DE102021212831A1 - energy converter - Google Patents

Abstract

Ein Energiewandler (110) für ein Kraftfahrzeug (105) mit einem elektrischen Energiespeicher (115), einer elektrischen Maschine (120) und einem Ladeanschluss (125) zur Verbindung mit einer externen elektrischen Energiequelle, wobei der Energiewandler (110) folgendes umfasst: einen ersten Anschluss (130) zur Verbindung mit dem Energiespeicher (115); einen zweiten Anschluss (135) zur Verbindung mit der elektrischen Maschine (120); und einen dritten Anschluss (140) zur Verbindung mit dem Ladeanschluss (125). Dabei ist der Energiewandler (110) dazu eingerichtet, in einem Ladebetrieb den Energiespeicher (115) mittels Energie aus der externen Energiequelle aufzuladen, und in einem Fahrbetrieb die elektrische Maschine (120) mit Energie aus dem Energiespeicher (115) zu betreiben.An energy converter (110) for a motor vehicle (105) with an electrical energy store (115), an electrical machine (120) and a charging connection (125) for connection to an external electrical energy source, the energy converter (110) comprising the following: a first Connection (130) for connection to the energy store (115); a second port (135) for connection to the electrical machine (120); and a third port (140) for connection to the charging port (125). The energy converter (110) is set up to charge the energy store (115) using energy from the external energy source in a charging mode and to operate the electric machine (120) with energy from the energy store (115) in a driving mode.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiewandler. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Energiewandler für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.The present invention relates to an energy converter. In particular, the invention relates to an energy converter for an electrically drivable motor vehicle.

Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug umfasst einen elektrischen Energiespeicher und eine elektrische Maschine, die mittels elektrischer Energie aus dem Energiespeicher betrieben werden kann. Die Maschine wirkt auf ein Antriebsrad, um das Kraftfahrzeug anzutreiben. Der elektrische Energiespeicher kann üblicherweise aus einer externen Energiequelle aufgeladen werden, die mittels eines Ladeanschlusses angeschlossen werden kann, wenn das Kraftfahrzeug abgestellt ist. Der Energiespeicher wird mittels Gleichstrom aufgeladen und stellt zum Antreiben des Kraftfahrzeugs ebenfalls einen Gleichstrom bereit.An electrically drivable motor vehicle includes an electrical energy store and an electrical machine that can be operated using electrical energy from the energy store. The engine acts on a drive wheel to propel the motor vehicle. The electrical energy store can usually be charged from an external energy source that can be connected by means of a charging connection when the motor vehicle is parked. The energy store is charged using direct current and also provides direct current for driving the motor vehicle.

Zur Steuerung des Aufladevorgangs ist ein Energiewandler erforderlich, der den extern bereitgestellten elektrischen Strom so aufbereitet, dass der Energiespeicher ihn verarbeiten kann. Ein dabei auftretender Ladestrom muss außerdem so gesteuert werden, dass der Energiespeicher weder überladen noch einem zu großen oder zu kleinen Ladestrom ausgesetzt wird.An energy converter is required to control the charging process, which processes the externally provided electrical current in such a way that the energy storage device can process it. A charging current that occurs must also be controlled in such a way that the energy store is neither overcharged nor exposed to a charging current that is too large or too small.

Je leistungsfähiger der Energiewandler ist, desto schneller kann der Energiespeicher aufgeladen werden, falls die externe Energiequelle ausreichend Leistung bereitstellt. Abmessungen, ein Gewicht, eine thermische Verlustleistung und Kosten für einen Energiewandler können jedoch mit steigender umsetzbarer elektrischer Leistung ansteigen, was für das Kraftfahrzeug unerwünscht ist. Üblicherweise wird der Energiewandler klein und leicht ausgelegt, sodass eine längere Ladezeit in Kauf genommen werden muss.The more powerful the energy converter, the faster the energy store can be charged if the external energy source provides sufficient power. However, dimensions, weight, thermal power loss and costs for an energy converter can increase with increasing electrical power that can be converted, which is undesirable for the motor vehicle. The energy converter is usually designed to be small and light, so that a longer charging time has to be accepted.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines verbesserten elektrischen Energiewandlers zum Aufladen eines Energiespeichers an Bord eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.One object of the present invention is to specify an improved electrical energy converter for charging an energy store on board a motor vehicle. The invention solves this problem by means of the subject matter of the independent claims. Subclaims reflect preferred embodiments.

