DE102022124416A1

DE102022124416A1 - Verfahren zum Laden eines Zwischenkreiskondensators eines Zwischenkreises einer elektrischen Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022124416A1
Application number: DE102022124416.4A
Authority: DE
Inventors: Bert HAJ ALI; Evgeny KOZLOV; Stefan Rackl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-09-22
Filing date: 2022-09-22
Publication date: 2024-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Zwischenkreiskondensators (5) eines Zwischenkreises (4) einer elektrischen Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, bei welchem in einer ersten Phase elektrische Energie, welche von einer Energiequelle (8) mit einer ersten elektrischen Gleichspannung bereitgestellt wird, einem ersten Spannungswandler (6) zugeführt wird, welcher als ein Aufwärtswandler betrieben wird, der elektrische Energie mit einer gegenüber der ersten elektrischen Gleichspannung größeren, zweiten elektrischen Gleichspannung bereitstellt. Der Zwischenkreiskondensator (5) wird mit der von dem ersten Spannungswandler (6) bereitgestellten, elektrischen Energie versorgt und dadurch auf die zweite Gleichspannung geladen. In einer sich an die erste Phase anschließenden, zweiten Phase wird elektrische Energie, welche von einer zusätzlich zu der Energiequelle (8) vorgesehenen Speichereinheit (2) eines elektrischen Hochvolt-Speichers (1) der elektrischen Antriebseinrichtung mit einer gegenüber der ersten elektrischen Gleichspannung größeren, dritten elektrischen Gleichspannung bereitgestellt wird, dem ersten Spannungswandler (6) zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden, insbesondere zum Vorladen, eines Zwischenkreiskondensators eines Zwischenkreises einer elektrischen Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug.
Der EP 1 909 369 B1 ist ein Verfahren zur Isolationsüberwachung in einer Umrichteranwendung während eines Normalbetriebs der Umrichteranwendung als bekannt zu entnehmen. Des Weiteren offenbart die DE 10 2011 016 532 A1 eine Ladeeinrichtung für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs. Außerdem ist aus der EP 2 670 624 B1 eine Ladevorrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem ein Zwischenkreiskondensator eines Zwischenkreises einer elektrischen Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft geladen, insbesondere vorgeladen, werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Zwischenkreiskondensators eines Zwischenkreises einer elektrischen Antriebseinrichtung für ein einfach auch als Fahrzeug bezeichnetes Kraftfahrzeug. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die elektrische Antriebseinrichtung aufweist, welche den Zwischenkreis mit dem Zwischenkreiskondensator aufweist. Der Zwischenkreiskondensator wird im Folgen auch einfach als Kondensator bezeichnet. Unter dem Laden des Zwischenkreiskondensators ist zu verstehen, dass der Zwischenkreiskondensator mit elektrischer Energie versorgt und dadurch geladen wird. Insbesondere kann Folgendes vorgesehen sein: Das Kraftfahrzeug ist mittels der Antriebseinrichtung, insbesondere rein elektrisch, antreibbar. Hierzu weist die Antriebseinrichtung wenigstens eine elektrische Maschine auf, mittels welcher das Kraftfahrzeug, insbesondere rein, elektrisch antreibbar ist. Des Weiteren umfasst die Antriebseinrichtung beispielsweise einen insbesondere als Batterie ausgebildeten, elektrischen Energiespeicher, in welchem elektrische Energie, insbesondere elektrochemisch, gespeichert werden kann. