten ausgeführt, die physisch nicht in das elektrische Antriebssystem integriert sind.
Die Schalteinheit 10 weist drei Schalter S1, S2, S3 auf, welche eine angeschlossene Ladungsquelle 8,12 mit dem Antriebssystem 1 oder der Batterie 7 elektrisch verbinden können.
In einem ersten Lademodus sind Schalter S1 und S3 geschlossen, so dass eine angeschlossene Ladungsquelle 12 direkt mit der Batterie 7 verbunden ist. Batterie und Ladungsquelle weisen hierbei eine Lade- bzw. Zielspannung von ca. 800V auf.
In einem zweiten Lademodus sind Schalter S2 und S3 geschlossen und verbinden die Ladungsquelle 8 mittelbar über das mit Hochsetzstellfunktion ausgestattete Antriebssystem 1 mit der Batterie 7. Ladungsquelle 8 und Batterie weisen unterschiedliche Lade- bzw. Zielspannungen von 400V bzw. 800V auf. Die Ladespannung wird über einen im Antriebssystem befindlichen Hochsetzsteller 11 auf 800V hochgesetzt, wobei der Hochsetzsteller den Antriebsmotor 2 und den Antriebsumrichter 3 mit einer Kapazität umfasst.
Der Elektromotor weist Induktivitäten L1, L2 und L3 in Form von Spulen- und/oder Wellenwicklungen, im Beispiel mit 3 Phasen, auf. Die Induktivitäten L1, L2 und L3 sind in einer Sternschaltung miteinander verschaltet; das heisst, dass die Induktivitäten einen gemeinsamen Knoten-/Sternpunkt haben.
Die Phasenabgänge der Wicklungen und der Sternpunkt sind mit dem Inverter verschaltet. Zur Hochsetzstellung wird der Ladestrom über den Sternpunkt des Motors in die Induktivitäten L1, L2, L3 geführt und über Schaltelemente des Antriebsumrichters in Verbindung mit einer Kapazität hochgestellt und fließt über den Anschluss 131, 132 in die Batterie 7.
Für eine konkrete Umsetzungsmöglichkeit eines derartigen Hochsetzstellers wird auf die Erklärungen in den weiter unten stehenden Ausführungsbeispielen verwiesen.
Gemäß 1 sind alle Schalter S1, S2, S3 der Schalteinheit 10 geöffnet und das Antriebssystem 1 für den Fahrtmodus bereit.
Im Fahrtmodus wird der Antriebsumrichter 3 angesteuert, um den Rotor 201 des Elektromotors 2 in Rotation zu versetzen. Über ein Getriebe 20 wird ein Antriebsrad 22 eines Kraftfahrzeugs angetrieben.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Antriebssystems 1 aus 1 mit vergleichbaren Bauelementen in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall befindet sich das Antriebssystem im Fahrtmodus und die Schalter S1, S2, S3 sind entsprechend geöffnet. Im Unterschied zur Ausführung entsprechend der 1 sind die Schalteinheit 10, der Antriebsumrichter 3 und der Elektromotor 2 in einem gemeinsamen Gehäuse 13' angeordnet.
Das Antriebssystem 1 umfasst zwei elektrische Kontaktverbindungen 101, 102 zur elektrischen Kontaktierung einer Ladedose 6 mit der Schalteinheit 10. Weiter umfasst das Antriebssystem 1 zwei elektrische Kontaktverbindungen 301, 302 zur elektrischen Kontaktierung der Batterie 7 (Anschluss 75,76) mit dem Antriebsumrichter 3, sowie die Schalteinheit und den Antriebsumrichter.
Der externe Verschaltungsaufwand V zum Anschluss der Batterie 7, des Antriebssystems 1 und den übrigen elektrischen Gliedern reduziert sich gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus 1 auf nurmehr einen Kabelstrang. Durch die bauliche Integration der Schalteinheit 10 können weiterhin interne Verschaltungsaufwände für Starkstrom und Schwachstrom (u.a. Sensorsignale) verringert werden.