Ein Kraftfahrzeug umfasst einen elektrischen Energiespeicher, eine elektrische Maschine und einen Ladeanschluss zur Verbindung mit einer externen elektrischen Energiequelle. Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Energiewandler für ein solches Kraftfahrzeug einen ersten Anschluss zur Verbindung mit dem Energiespeicher; einen zweiten Anschluss zur Verbindung mit der elektrischen Maschine; und einen dritten Anschluss zur Verbindung mit dem Ladeanschluss. Dabei ist der Energiewandler dazu eingerichtet, in einem Ladebetrieb den Energiespeicher mittels Energie aus der externen Energiequelle aufzuladen, und in einem Fahrbetrieb die elektrische Maschine mit Energie aus dem Energiespeicher zu betreiben.A motor vehicle includes an electrical energy store, an electrical machine and a charging connection for connection to an external electrical energy source. According to a first aspect of the present invention, an energy converter for such a motor vehicle comprises a first connection for connection to the energy store; a second port for connection to the electric machine; and a third port for connection to the charging port. In this case, the energy converter is set up to charge the energy store using energy from the external energy source in a charging mode, and to operate the electric machine with energy from the energy store in a driving mode.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine Energiewandlung bereits für einen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs erforderlich ist, um elektrische Energie aus dem Energiespeicher passend an die elektrische Maschine bereitzustellen. Somit wird vorgeschlagen, einen solchen Energiewandler zusätzlich dazu auszulegen, elektrische Energie aus der externen Energiequelle passend zum Aufladen des Energiespeichers bereitzustellen.According to the invention, it was recognized that energy conversion is already required for driving the motor vehicle in order to provide electrical energy from the energy store appropriately to the electrical machine. Thus, it is proposed that such an energy converter be additionally designed to provide electrical energy from the external energy source suitable for charging the energy store.

Anforderungen an den Energiewandler für die verschiedenen Aufgaben können sich in wichtigen Teilen entsprechen, sodass ein bereits vorhandenes Bauteil, ein Funktionsblock oder eine Schaltung einem zusätzlichen Nutzen zugeführt werden kann. Ein üblicher, für einen Fahrbetrieb ausgelegter Energiewandler kann bereits für die Verarbeitung ähnlicher oder größerer Ströme und Spannungen ausgelegt sein, sodass nur kleine Modifikationen erforderlich sind, die Abmessungen oder eine Masse des Energiewandlers nur gering verändern können.Demands on the energy converter for the various tasks can correspond in important parts, so that an already existing component, a function block or a circuit can be given an additional benefit. A conventional energy converter designed for driving can already be designed for processing similar or larger currents and voltages, so that only small modifications are required, which can change the dimensions or a mass of the energy converter only slightly.

Die elektrische Maschine kann keinen Kollektor aufweisen und beispielsweise als bürstenloser Gleichstrommotor (brushless DC, BLDC) oder elektronisch kommutierter Motor (electronically commutated motor, EC motor) aufgebaut sein. Dabei basiert die elektrische Maschine bevorzugt auf einer Drehstrom-Synchronmaschine. Es können mehrere Phasen vorgesehen sein und die Maschine kann permanent erregt sein. In einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM).The electrical machine can have no collector and can be constructed, for example, as a brushless direct current motor (brushless DC, BLDC) or electronically commutated motor (electronically commutated motor, EC motor). The electrical machine is preferably based on a three-phase synchronous machine. There can be multiple phases and the machine can be permanently energized. In one embodiment, the electrical machine includes a permanent magnet synchronous machine (PSM).

Die Maschine erfordert zum Antrieb des Kraftfahrzeugs üblicherweise eine oder mehrere phasenverschobene Wechselspannungen. Der elektrische Energiespeicher ist üblicherweise elektrochemisch aufgebaut, beispielsweise als Akkumulator, als Doppelschicht Kondensator oder als Kombination aus beiden, und stellt eine Gleichspannung bereit.The machine typically requires one or more out-of-phase AC voltages to power the motor vehicle. The electrical energy store is usually built up electrochemically builds, for example as an accumulator, as a double-layer capacitor or as a combination of both, and provides a DC voltage.

Es ist daher bevorzugt, dass der Energiewandler dazu eingerichtet ist, eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln. Damit kann die elektrische Maschine im Fahrbetrieb gesteuert werden. Dabei kann der Energiewandler als Wechselrichter arbeiten und stellt bevorzugt mehrere zueinander phasenverschobene Wechselspannungen bereit, die jeweils möglichst eine Sinusform aufweisen. Die Steuerung ist bevorzugt als Regelung ausgeführt und kann beispielsweise feldorientiert erfolgen. Dabei können eine Drehzahl und ein Drehmoment der Maschine innerhalb vorbestimmter Grenzen unabhängig voneinander gesteuert werden.It is therefore preferred that the energy converter is set up to convert a DC voltage into an AC voltage. The electric machine can thus be controlled while driving. In this case, the energy converter can work as an inverter and preferably provides a plurality of mutually phase-shifted alternating voltages, each of which has a sinusoidal shape if possible. The control is preferably implemented as a regulation and can be field-oriented, for example. A speed and a torque of the machine can be controlled independently of one another within predetermined limits.

Es ist weiter bevorzugt, dass der Energiewandler dazu eingerichtet ist, eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln. Damit kann das Aufladen des Energiespeichers im Ladebetrieb gesteuert werden. Dabei kann der Energiewandler als Gleichrichter arbeiten und stellt bevorzugt einen vorbestimmten Gleichstrom mit einer vorbestimmten Spannung bereit. Eine bereitgestellte Spannung kann auch einen gewissen Anteil einer Wechselspannung enthalten.It is further preferred that the energy converter is set up to convert an AC voltage into a DC voltage. This allows the charging of the energy store to be controlled during charging. The energy converter can work as a rectifier and preferably provides a predetermined direct current with a predetermined voltage. A voltage that is provided can also contain a certain proportion of an alternating voltage.