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine eine Hochvolt-Komponente, deren elektrische Spannung, insbesondere elektrische Betriebs- oder Nennspannung, vorzugsweise größer als 50 Volt, insbesondere größer als 60 Volt ist, und ganz vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt. Ferner ist vorzugsweise der elektrische Energiespeicher eine Hochvolt-Komponente, deren elektrische Spannung, insbesondere elektrische Betriebs- und Nennspannung vorzugsweise größer als 50 Volt, insbesondere größer als 60 Volt ist, und ganz vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt. Der elektrische Energiespeicher kann die in ihm gespeicherte, elektrische Energie, insbesondere mit einer elektrischen Gleichspannung, bereitstellen, insbesondere über elektrische Pole des Energiespeichers. Insbesondere über eine Leistungselektronik ist der Energiespeicher mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden oder verbindbar. Beispielsweise kann die elektrische Maschine über die Leistungselektronik mit der elektrischen Energie, die im elektrischen Energiespeicher gespeichert ist und von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellt wird, versorgt werden, wodurch die elektrische Maschine in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor zum, insbesondere rein, elektrischen Antreiben des Kraftfahrzeugs betreibbar ist. Insbesondere ist es denkbar, dass die Leistungselektronik einen auch als Inverter bezeichneten Wechselrichter aufweist. Die Leistungselektronik, insbesondere der Wechselrichter, ist beispielsweise mit dem Zwischenkreis elektrisch verbunden oder verbindbar und somit über den Zwischenkreis mit der in dem elektrischen Energiespeicher gespeicherten und von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellten, elektrischen Energie versorgbar. Insbesondere kann der elektrische Energiespeicher die in ihm gespeicherte, elektrische Energie mit einer Gleichspannung beziehungsweise mit einem Gleichstrom bereitstellen. Der Wechselrichter (Inverter) kann die Gleichspannung beziehungsweise den Gleichstrom, die beziehungsweise der von dem Energiespeicher versorgt wird und der Leistungselektronik, insbesondere dem Wechselrichter über den Zwischenkreis zugeführt wird, in eine Wechselspannung beziehungsweise in einen, insbesondere dreiphasigen, Wechselstrom umwandeln und die Wechselspannung beziehungsweise den Wechselstrom bereitstellen, derart, dass die elektrische Maschine mit der von dem Wechselrichter bereitgestellten Wechselspannung beziehungsweise mit dem von dem Wechselrichter bereitgestellten Wechselstrom versorgbar ist oder versorgt wird. Somit ist die elektrische Maschine über die Leistungselektronik, insbesondere über den Wechselrichter, elektrisch mit dem Zwischenkreis verbindbar oder verbunden, so dass die elektrische Maschine über den Zwischenkreis mit der in dem elektrischen Energiespeicher gespeicherten, elektrischen Energie versorgbar ist. Hierdurch kann die elektrische Maschine in dem zuvor genannten Motorbetrieb betrieben werden.
Bei dem Laden des Zwischenkreiskondensators handelt es sich insbesondere um ein so genanntes Vorladen, bei welchem der Zwischenkreiskondensator geladen wird, bevor der Zwischenkreiskondensator elektrisch mit der elektrischen Maschine verbunden wird. Somit ist es insbesondere vorgesehen, dass bei dem Verfahren der Zwischenkreiskondensator geladen wird, während der Zwischenkreiskondensator nicht elektrisch mit der elektrischen Maschine verbunden ist, mithin beispielsweise galvanisch von der elektrischen Maschine getrennt ist. Nach dem Laden des Zwischenkreiskondensators wird beispielsweise die elektrische Maschine mit dem Zwischenkreiskondensator elektrisch verbunden. Da vor dem elektrischen Verbinden der elektrischen Maschine mit dem Zwischenkreiskondensator der Zwischenkreiskondensator geladen, das heißt vorgeladen wurde, weist der Zwischenkreiskondensator dann, wenn er mit der elektrischen Maschine verbunden wird, bereits eine vorteilhafte, elektrische Zielspannung auf, so dass aus dem elektrischen Verbinden der elektrischen Maschine mit dem Zwischenkreiskondensator beziehungsweise mit dem Zwischenkreis resultierende unerwünschte Effekte wie beispielsweise Beschädigungen der Antriebseinrichtung vermieden werden können.
Das Verfahren umfasst, insbesondere wenigstens oder genau, zwei Phasen, nämlich eine erste Phase und eine zweite Phase, wobei die Phasen auch als Ladephasen bezeichnet werden. Die zweite Phase schließt sich zeitlich an die erste Phase an. Insbesondere schließt sich die zweite Phase direkt, das heißt unmittelbar an die erste Phase an, so dass zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase vorzugsweise keine andere Phase des Ladens liegt.