Weiterhin kann die Ansteuerung/Logik der Verschalteinheit 10 in die zentrale Ansteuerung/Logik der elektrischen Antriebsachse integriert werden, beispielsweise auf derselben Platine, so dass baulich separate Steuereinheiten entfallen können.
3 und 4 zeigen eine schematische Darstellung eines Schaltungsplans eines Antriebssystem 1 in einer dritten Ausführungsform der Erfindung in einem ersten bzw. zweiten Lademodus, die ähnlich zur Ausführungsform der 2 ausgebildet ist.
Das Antriebssystem 1 ist hier als elektrische Antriebsachse mit einem Gehäuse 13" zum Antrieb von Rädern 22 ausgebildet. Es enthält analog vorhergehender Ausführungen eine integrierte Schalteinheit 10, einen Motor 2 mit zu einem Sternpunkt verschalteten Wicklungen, die die Induktivitäten L1, L2, L3 des Hochsetzstellers bilden, und einen Antriebsumrichter 3, der als 2-Level-Wechselrichter ausgebildet ist.
Der 2-Level-Wechselrichter umfasst eine positive und eine negative Stromschiene, die durch Halbbrücken 4a, 4b, 4c verbunden sind. Die Halbbrücken 4a, 4b, 4c umfassen jeweils zwei Transistoren T1a, T2a T1b, T2b, Tic, T2c und zu jedem Transistor eine entsprechende Freilaufdiode D1a, D2a, D1b, D2b Die, D2c. Weiters ist ein Zwischenkreiskondensator C1 vorgesehen. Als Transistoren können dabei verschiedene Leistungsschalter, beispielsweise Thyristoren oder insbesondere IGBTs eingesetzt werden.
Gemäß 3 ist das elektrische Antriebssystem in einem ersten Lademodus veranschaulicht. Über einen Ladedose 6 ist eine 800 V Gleichspannungsquelle 12 mit dem elektrischen Antriebssystem 1 verbunden. Da die Fahrzeugbatterie 7 eine Spannung von 800 V verwendet, sind die Schalter der Schalteinheit 10 derart geschaltet, dass die Spannungsquelle 12 über die Schalter S1 und S3 direkt an den Polen der Fahrzeugbatterie 7 liegen. Das heißt insbesondere, dass der erste Schalter S1 und der dritte Schalter S3 geschlossen sind und der zweite Schalter S2 offen ist. Entsprechend erfolgt die Aufladung der Batterie direkt von der Gleichspannungsquelle 12. Insbesondere fließt der Ladestrom nicht durch die Motorwicklungen, so dass der Ladewiderstand gering ausfällt.
In der Schalteinheit 10 können entsprechende Ladekontrollmechanismen vorgesehen sein, um das Aufladen der Batterie zu steuern.
Weiter ist im Beispiel ein Filter Fa dargestellt, der zwischen dem Ladeanschluss 6 und der Schalteinheit 10 angeordnet ist, der Störsignale ausfiltert und die EMV verbessert. Ein zweiter Filter Fb ist zwischen der Schalteinheit 10 und dem Hochsetzsteller 11 angeordnet ist. Dieser Filter passt entsprechend die Filterung an die elektrischen Eigenschaften des Hochsetzstellers an, um Störsignale auszufiltern. Ob im realen Einsatz einer oder beide Filter tatsächlich eingebaut werden, ist jeweils nach den Anforderungen zu entscheiden.
Die Filtereinheiten können ein- oder mehrstufig ausgebildet sein und können derart ausgestaltet sein, dass gesetzliche Vorschriften in Bezug auf Emission und Immunität erreichet werden können.
Beispiele für die Ausbildung derartiger Filter sind in den 6a, 6b und 6c dargestellt.
4 zeigt die Anordnung gemäss 3 in einem zweiten Lademodus.