Es ist besonders bevorzugt, dass der Energiewandler einen bidirektionalen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler (bidirectional AC/DC converter) umfasst. Eine Wandlung von Gleichstrom in Wechselstrom erfolgt bevorzugt mittels eines Halbleiters und auch eine Wandlung in umgekehrter Richtung kann ebenfalls mittels eines Halbleiters erfolgen, bevorzugt mittels desselben Halbleiters. In einer Ausführungsform kann der Halbleiter, beispielsweise ein IGBT- oder FET-Transistor, in beiden Betriebsarten an der Umsetzung von elektrischer Energie beteiligt sein.It is particularly preferred that the energy converter comprises a bidirectional DC-AC converter (bidirectional AC/DC converter). A conversion from direct current to alternating current is preferably carried out using a semiconductor, and a conversion in the opposite direction can also be carried out using a semiconductor, preferably using the same semiconductor. In one embodiment, the semiconductor, for example an IGBT or FET transistor, can be involved in the conversion of electrical energy in both operating modes.

In einem üblichen, für einen Fahrbetrieb ausgelegten Energiewandler kann ungefähr die Hälfte der Materialkosten auf Leistungs-Halbleiter entfallen, insbesondere Transistoren und/oder Dioden. Durch mehrfache Nutzung von Leistungs-Halbleitern kann eine signifikante Kosteneinsparung realisiert werden. Ein Aufwand zur Kühlung oder Steuerung des Leistungs-Halbleiters, etwa ein Kühlkörper oder eine Fluidkühlung, kann für beide Betriebsarten gleichermaßen genutzt werden. Der vorgeschlagene doppelt verwendbare Energiewandler kann daher kleiner, leichter und/oder kostengünstiger als eine Kombination aus einem üblichen Ladegerät und einem üblichen, nur für den Fahrbetrieb verwendbaren Energiewandler sein.In a conventional energy converter designed for driving, approximately half of the material costs can be accounted for by power semiconductors, in particular transistors and/or diodes. Significant cost savings can be achieved through the multiple use of power semiconductors. An expense for cooling or controlling the power semiconductor, such as a heat sink or fluid cooling, can be used equally for both operating modes. The proposed dual-use energy converter can therefore be smaller, lighter and/or cheaper than a combination of a conventional charging device and a conventional energy converter that can only be used for driving.

Der Energiewandler kann auch dazu eingerichtet sein, eine erste Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung umzuwandeln, wobei die Gleichspannungen unterschiedlich sind. Dies kann im Ladebetrieb hilfreich sein, wenn die externe Energiequelle eine Gleichspannung bereitstellt. Manche Ladestationen unterstützen unterschiedliche Leistungen in Gleichstrom und Wechselstrom, wobei eine Stromart, eine Frequenz, eine Spannung oder eine elektrische Leistung der bereitgestellten elektrischen Energie zwischen dem Kraftfahrzeug und der Ladestation ausgehandelt werden kann.The energy converter can also be set up to convert a first direct voltage into a second direct voltage, the direct voltages being different. This can be helpful when charging when the external energy source provides a DC voltage. Some charging stations support different outputs in direct current and alternating current, with a current type, a frequency, a voltage or an electrical output of the electrical energy provided being able to be negotiated between the motor vehicle and the charging station.

Der Energiewandler kann einen Abwärtswandler (step down converter, buck converter) oder einen Aufwärtswandler (step up converter, boost converter) umfassen, die auch in beliebiger Reihenfolge in Serie geschaltet werden können. So kann eine extern bereitgestellte Gleichspannung zunächst auf eine vorbestimmte Zwischenspannung angehoben (bzw. abgesenkt) und anschließend auf eine für den Energiespeicher erforderliche Spannung abgesenkt (bzw. angehoben) werden. Der Energiewandler kann in einem weiten Bereich bereitgestellter oder angeforderter Spannungen arbeiten und dabei eine flexible und bedarfsgerechte Wandlung durchführen.The energy converter may include a step down converter (buck converter) or a step up converter (boost converter), which may also be connected in series in any order. Thus, an externally provided DC voltage can first be raised (or lowered) to a predetermined intermediate voltage and then lowered (or raised) to a voltage required for the energy store. The energy converter can work in a wide range of provided or requested voltages and perform a flexible and needs-based conversion.