Bei der ersten Phase oder in der ersten Phase, das heißt während der ersten Phase wird elektrische Energie, welche von einer Energiequelle mit einer ersten elektrischen Gleichspannung bereitgestellt wird, einem ersten Spannungswandler zugeführt. Beispielsweise ist die Energiequelle zusätzlich zu dem elektrischen Energiespeicher vorgesehen und eine bezüglich des elektrischen Energiespeichers externe Komponente, wobei es vorzugsweise vorgesehen ist, dass der elektrische Energiespeicher zusätzlich zu der Energiequelle vorgesehen und eine bezüglich der Energiequelle externe Komponente ist. Insbesondere ist die Energiequelle eine Energiequelle der Antriebseinrichtung und somit des Kraftfahrzeugs. Ganz insbesondere ist die Energiequelle eine Spannungsquelle, die die elektrische Energie mit der ersten elektrischen Gleichspannung bereitstellt. In der ersten Phase wird der erste Spannungswandler als ein Aufwärtswandler betrieben, welcher auch als Hochsetzsteller oder Aufwärtsregler oder Boost-Converter bezeichnet wird. In der ersten Phase stellt der erste Spannungswandler elektrische Energie mit einer gegenüber der ersten elektrischen Gleichspannung größeren, zweiten elektrischen Gleichspannung bereit. Die in der ersten Phase von der Energiequelle mit der ersten elektrischen Spannung bereitgestellte, elektrische Energie, die dem ersten Spannungswandler zugeführt wird, wird auch als erste elektrische Energie bezeichnet, und die in der ersten Phase von dem ersten Spannungswandler mit der zweiten elektrischen Gleichspannung bereitgestellte, elektrische Energie wird auch als zweite elektrische Energie bezeichnet. Dabei stellt in der ersten Phase der erste Spannungswandler die zweite elektrische Energie in Abhängigkeit von der ersten elektrischen Energie, die in der ersten Phase von der Energiequelle bereitgestellt und dem ersten Spannungswandler zugeführt wird, bereit. Mit anderen Worten nutzt in der ersten Phase der erste Spannungswandler die erste elektrische Energie, um die zweite elektrische Energie bereitzustellen.
In der ersten Phase wird der Zwischenkreiskondensator mit der von dem ersten Spannungswandler bereitgestellten, ersten elektrischen Energie versorgt und dadurch auf die zweite Gleichspannung geladen. Es ist erkennbar, dass in der ersten Phase die von der Energiequelle bereitgestellte, erste elektrische Energie genutzt wird, um in der ersten Phase den Zwischenkreiskondensator zu laden. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass in der ersten Phase eine Nutzung von in dem elektrischen Energiespeicher gespeicherter elektrischer Energie zum Laden des Zwischenkreiskondensators unterbleibt.
In der sich an die erste Phase, insbesondere direkt, anschließenden zweiten Phase, mithin bei der zweiten Phase oder während der zweiten Phase wird auch als dritte elektrische Energie bezeichnete, elektrische Energie, welche von einer zusätzlich zu der Energiequelle vorgesehenen Speichereinheit eines elektrischen Hochvolt-Speichers der elektrischen Antriebseinrichtung mit einer gegenüber der ersten elektrischen Gleichspannung größeren, dritten elektrischen Gleichspannung bereitgestellt wird, dem ersten Spannungswandler zugeführt. Der elektrische Hochvolt-Speicher und somit die Speichereinheit, welche auch als erste Speichereinheit bezeichnet wird, sind bezüglich der Energiequelle externe Komponenten und zusätzlich zu der Energiequelle vorgesehen, wobei die Energiequelle zusätzlich zu dem Hochvolt-Speicher und somit zusätzlich zu der ersten Speichereinheit vorgesehen und eine bezüglich des Hochvolt-Speichers und somit bezüglich der ersten Speichereinheit externe Komponente ist. Insbesondere ist die Energiequelle eine insbesondere als Sekundärbatterie ausgebildete Batterie. Beispielsweise ist der Hochvolt-Speicher eine insbesondere als Sekundärbatterie ausgebildete, zweite Batterie. Insbesondere kann es sich bei dem Hochvolt-Speicher um den zuvor genannten, elektrischen Energiespeicher handeln. Die erste Speichereinheit wird auch als Pack oder Batteriepack oder Speicherpack bezeichnet. Beispielsweise weist die erste Speichereinheit mehrere, elektrisch miteinander verbundene Speicherzellen auf, in welchen die dritte elektrische Energie gespeichert ist. Der Hochvolt-Speicher ist eine Hochvolt-Komponente, deren elektrische Spannung, insbesondere elektrische Betriebs- und Nennspannung vorzugsweise größer als 50 Volt, insbesondere größer als 60 Volt ist, und ganz vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt. Außerdem ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die erste Speichereinheit eine Hochvolt-Komponente ist, deren elektrische Spannung, insbesondere elektrische Betriebs- und Nennspannung vorzugsweise größer als 50 Volt, insbesondere größer als 60 Volt ist, und ganz vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt.