In diesem Fall wird eine Gleichspannungsquelle 8 mit einer niedrigeren Ladespannung, im Beispiel 400V, an das Antriebssystem 1 angeschlossen. Damit die Transformation der niedrigeren Ladespannung auf die für die Ladung der Batterie 7 erforderlichen Ladespannung, im Beispiel 800V, ermöglicht wird, wird der Ladestrom über den geschlossenen Schalter S2 in den als Hochsetzsteller 11, der aus den Wicklungen L1, L2, L3 und den Halbbrücken, sowie dem Kondensator C1 des Antriebsumrichter 3 gebildet ist, geleitet. Dazu muss der Schalter S1 geöffnet sein und der Schalter S3 geschlossen sein.
Durch eine entsprechende Ansteuerung der Transistoren T1a bis T2c wird die gewünschte Hochsetzfunktion erzeugt.
Einen Hochsetzsteller im engeren Sinn bilden beispielsweise der periodisch geschaltete Transistor T2a in Verbindung mit den Freilaufdioden Dia und D2a in der Halbbrücke 4a, Induktivität L1 und der Kapazität C1. Der Transistor T1a bleibt für die Hochsetzstellung gesperrt. Entsprechend bilden die anderen Halbbrücken 4b, 4c mit den Induktiväten L2, L3 weitere Hochsetzsteller aus. Die Hochsetzsteller können einzeln oder gemeinsam (z.B. durch Betrieb von nur zwei der drei Hochsetzsteller), phasenversetzt oder phasengleich (z.B. durch zeitlich verschobene Schaltzyklen der Hochsetzsteller) betrieben werden. Sie bilden gemeinsam den Hochsetzsteller 11 aus.
Zur Optimierung der elektronischen Anpassung der elektrischen Ansteuerung in dem Antriebsumrichter 3, der einmal im Fahrtbetrieb den Elektromotor treiben soll und im Ladebetrieb an der Hochsetzstellung mitwirken soll, zu verbessern, kann ein zusätzliches Anpassungsglied Fc vorgesehen sein, wie dies in 8 veranschaulicht ist. In diesem Anpassungsglied sind entsprechend Induktivitäten und/oder Kapazitäten und/oder elektrische Widerstände vorgesehen, die entsprechende elektronische Optimierungen gewährleisten. Damit ist eine Leistungsanpassung darstellbar, wie dies oben ausgeführt ist. Weiter ist in 8 ein Filterelement Fd gezeigt, dass eine Anpassung des Ausgangs des Hochsetzstellers 11 oder eine Anpassung des Ladeanschlusses 301, 302 an die Batterie 7 ermöglicht.
5 zeigt einen Schaltungsplan eines elektrischen Antriebssystems 1, das ähnlich zur Ausführungsform der 3,4 ausgebildet ist. Entsprechend werden Bauteile mit vergleichbaren Funktionen mit gleichen Bezugszeichen benannt.
Im Gegensatz zum Antriebssystem 1 aus 3,4, ist der Antriebsumrichter 3 in 5 als drei 3-Level-Welchselrichter ausgebildet.
Der 3-Level-Wechselrichter ist hier als ein dem Fachmann geläufiger NPC-Umrichter (neutral-point-clamped) ausgeführt. Es könnten grundsätzlich auch andere Typen von 3-Level-Umrichtern verwendet werden.
Der 3-Level-Wechselrichter umfasst eine positive und eine negative Stromschiene, die 3 durch Halbbrücken 41a, 41b, 41c verbunden sind. Die Halbbrücken 41a, 41b, 41c umfassen jeweils vier in Serie geschaltete Transistoren T1a bis T4c mit entsprechenden Freilaufdioden Dia bis D4c. Sie weisen weiterhin jeweils zwei Zwischendioden D5a bis D6c auf, die mit einem Zwischenkreismittelpunkt 5 des Antriebsumrichters 3 verbunden sind. Der Zwischenkreismittelpunkt 5 liegt zwischen den beiden Zwischenkreiskapazitäten C1 und C2, die parallel zu den drei Halbbrücken 4a, 4b und 4c angeordnet sind.