Der Energiewandler kann eine erste Unterbrechungseinrichtung zwischen dem Energiewandler und dem dritten Anschluss sowie eine zweite Unterbrechungseinrichtung zwischen dem Energiewandler und dem zweiten Anschluss umfassen. Dabei kann dafür gesorgt sein, dass stets wenigstens eine der Unterbrechungseinrichtungen aktiv ist, sodass ein direkter Fluss von Energie zwischen dem Ladeanschluss und der elektrischen Maschine verhindert ist. Die erste Unterbrechungseinrichtung kann im Fahrbetrieb die Verbindung zum Ladeanschluss auftrennen und die zweite Unterbrechungseinrichtung kann im Ladebetrieb die Verbindung zur elektrischen Maschine auftrennen. So kann sichergestellt sein, dass ein Energiefluss jeweils nur zwischen zwei beabsichtigten Komponenten und erfolgen kann. Der Energiewandler kann zusätzlich dazu angesteuert werden, die Richtung eines Energieflusses zu kontrollieren. Ist das Kraftfahrzeug abgestellt, so können beide Unterbrechungseinrichtungen aktiviert sein, sodass der elektrische Energiespeicher energetisch isoliert sein kann.The energy converter can comprise a first interruption device between the energy converter and the third connection and a second interruption device between the energy converter and the second connection. In this case, it can be ensured that at least one of the interrupting devices is always active, so that a direct flow of energy between the charging connection and the electrical machine is prevented. The first interrupting device can interrupt the connection to the charging connection during driving operation and the second interrupting device can interrupt the connection to the electric machine during charging operation. In this way it can be ensured that an energy flow can only take place between two intended components. The energy converter can additionally be controlled to control the direction of an energy flow. If the motor vehicle is parked, both interrupting devices can be activated, so that the electrical energy store can be energetically insulated.

Eine Unterbrechungseinrichtung kann in elektromechanisch aufgebaut sein, beispielsweise als elektromechanisches Relais oder Schütz. Alternativ kann die Unterbrechungseinrichtung ein elektronisches Stromventil umfassen, etwa in Form eines Solid State Relais. Zur Steuerung kann ein Leistungs-Halbleiter wie ein Transistor, ein Thyristor oder ein Triac eingesetzt werden.An interrupting device can be constructed electromechanically, for example as an electromechanical relay or contactor. Alternatively, the interrupting device can include an electronic flow control valve, for example in the form of a solid state relay. A power semiconductor such as a transistor, a thyristor or a triac can be used for control.

Der Energiewandler kann ferner eine Steuervorrichtung zur Steuerung des Ladebetriebs und des Fahrbetriebs umfassen. Die Steuervorrichtung kann dazu eingerichtet sein, den Ladebetrieb und/oder den Fahrbetrieb in Abhängigkeit einer externen Anforderung zu steuern. Der Ladebetrieb kann insbesondere in Abhängigkeit einer am Ladeanschluss bereitstellbaren Stromart und Leistung und/oder in Abhängigkeit einer Bauart oder eines Ladezustands des elektrischen Energiespeichers gesteuert werden. Der Fahrbetrieb kann in Abhängigkeit einer Anforderung für ein durch die elektrische Maschine bereitzustellendes Drehmoment und/oder einzunehmenden Drehzahl gesteuert werden.The energy converter can also include a control device for controlling the charging operation and the driving operation. The control device can be set up to control the charging operation and/or the driving operation as a function of an external requirement. The charging operation can be controlled in particular as a function of a type of current and power that can be provided at the charging connection and/or as a function of a design or a state of charge of the electrical energy store. The driving operation can be controlled depending on a request for a torque to be provided by the electric machine and/or a speed to be assumed.

Der Energiewandler kann auch dazu eingerichtet sein, den Energiespeicher mittels Energie aus der elektrischen Maschine aufzuladen. Eine solche Betriebsart wird auch Rekuperation genannt und kann dazu genutzt werden, kinetische Energie des Kraftfahrzeugs über ein Antriebsrad und die elektrische Maschine in elektrische Energie umzuwandeln und im Energiespeicher zu speichern. Auch diese Betriebsart kann durch die Steuervorrichtung gesteuert werden.The energy converter can also be set up to charge the energy store using energy from the electrical machine. Such an operating mode is also called recuperation and can be used to convert kinetic energy of the motor vehicle into electrical energy via a drive wheel and the electric machine and to store it in the energy store. This operating mode can also be controlled by the control device.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kraftfahrzeug, einen hierin beschriebenen Energiewandler. Das Kraftfahrzeug umfasst bevorzugt einen Personenkraftwagen, ein Kraftrad, einen Lastkraftwagen oder einen Bus. Das Kraftfahrzeug ist elektrisch antreibbar und kann ein weiteres Antriebssystem umfassen, das auf andere Art arbeitet, beispielsweise mit einer Brennkraftmaschine.According to a further aspect of the present invention, a motor vehicle comprises an energy converter described herein. The motor vehicle preferably includes a passenger car, a motorcycle, a truck or a bus. The motor vehicle can be driven electrically and can comprise a further drive system which works in a different way, for example with an internal combustion engine.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügte Figur genauer beschrieben, in der:

• 1 ein System

darstellt.The invention will now be described in more detail with reference to the attached figure, in which:

• 1 a system

represents.

1 zeigt ein System 100, das ein Kraftfahrzeug 105 mit einem Energiewandler 110 umfasst. Das Kraftfahrzeug 105 umfasst einen elektrischen Energiespeicher 115 aus dem eine elektrischen Maschine 120 gespeist werden kann, um das Kraftfahrzeug 105 anzutreiben. Der Energiespeicher 115 kann aus einer externen Energiequelle aufgeladen werden, die mit einem Ladeanschluss 125 verbunden werden kann. Die externe Energiequelle wird üblicherweise durch ein Energieverteilungsnetz beziehungsweise einen mit diesem verbundenen Generator gebildet. Zur Verbindung mit dem Energieverteilungsnetz kann eine Ladestation vorgesehen sein, an der das Kraftfahrzeug 105 halten kann. 1 shows a system 100 that includes a motor vehicle 105 with an energy converter 110 . Motor vehicle 105 includes an electrical energy store 115 from which an electrical machine 120 can be fed in order to drive motor vehicle 105 . The energy store 115 can be charged from an external energy source that can be connected to a charging port 125 . The external energy source is usually formed by an energy distribution network or a generator connected to it. A charging station, at which motor vehicle 105 can stop, can be provided for connection to the energy distribution network.