In der zweiten Phase wird der insbesondere als Gleichspannungswandler ausgebildete, erste Spannungswandler als ein Abwärtswandler betrieben, welcher auch als Tiefsetzsteller, Abwärtsregler oder Book-Converter bezeichnet wird. In der zweiten Phase stellt der erste Spannungswandler, mithin der Abwärtswandler auch als vierte elektrische Energie bezeichnete, elektrische Energie mit einer gegenüber der dritten elektrischen Gleichspannung und gegenüber der zweiten elektrischen Gleichspannung geringeren, vierten elektrischen Gleichspannung bereit. In der zweiten Phase wird die vierte elektrische Energie, welche in der zweiten Phase von dem ersten Spannungswandler (Abwärtswandler) bereitgestellt wird, einem insbesondere als Gleichspannungswandler ausgebildeten, zweiten Spannungswandler zugeführt. Insbesondere ist der zweite Spannungswandler zusätzlich zu dem ersten Spannungswandler vorgesehen und umgekehrt. In der zweiten Phase wird der zweite Spannungswandler als ein Aufwärtswandler betrieben, welcher auch als fünfte elektrische Energie bezeichnete, elektrische Energie mit einer gegenüber der ersten elektrischen Gleichspannung, gegenüber der zweiten elektrischen Gleichspannung, gegenüber der dritten elektrischen Gleichspannung und gegenüber der vierten elektrischen Gleichspannung größeren, fünften elektrischen Gleichspannung bereitstellt. Dies bedeutet, dass in der zweiten Phase der zweite Spannungswandler die fünfte elektrische Energie in Abhängigkeit von der vierten elektrischen Energie, die von dem ersten Spannungswandler bereitgestellt und im zweiten Spannungswandler zugeführt wird, bereitstellt. Mit anderen Worten nutzt in der zweiten Phase der zweite Spannungswandler die vierte elektrische Energie, um die fünfte elektrische Energie bereitzustellen. Ferner ist es vorgesehen, dass in der ersten Phase der erste Spannungswandler die zweite elektrische Energie in Abhängigkeit von der ersten elektrischen Energie bereitstellt. Mit anderen Worten nutzt in der ersten Phase der erste Spannungswandler die erste elektrische Energie, um die zweite elektrische Energie bereitzustellen.
In der zweiten Phase wird der Zwischenkreiskondensator mit der von dem zweiten Spannungswandler bereitgestellten, fünften elektrischen Energie versorgt und dadurch auf die fünfte Gleichspannung geladen. Dies bedeutet, dass die fünfte Gleichspannung eine gegenüber der ersten Zwischenspannung größere Zielspannung ist, auf die der Zwischenkreiskondensator geladen wird. Mit anderen Worten, durch die erste Phase wird der Zwischenkreiskondensator derart geladen, dass der Zwischenkreiskondensator nach der ersten Phase die erste Zwischenspannung, mithin die zweite Gleichspannung aufweist oder bereitstellen kann. Durch die zweite Phase wird der Zwischenkreiskondensator, insbesondere ausgehend von der ersten Zwischenspannung, derart geladen, dass der Zwischenkreiskondensator nach der zweiten Phase die Zielspannung, mithin die fünfte Gleichspannung aufweist oder bereitstellen kann. Während bei der ersten Phase in der Energiequelle gespeicherte, elektrische Energie genutzt wird, um den Zwischenkreiskondensator zu laden, wobei vorzugsweise während der ersten Phase eine Nutzung von in dem Hochvolt-Speicher gespeicherter, elektrischer Energie zum Laden des Zwischenkreiskondensators unterbleibt, wird in der zweiten Phase in der ersten Speichereinheit und somit in dem Hochvolt-Speicher gespeicherte, elektrische Energie genutzt, um den Zwischenkreiskondensator zu laden, wobei vorzugsweise während der zweiten Phase eine Nutzung von in der Energiequelle gespeicherter, elektrischer Energie zum Laden des Zwischenkreiskondensators unterbleibt. Dadurch kann während der zweiten Phase die Energiequelle geschont werden. Grundsätzlich wäre es möglich, auch in der zweiten Phase die Energiequelle, mithin in der Energiequelle gespeicherte, elektrische Energie zu nutzen, um den Zwischenkreiskondensator zu laden, jedoch würde dies zum einen die Energiequelle unerwünscht stark belasten, und zum anderen würde das Laden des Zwischenkreiskondensators auf die Zielspannung dann unerwünscht lange dauern. Insbesondere wird der Zwischenkreiskondensator durch die oder in der ersten Phase von einer beispielsweise 0 Volt betragenden Ausgangsspannung auf die erste Zwischenspannung geladen, so dass insgesamt durch das Verfahren beispielsweise der Zwischenkreiskondensator von der Ausgangsspannung auf die Zielspannung, mithin auf die fünfte elektrische Gleichspannung geladen wird. Das Verfahren ermöglicht es dabei einerseits, den Zwischenkreiskondensator besonders schnell, insbesondere von der Ausgangsspannung, auf die Zielspannung laden zu können, insbesondere vorladen zu können, insbesondere bevor der Zwischenkreiskondensator elektrisch mit der elektrischen Maschine verbunden wird. Andererseits ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, übermäßig hohe, elektrische Ströme beziehungsweise Stromflüsse zum Laden des Zwischenkreiskondensators zu vermeiden, so dass übermäßige Temperaturen sowie Beschädigungen der Antriebseinrichtung vermieden werden können.