Um im Ladebetrieb eine Überspannung des Kondensators C2 bzw. eine Überschreitung der zulässigen Durchspruchspannung der Dioden zu verhindern, ist der Zwischenkreismittelpunkt über einen Ausgleichsleiter 9 mit dem Sternpunkt der Motorwicklung eine schaltbare Verbindung vorgesehen. Es kann ein Schalter S4 vorgesehen sein, welcher den Ausgleichsleiter für den Fahrtbetrieb auftrennt, um unnötige Ausgleichsströme, z.B. aufgrund von Spannungsschwankungen des Sternpunktes, zu vermeiden. Zusätzlich ist ein Widerstand R1, insbesondere ein PTC-Widerstand (positive temperature coefficient) zu Entkopplungszwecken im Ausgleichsleiter angeordnet. Es kann auch eine zusätzliche Induktivität im Ausgleichsleiter vorgesehen sein.
6a-c zeigen beispielhafte Filterstrukturen für die Filter Fa , Fb und Fd.
6a zeigt einen Filter F1 mit einem LC-LC-Glied. 6b zeigt eine Filtereinheit F2 mit parallel geschaltetem R- und C-Glied. 6c zeigt eine Filtereinheit F3, insbesondere eine bevorzugte Ausprägung der Filtereinheit Fa. Diese weist zwei mal zwei Ringkerne (mit L bezeichnet) auf. Um ein Biegen/Umwickeln der Ringkerne mit den Leitern/Stromschienen zu vermeiden, sind die Stromschienenpaare einfach durch die Ringkerne durchgeführt. Jeweils zusammen mit den geerdeten Kondensatoren bzw. dem nicht geerdeten Kondensator bilden die Drosseln eine mehrstufige Schaltung mit common mode und differential mode-Eigenschaften aus, die eine einfache und kostengünstige Filtereinheit darstellt. Bestandteil ist weiterhin eine passive Entladeschaltung, hier bestehend aus vier Widerständen R.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kühlsystems, welches zur Kühlung einer erfindungsgemäßen Ladeevorrichtung Einsatz findet. Dargestellt ist ein Längsschnitt durch einen Elektromotor 50 mit einem angeschlossenen Ölkreislauf 40 (insbesondere zur Kühlung/Schmierung des Elektromotors und eines Getriebes 20) und einem angeschlossenen Wasserkreislauf 42 (insbesondere zur Kühlung des Elektromotors 50 und eines Antriebsumrichters 26). Der Elektromotor 50 kann als Teil eines Antriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung (z.B. gemäß 1) verwendet werden. Der Motor 50 weist einen Rotor 30 auf, dessen Welle mittels Lagereinrichtungen 32 drehbar gelagert ist. Diese Lagereinrichtungen 32 werden durch den Ölkreislauf 40 geschmiert. Der Rotor ist als Hohlwelle ausgeführt und ist zur Kühlung an den Ölkreislauf 40 angeschlossen. Neben dem Rotor 30 und den Lagereinrichtungen 32 sind die Wicklungen 36 zur Magnetfelderzeugung vorhanden und in einem Motorgehäuse 34 untergebracht. Zur Kühlung des Motors 50 ist auf dem Motorgehäuse 34 ein Statormantel 28 angeordnet, der durch den Wasserkreislauf 42 mit Wasser versorgt wird und dadurch den Motor 50 kühlt. Der Ölkreislauf 40 weist eine Pumpe 48 und einen mit dem Wasserkreislauf 42 verbundenen Wärmetauscher 38 auf, der bei Bedarf deaktiviert werden kannDer Ölkreislauf ist z.B. ein innerhalb einer Antriebseinheit befindlicher Ölkreislauf. Der Wasserkreislauf 42 weist eine eigene Pumpe 24 und zusätzlich einen Radiator/Wärmetauscher 44 auf, um die Wassertemperatur zu reduzieren. Der Wasserkreislauf 42 dient zum Kühlen des Antriebsumrichters 26 (auch als Antriebsumrichter 3 aus 1 beschrieben) und des Statormantels 28. Bei dem Wasserkreislauf kann es sich um ein fahrzeugseitiges Kühlsystem handeln, welches nicht vollständig in der Antriebseinheit/Antriebssystem befindlich ist.