Der Energiewandler 110 ist dazu eingerichtet, einen Fluss von Energie zwischen dem Energiespeicher 115, der elektrischen Maschine 120 und dem Ladeanschluss 125 zu steuern. Dazu ist der Energiewandler 110 mittels eines ersten Anschlusses 130 mit dem Energiespeicher 115, mittels eines zweiten Anschlusses 135 mit der elektrischen Maschine 120 und mittels eines dritten Anschlusses 140 mit dem Ladeanschluss 125 verbunden. Jeder Anschluss 130, 135, 140 kann mehrere Spannungen oder Ströme transportieren.The energy converter 110 is set up to control a flow of energy between the energy store 115 , the electric machine 120 and the charging connection 125 . For this purpose, the energy converter 110 is connected to the energy store 115 by means of a first connection 130 , to the electric machine 120 by means of a second connection 135 and to the charging connection 125 by means of a third connection 140 . Each port 130, 135, 140 can carry multiple voltages or currents.

Der Energiewandler 110 umfasst einen Wandler 145 sowie bevorzugt eine Steuervorrichtung 145. Der Wandler 145 ist dazu eingerichtet, elektrische Energie zu wandeln. Dabei kann eine Wandlung von einer hohen in eine niedrige Spannung oder umgekehrt erfolgen; außerdem kann eine Wandlung von einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder umgekehrt erfolgen. Eine Wandlung betrifft stets elektrische Energie, die in den Energiespeicher 115 gleitet oder aus ihm entnommen wird.The energy converter 110 includes a converter 145 and preferably a control device 145. The converter 145 is set up to convert electrical energy. In this case, a conversion can take place from a high to a low voltage or vice versa; in addition, a conversion from a DC voltage into an AC voltage or vice versa can take place. A conversion always relates to electrical energy that slides into the energy store 115 or is removed from it.

Die Steuervorrichtung 150 ist dazu eingerichtet, den Wandler 145 dazu anzusteuern, einen vorbestimmten Fluss von elektrischer Energie zwischen einer Quelle und einer Senke zu ermöglichen und dabei optional eine Umwandlung der elektrischen Energie durchzuführen. Dazu können unterschiedliche Betriebsarten vorgesehen sein, die zu vorbestimmten Energieflüssen korrespondieren. In einem Ladebetrieb kann Energie vom Ladeanschluss 125 in den Energiespeicher 115 geleitet werden. In einem Fahrbetrieb kann Energie aus dem Energiespeicher 115 an die elektrische Maschine 120 bereitgestellt werden. In einem Rekuperationsbetrieb kann Energie von der elektrischen Maschine an den Energiespeicher 115 geleitet werden. In einem Ruhebetrieb oder Ruhezustand kann ein Fluss von Energie aus dem Energiespeicher 115 verhindert sein. Optional kann im Ruhebetrieb der Fluss einer geringen Energiemenge zugelassen werden, um zum Beispiel ein Hilfsaggregat an Bord des Fahrzeugs, etwa ein Steuergerät oder einen Sensor, betreiben zu können; ein Fluss einer größeren Energiemenge, wie sie beispielsweise zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 105 erforderlich ist, kann hingegen verhindert sein.The control device 150 is set up to control the converter 145 in order to enable a predetermined flow of electrical energy between a source and a sink and, in the process, optionally to convert the electrical energy. To this end, different operating modes can be provided which correspond to predetermined energy flows. In a charging mode, energy can be conducted from the charging connection 125 into the energy store 115 . During driving operation, energy can be provided from energy store 115 to electric machine 120 . In a recuperation mode, energy can be conducted from the electrical machine to the energy store 115 . A flow of energy from the energy store 115 can be prevented in an idle mode or idle state. Optionally, the flow of a small amount of energy can be permitted in idle mode, for example to be able to operate an auxiliary unit on board the vehicle, such as a control unit or a sensor to call on the other hand, a flow of a larger amount of energy, such as is required for driving motor vehicle 105, can be prevented.