Beispielsweise ist der Abwärtswandler in der zweiten Phase spannungsgeregelt. Mit anderen Worten ist es beispielsweise vorgesehen, dass in der zweiten Phase der Abwärtswandler spannungsgeregelt betrieben wird. Ferner hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Aufwärtswandler in der ersten Phase und/oder der Aufwärtswandler in der zweiten Phase stromgeregelt ist, mithin stromgeregelt betrieben wird. Beispielsweise ist der erste Spannungswandler und/oder der zweite Spannungswandler als ein Phasenschieber-Vollbrücken-Spannungswandler, insbesondere als ein Phasenschieber-Vollbrücken-Gleichspannungswandler, ausgebildet, so dass vorzugsweise der erste Spannungswandler und/oder der zweite Spannungswandler als ein PSFB-DCDC-Wandler (Phase shifted full brigde-Gleichspannungswandler) ausgebildet ist. Insbesondere ist der erste Spannungswandler und/oder der zweite Spannungswandler als Gleichspannungswandler, mithin als DCDC-Wandler ausgebildet.
Um den Zwischenkreiskondensator besonders vorteilhaft, das heißt besonders schnell laden zu können, ohne dass es zu unerwünschten Effekten, wie beispielsweise zu unerwünscht hohen Temperaturen oder zu Beschädigungen kommt, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die dritte elektrische Gleichspannung größer oder gleich der zweiten elektrischen Gleichspannung ist.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die erste elektrische Gleichspannung höchstens 20 Volt, insbesondere höchstens 16 Volt und ganz insbesondere höchstens 15,5 Volt, beträgt. Vorzugsweise beträgt die erste elektrische Gleichspannung mindestens 10 Volt. Insbesondere ist es denkbar, dass die erste elektrische Gleichspannung in einem Bereich von einschließlich 12 Volt bis einschließlich 13 Volt liegt. Hierdurch kann der Zwischenkreiskondensator einerseits besonders schonend und andererseits besonders schnell geladen werden.
Um den Zwischenkreiskondensator besonders schnell laden zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zweite elektrische Gleichspannung größer als 400 Volt und kleiner als 500 Volt ist. Beispielsweise liegt die zweite elektrische Gleichspannung in einem Bereich von einschließlich 400 Volt bis einschließlich 425 Volt. Beispielsweise kann die zweite elektrische Gleichspannung 425 Volt betragen.
Um den Zwischenkreiskondensator besonders schnell und schonend laden zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die dritte elektrische Gleichspannung größer als 400 Volt und größer als 500 Volt ist. Beispielsweise liegt die dritte elektrische Gleichspannung in einem Bereich von einschließlich 400 Volt bis einschließlich 425 Volt. Beispielsweise beträgt die dritte elektrische Gleichspannung 425 Volt.
Die vorigen und folgenden Ausführungen zur ersten elektrischen Gleichspannung können ohne Weiteres auch auf die vierte elektrische Gleichspannung übertragen werden und umgekehrt.
Somit hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die vierte elektrische Gleichspannung höchstens 20 Volt, insbesondere höchstens 16 Volt und ganz insbesondere höchstens 15,5 Volt, beträgt. Beispielsweise beträgt die vierte elektrische Gleichspannung 12 Volt. Beispielsweise liegt die vierte elektrische Spannung in einem Bereich von einschließlich 12 Volt bis einschließlich 13 Volt. Dadurch kann der Zwischenkreiskondensator besonders schonend und schnell geladen werden.