Im Ladebetrieb wird über die Durchströmung der Rotorhohlwelle mit Öl oder anderen Fluiden die im Rotor entstehende Wärme abgeführt, so dass die Ladeleistung erhöht werden kann. Weiterhin wird der Motorinnenraum geflutet, so dass Öl in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator eindringt und das Rotorblechpaket zusätzlich von außen gekühlt wird. Gleichzeitig bewirkt die Flutung auch eine effektive Kühlung der Statorwicklung. Das Öl zirkuliert während des Ladevorgangs.
Der Wasserfluss zum Statormantel 28 kann während des Ladebetriebs unterbunden werden, um eine Wärmeabfuhr aus dem Ölkreislauf zu unterbinden bzw. zu verringen, um so das Öl schneller zu erwärmen.
Auch ein Wasserfluss zum Wärmetauscher 38, der in diesem Beispiel in Serie zum Wasserfluss durch den Statormantel 28 geschaltet ist, kann aus analogen Gründen unterbunden werden. So kanndas Fahrzeug bzw. dessen Antriebssystem durch eine vorteilhafte Öltemperatur für den Fahrbetrieb vorbereitet werden.
Bezugszeichenliste

: Elektrisches Antriebssystem
2: Elektromotor / elektrischer Antriebsmotor
3: Antriebsumrichter
4a,b,c: Halbbrücken
5: Zwischenkreismittelpunkt
6: Ladedose/Ladeanschluss
7: Fahrzeugbatterie/Traktionsbatterie
8: Ladequelle bzw. Ladesäule 400V DC
9: Ausgleichsleiter
10: Schalteinheit
11: Hochsetzsteller
12: Ladequelle bzw. Ladesäule 800V DC
13: Gehäuse der elektrischen Antriebseinheit
13': Gehäuse der elektrischen Antriebseinheit
13": Gehäuse der elektrischen Antriebseinheit
20: Getriebe
22: Fahrzeugrad
24: Wasserpumpe
26: Antriebsumrichter
28: Statormantel
30: Rotor
32: Lagereinrichtung für Rotor
34: Motorgehäuse
36: Wicklungen bzw. Wickelkopf des Motors
38: Wärmetauscher zwischen Ölkreislauf und Wasserkreislauf
40: Ölkreislauf
41a,b,c: Halbbrücken
42: Wasserkreislauf
44: Radiator/Wärmetauscher für Wasserkreislauf
46: Abschaltbarer Zufluss zum Statormantel
48: Ölpumpe
50: Elektromotor
71,72: Ladeanschluss der Batterie
73,74: Lade- und Speiseanschluss der Batterie
75,76: Lade/Speiseanschluss der Batterie
101, 102: Ladeanschluss der elektrischen Antriebseinheit
131,132: Speiseanschluss der elektrischen Antriebseinheit
133,134: Ladeanschluss der elektrischen Antriebseinheit
301, 302: Lade/Speiseanschluss der elektrischen Antriebseinheit
L1,L2,L3: Induktivitäten/Motorwicklungen
C1: Erster Kondensator
C2: Zweiter Kondensator
T_ij: Transistor
D_ij: Diode
R1: Entkopplungswiderstand
S1-3: Schalter der Schalteinheit 10
S4: Ladeschalter
V: (externer) Verschaltungsaufwand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016209905 A1 [0004]
DE 102009052680 A1 [0005]

Claims

Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie (7) eines mit einem elektrischen Antriebsmotor (2) ausgebildetem Kraftfahrzeugs, mit - einer Induktivität, - einem Antriebsumrichter (3), der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie (7) für den elektrischen Antriebsmotor (2) wandelt, wobei die Induktivität zusammen mit dem Antriebsumrichter (3) für einen Ladebetrieb der Batterie (7) als Hochsetzsteller dient, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schalteinheit (10) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, eine Ladungsquelle (8; 12) direkt oder über den Hochsetzsteller mit der Batterie (7) zu verschalten.
Ladevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (10) ausgebildet ist, eine Ladungsquelle (8; 12) und deren Spannung zu detektieren und zu messen und abhängig davon mit der Batterie (7) direkt oder über den Hochsetzsteller zu verschalten.
Ladevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsumrichter (3) als 2-Level-Wechselrichter oder als 3-Level-Wechselrichter ausgebildet ist, wobei der 3-Level-Wechselrichter insbesondere in Form eines NPC- oder TNPC-Wechselrichters ausgeführt ist.
Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsumrichter (3) für drei Spannungsphasen jeweils eine Halbbrücke (4a; 4b; 4c) aufweist, die jeweils mit einer der drei Spulenwicklungen (L1; L2; L3) des elektrischen Antriebsmotors (2) verbunden ist.
Ladevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Laden der Batterie ein bis drei Halbbrücken (4a; 4b; 4c) für den Hochsetzsteller steuer- und verwendbar sind.
Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (L1) durch mindestens eine Spulen-/Wellenwicklung des elektrischen Antriebsmotors (2) gebildet ist.
Ladevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antriebsmotor (2) derart ausgebildet ist, dass während des Ladevorgangs an die mindestens eine Spulen-/Wellenwicklung zur Kühlung Öl gepumpt werden kann.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (2) einen Rotor aufweist, der während des Ladevorgangs gekühlt wird.
Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsetzsteller mindestens ein Kühlsystem mit zwei voneinander unabhängigen Kreisläufen aufweist.
Ladevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölkreislauf ausgebildet ist, die Abwärme der Induktivität an einen Ölkreislauf des Antriebsmotors und/oder eines Getriebes abzugeben, wobei der Ölkreislauf des Antriebsmotors und/oder Getriebes zum Schmieren von beweglichen bzw. rotierenden Bauteilen des Antriebsmotors und/oder Getriebes dient.
Ladevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölkreislauf des Kühlsystems mindestens einen Teil des Ölkreislaufs des Antriebsmotors und/oder Getriebes bildet oder umgekehrt.
Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenkreismittelpunkt (5) des Antriebsumrichters über einen Widerstand (R1) mit einer Eingangsspannung der Ladungsquelle (8) und/oder der Induktivität (L1) mittels eines Ausgleichsleiters (9) verschalten und/oder verschaltbar ist.
Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenkreiskapazität des Inverters für den Ladebetrieb veränderlich ausgestaltet ist.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (10) und der Antriebsumrichter (3) in einem gemeinsamen Gehäuse (13) angeordnet sind.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (10), der Antriebsumrichter (3) und der Antriebsmotor (2) in einem gemeinsamen Gehäuse (13) angeordnet sind.
Kraftfahrzeug, umfassend eine Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 14 oder 15, eine Batterie (7), sowie eine Ladedose (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (7) genau einen Stromanschluss (75, 76) zur Verbindung mit einem Stromanschluss (301, 302) für den Antriebsumrichter (3) aufweist, dass genau ein Anschluss (101, 102) zur elektrischen Verbindung der Ladedose (6) mit der Schalteinheit (10) vorgesehen ist, wobei die Anschlüsse (301, 302) für den Antriebsumrichter (3) und die Anschlüsse (101, 102) zur elektrischen Verbindung mit der Ladedose (6) an dem Gehäuse (13', 13") angeordnet sind.
Elektrisches Antriebssystem (1) mit einer Ladevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 16.