Der erste Anschluss 130 kann direkt mit einem ersten Anschluss des Wandlers 145 verbunden sein. Ein zweiter Anschluss des Wandlers 145 kann mit dem zweiten Anschluss 135 und ein dritter Anschluss des Wandlers 145 mit dem dritten Anschluss 140 des Energiewandlers verbunden sein. In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Wandler 145 keinen dritten Anschluss, sondern ist mittels einer ersten Unterbrechungseinrichtung 155 mit dem zweiten Anschluss 135 und mittels einer zweiten Unterbrechungseinrichtung 160 mit dem dritten Anschluss 140 verbunden. Die Unterbrechungseinrichtungen 155, 160 können so ausgebildet und miteinander funktional verbunden sein, dass zu keinem Zeitpunkt beide geschlossen sind. Außerdem können die Unterbrechungseinrichtungen 155, 160 durch die Steuervorrichtung 150 gesteuert werden. Bevorzugt können folgende Zustände gesteuert werden: Betriebsart erste Unterbrechungseinrichtung 155 zweite Unterbrechungseinrichtung 160 Ladebetrieb offen / aktiv geschlossen / inaktiv Fahrbetrieb geschlossen / inaktiv offen / aktiv Rekuperationsbetrieb geschlossen / inaktiv offen / aktiv Ruhezustand offen / aktiv offen / aktiv The first port 130 may be directly connected to a first port of the converter 145 . A second connection of the converter 145 can be connected to the second connection 135 and a third connection of the converter 145 can be connected to the third connection 140 of the energy converter. In the illustrated embodiment, the converter 145 does not include a third port, but is connected to the second port 135 by means of a first interrupting device 155 and to the third port 140 by means of a second interrupting device 160 . The interrupting devices 155, 160 can be designed and functionally connected to one another in such a way that both are never closed. In addition, the interrupting devices 155, 160 can be controlled by the control device 150. The following states can preferably be controlled: operating mode first interrupting device 155 second interrupting device 160 charging operation open / active closed / inactive driving operation closed / inactive open / active recuperation mode closed / inactive open / active hibernation open / active open / active

Ist eine Unterbrechungseinrichtung 155, 160 aktiv, so ist ein durch sie gebildeter Schalter geöffnet und ein Fluss von Energie durch die Einrichtung 155, 160 verhindert. An einer deaktivierten Unterbrechungseinrichtung 155, 160 ist ein durch sie gebildeter Schalter geschlossen und ein Fluss von Energie durch die Einrichtung 155, 160 ermöglicht.If an interrupting device 155, 160 is active, a switch formed by it is opened and a flow of energy through the device 155, 160 is prevented. A switch formed by the interrupting device 155, 160 is closed and a flow of energy through the device 155, 160 is enabled.

Die Steuervorrichtung 145 kann mittels einer ersten Steuerleitung 165 mit dem Energiespeicher 115 verbunden sein, um eine durch den Energiespeicher 115 verarbeitbare elektrische Energie zu bestimmen. Insbesondere kann ein Ladezustand des Energiespeichers 115 bestimmt werden, um ein Überladen im Ladebetrieb oder ein Tiefentladen im Fahrbetrieb zu verhindern.The control device 145 can be connected to the energy store 115 by means of a first control line 165 in order to determine an electrical energy that can be processed by the energy store 115 . In particular, a state of charge of energy store 115 can be determined in order to prevent overcharging during charging or deep discharging during driving.

Die Steuervorrichtung 145 kann ferner mittels einer zweiten Steuerleitung 170 mit der elektrischen Maschine 120 verbunden sein, um einen Betriebszustand der Maschine 120 zu bestimmen. Dieser kann beispielsweise eine Drehzahl oder einen Drehwinkel umfassen. Außerdem kann ein Strom durch eine Phase der Maschine 120 bestimmt werden. In einer Ausführungsform wird die Maschine 120 in Abhängigkeit ihre Betriebszustands und einer Anforderung gesteuert, eine vorbestimmte Drehzahl einzunehmen oder ein vorbestimmtes Drehmoment bereitzustellen. Dazu kann der Wandler 145 dazu angesteuert werden, phasenverschobene Wechselspannungen mit vorbestimmten Spannungen oder Strömen bereitzustellen. Die Maschine 120 umfasst üblicherweise mehrere Phasen, denen jeweils ein Phasenstrom und eine Phasenspannung zugeordnet ist.The control device 145 can also be connected to the electric machine 120 by means of a second control line 170 in order to determine an operating state of the machine 120 . This can include a speed or an angle of rotation, for example. In addition, a current through a phase of the machine 120 can be determined. In one embodiment, the engine 120 is controlled depending on its operating condition and a request to assume a predetermined speed or to provide a predetermined torque. For this purpose, the converter 145 can be controlled to provide phase-shifted AC voltages with predetermined voltages or currents. The machine 120 typically includes a plurality of phases, each of which is associated with a phase current and a phase voltage.

Mittels einer dritten Steuerleitung 175 kann die Steuervorrichtung 145 außerdem mit dem Ladeanschluss 125 verbunden sein, um mit einem externen Gerät zur Steuerung bereitgestellter Energie beispielsweise eine Stromart, eine Frequenz, eine Spannung oder eine Leistung auszuhandeln, die dann über den Ladeanschluss 125 verfügbar gemacht werden. Der Wandler 145 kann zum Aufladen des Energiespeichers eine bestimmte Stromart erfordern, insbesondere Gleichstrom oder Wechselstrom. Eine im Ladebetrieb durch den Wandler 145 umsetzbare elektrische Leistung kann beschränkt sein. Außerdem kann eine zu verarbeitende Spannung auf eine vorbestimmte Maximalspannung beschränkt sein. Die Steuervorrichtung 150 kann sicherstellen, dass geltende Maximal- oder Minimalparameter eingehalten werden.The control device 145 can also be connected to the charging connection 125 by means of a third control line 175 in order to negotiate, for example, a type of current, a frequency, a voltage or a power with an external device for controlling the energy provided, which is then made available via the charging connection 125 . The converter 145 can require a specific type of current to charge the energy store, in particular direct current or alternating current. An electric power that can be converted by the converter 145 in the charging mode can be limited. In addition, a voltage to be processed may be limited to a predetermined maximum voltage. The control device 150 can ensure that applicable maximum or minimum parameters are complied with.

Der Wandler 145 ist bevorzugt als bidirektionaler Wandler ausgelegt, wie durch den Doppelpfeil in 1 angedeutet ist, sodass elektrische Energie aus dem Energiespeicher 115 entnommen oder in ihn eingelagert werden kann. Im Ladebetrieb kann am Ladeanschluss 125 eine Gleichspannung verfügbar sein, die für den Energiespeicher 115 auf eine höhere oder niedrigere Gleichspannung gewandelt werden kann. Sind eine oder mehrere Wechselspannungen verfügbar, so können diese jeweils in eine Gleichspannung gewandelt werden. Anschließend kann die Gleichspannung herauf- oder herabgesetzt werden.The converter 145 is preferably designed as a bidirectional converter, as indicated by the double arrow in 1 is indicated, so that electrical energy can be removed from the energy store 115 or stored in it. In the charging mode, a DC voltage can be available at the charging connection 125 that can be converted to a higher or lower DC voltage for the energy store 115 . If one or more AC voltages are available, they can each be converted into a DC voltage. The DC voltage can then be stepped up or down.

Im Fahrbetrieb kann eine durch den Energiespeicher 115 bereitgestellte Gleichspannung in eine oder mehrere Wechselspannungen für die elektrische Maschine 120 gewandelt werden. Für die Wandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung kann eine Brückenschaltung verwendet werden. Im Fall von drei Wechselspannungen für drei Phasen der elektrischen Maschine drei Brückenschaltungen oder eine kombinierte sechsfach Brückenschaltung (B6-Brücke).During driving operation, a DC voltage provided by energy store 115 can be converted into one or more AC voltages for electric machine 120 . A bridge circuit can be used to convert a DC voltage into an AC voltage. In the case of three AC voltages for three phases of the electrical machine three bridge circuits or a combined sixfold bridge circuit (B6 bridge).

Eine Brückenschaltung umfasst ein erstes Stromventil, das zwischen einem hohen Potential eines Zwischenkreises und einer Phase der Maschine 120 liegt, und ein zweites Stromventil, das zwischen der Phase und einem niedrigen Potential des Zwischenkreises liegt. Die Stromventile können mit hoher Frequenz alternierend geschlossen werden, wobei ein Verhältnis der Schaltdauern zu einer an der Phase eingestellten Spannung korrespondiert. Der Zwischenkreis trägt eine Gleichspannung und ist bevorzugt mit dem Energiespeicher 115 verbunden.A bridge circuit includes a first current valve, which is between a high potential of an intermediate circuit and a phase of the machine 120, and a second current valve, which is between the phase and a low potential of the intermediate circuit. The current valves can be closed alternately at high frequency, with a ratio of the switching durations corresponding to a voltage set on the phase. The intermediate circuit carries a DC voltage and is preferably connected to the energy store 115 .

In einer umgekehrten Vorgehensweise kann im Rekuperationsbetrieb nur das erste Stromventil geschlossen werden, während eine an einer Phase der Maschine 120 anliegende Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, und nur das zweite Stromventil, während die Spannung unter dem Schwellenwert liegt, sodass eine durch die elektrische Maschine 120 bereitgestellte Wechselspannung effektiv in den Zwischenkreis gleichgerichtet wird. Der Schwellenwert kann nominal null betragen und liegt üblicherweise mittig zwischen einer positiven und einer negativen Scheitelspannung der Wechselspannung.In a reverse procedure, only the first current valve can be closed in recuperation mode while a voltage applied to one phase of machine 120 exceeds a predetermined threshold value, and only the second current valve while the voltage is below the threshold value, so that a voltage generated by electric machine 120 provided AC voltage is effectively rectified in the intermediate circuit. The threshold may be nominally zero and is typically midway between a positive and a negative crest voltage of the AC voltage.

Die Funktionalität der Brückenschaltung als Gleichrichter kann auch genutzt werden, wenn anstelle der elektrischen Maschine 120 der Ladeanschluss 125 mit dem Wandler 145 verbunden ist und eine Wechselspannung bereitstellt. Dazu können die Unterbrechungseinrichtungen 155, 160 entsprechend aktiviert werden (vgl. Tabelle). So kann der Wandler 145 bidirektional betrieben werden, um einerseits im Ladebetrieb eine Wechselspannung am Ladeanschluss 125 in eine Gleichspannung für den Energiespeicher 115 umzuwandeln, und andererseits in einem Fahrbetrieb eine Gleichspannung aus dem Energiespeicher 115 in eine Wechselspannung für die elektrische Maschine 120.The functionality of the bridge circuit as a rectifier can also be used if, instead of the electrical machine 120, the charging connection 125 is connected to the converter 145 and provides an AC voltage. For this purpose, the interrupting devices 155, 160 can be activated accordingly (see table). Converter 145 can be operated bidirectionally, on the one hand to convert an AC voltage at charging connection 125 into a DC voltage for energy storage device 115 during charging operation, and on the other hand to convert a DC voltage from energy storage device 115 into an AC voltage for electrical machine 120 during driving operation.

BezugszeichenlisteReference List

100100

Systemsystem

105105

Kraftfahrzeugmotor vehicle

110110

Energiewandlerenergy converter

115115

Energiespeicherenergy storage

120120

elektrische Maschineelectric machine

125125

Ladeanschlusscharging port

130130

erster Anschluss (zum Energiespeicher)first connection (to the energy storage)

135135

zweiter Anschluss (zur elektrischen Maschine)second connection (to the electrical machine)

140140

dritter Anschluss (zum Ladeanschluss) third port (to charging port)

145145

Wandlerconverter

150150

Steuervorrichtungcontrol device

155155

erste Unterbrechungseinrichtungfirst interrupting device

160160

zweite Unterbrechungseinrichtungsecond interrupting device

165165

erste Steuerleitungfirst control line

170170

zweite Steuerleitungsecond control line

175175

dritte Steuerleitungthird control line

Claims (10)

Energiewandler (110) für ein Kraftfahrzeug (105) mit einem elektrischen Energiespeicher (115), einer elektrischen Maschine (120) und einem Ladeanschluss (125) zur Verbindung mit einer externen elektrischen Energiequelle, wobei der Energiewandler (110) folgendes umfasst: einen ersten Anschluss (130) zur Verbindung mit dem Energiespeicher (115); einen zweiten Anschluss (135) zur Verbindung mit der elektrischen Maschine (120); und einen dritten Anschluss (140) zur Verbindung mit dem Ladeanschluss (125); wobei der Energiewandler (110) dazu eingerichtet ist, in einem Ladebetrieb den Energiespeicher (115) mittels Energie aus der externen Energiequelle aufzuladen, und in einem Fahrbetrieb die elektrische Maschine (120) mit Energie aus dem Energiespeicher (115) zu betreiben.Energy converter (110) for a motor vehicle (105) with an electrical energy store (115), an electrical machine (120) and a charging connection (125) for connection to an external electrical energy source, the energy converter (110) comprising the following: a first connection (130) for connection to the energy store (115); a second port (135) for connection to the electrical machine (120); and a third port (140) for connection to the charging port (125); wherein the energy converter (110) is set up to use the energy store (115) in a charging operation to charge means of energy from the external energy source, and to operate the electric machine (120) with energy from the energy store (115) when driving. Energiewandler (110) nach Anspruch 1, wobei der Energiewandler (110) dazu eingerichtet ist, eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln.Energy converter (110) after claim 1 , wherein the energy converter (110) is set up to convert a DC voltage into an AC voltage. Energiewandler (110) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Energiewandler (110) dazu eingerichtet ist, eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln.Energy converter (110) after claim 1 or 2 , wherein the energy converter (110) is set up to convert an AC voltage into a DC voltage. Energiewandler (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Energiewandler (110) einen bidirektionalen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler (145) umfasst.A power converter (110) according to any one of the preceding claims, wherein the power converter (110) comprises a bi-directional DC-to-AC converter (145). Energiewandler (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Energiewandler (110) dazu eingerichtet ist, eine erste Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung umzuwandeln.Energy converter (110) according to one of the preceding claims, wherein the energy converter (110) is set up to convert a first DC voltage into a second DC voltage. Energiewandler (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine erste Unterbrechungseinrichtung (155) zwischen dem Energiewandler (110) und dem dritten Anschluss (140), sowie eine zweite Unterbrechungseinrichtung (160) zwischen dem Energiewandler (110) und dem zweiten Anschluss (135), wobei stets wenigstens eine der Unterbrechungseinrichtungen (155, 160) aktiv ist.Energy converter (110) according to one of the preceding claims, further comprising a first interruption device (155) between the energy converter (110) and the third connection (140), and a second interruption device (160) between the energy converter (110) and the second connection ( 135), at least one of the interrupting devices (155, 160) being active at all times. Energiewandler (110) nach Anspruch 6, wobei eine Unterbrechungseinrichtung (155, 160) ein elektronisches Stromventil umfasst.Energy converter (110) after claim 6 , wherein an interruption device (155, 160) comprises an electronic flow control valve. Energiewandler (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Steuervorrichtung (150) zur Steuerung des Ladebetrieb und des Fahrbetriebs.Energy converter (110) according to one of the preceding claims, further comprising a control device (150) for controlling the charging operation and the driving operation. Energiewandler (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Energiewandler (110) dazu eingerichtet ist, den Energiespeicher (115) mittels Energie aus der elektrischen Maschine (120) aufzuladen.Energy converter (110) according to one of the preceding claims, wherein the energy converter (110) is set up to charge the energy store (115) by means of energy from the electrical machine (120). Kraftfahrzeug (105), umfassend einen Energiewandler (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche.Motor vehicle (105) comprising an energy converter (110) according to one of the preceding claims.

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