Um den Zwischenkreiskondensator besonders vorteilhaft laden zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die fünfte elektrische Gleichspannung mindestens 800 Volt beträgt, insbesondere größer als 800 Volt ist. Beispielsweise liegt die fünfte elektrische Gleichspannung in einem Bereich von einschließlich 800 Volt bis einschließlich 850 Volt. Insbesondere ist es denkbar, dass die fünfte elektrische Gleichspannung 850 Volt beträgt.
Um den Zwischenkreiskondensator besonders vorteilhaft, insbesondere besonders schnell, schonend und kostengünstig laden zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der erste Spannungswandler, insbesondere wenigstens oder genau zwei, Anschlüsse aufweist, über welche in der zweiten Phase der erste Spannungswandler die zweite elektrische Energie bereitstellt. In der ersten Phase wird über die Anschlüsse des ersten Spannungswandlers die von der Energiequelle bereitgestellte, erste elektrische Energie dem ersten Spannungswandler zugeführt. Dies bedeutet, dass die Anschlüsse des ersten Spannungswandlers in der zweiten Phase als Ausgänge genutzt werden, über die der erste Spannungswandler in der zweiten Phase die zweite elektrische Energie bereitstellt. In der ersten Phase werden die Anschlüsse des ersten Spannungswandlers als Eingänge genutzt, über die die erste elektrische Energie dem ersten Spannungswandler zugeführt wird.
Außerdem hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn Leitungselemente vorgesehen sind, über welche in der zweiten Phase dem zweiten Spannungswandler die von dem ersten Spannungswandler bereitgestellte, zweite elektrische Energie zugeführt wird. Über die Leitungselemente wird in der ersten Phase dem ersten Spannungswandler die von der Energiequelle bereitgestellte, erste elektrische Energie zugeführt. Dadurch kann der Zwischenkreiskondensator besonders vorteilhaft, insbesondere besonders kosten- und bauraumgünstig geladen werden.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest in der ersten Phase und beispielsweise auch in der zweiten Phase der erste Spannungswandler und der zweite Spannungswandler in Reihe geschaltet sind. In der ersten Phase wird die von dem ersten elektrischen Spannungswandler bereitgestellte, zweite elektrische Energie über den zweiten Spannungswandler dem Zwischenkreiskondensator zugeführt, wobei der Zwischenkreiskondensator mit der von dem ersten Spannungswandler bereitgestellten, zweiten elektrischen Energie versorgt und dadurch auf die zweite Gleichspannung geladen wird. Dadurch kann ein besonders vorteilhafter Aufbau realisiert werden, so dass der Zwischenkreiskondensator besonders gut und vorteilhaft geladen werden kann.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn in der ersten Phase eine gezielte, durch den zweiten Spannungswandler bewirkte Beeinflussung der elektrischen Gleichspannung der zweiten elektrischen Energie, die dem Zwischenkreiskondensator zugeführt wird, unterbleibt, wodurch der Zwischenkreiskondensator besonders vorteilhaft aufgeladen werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der elektrische Hochvolt-Speicher die erste Speichereinheit und eine zusätzlich zu der Energiequelle und zusätzlich zu der ersten Speichereinheit vorgesehene, zweite Speichereinheit auf. Beispielsweise weist der elektrische Hochvolt-Speicher wenigstens oder genau zwei Speichereinheiten auf, nämlich die erste Speichereinheit und die zweite Speichereinheit. Die vorigen und folgenden Ausführungen zur ersten Speichereinheit können ohne weiteres auch auf die zweite Speichereinheit übertragen werden und umgekehrt. Somit ist vorzugsweise die zweite Speichereinheit zusätzlich zu der Energiequelle vorgesehen und eine bezüglich der Energiequelle externe Komponente, wobei vorzugsweise die Energiequelle zusätzlich zur Speichereinheit vorgesehen und eine bezüglich der zweiten Speichereinheit externe Komponente ist. Die zweite Speichereinheit wird auch als zweiter Pack oder zweiter Batteriepack bezeichnet. Insbesondere sind die Speichereinheiten elektrisch miteinander verbunden. Ganz vorzugsweise sind die Speichereinheiten beispielsweise in einem Betriebszustand der Antriebseinrichtung seriell zueinander geschaltet, das heißt in Reihe geschaltet, wobei beispielsweise der genannte Betriebszustand ein von der ersten Phase und von der zweiten Phase unterschiedlicher, zusätzlicher und beispielsweise sich an die erste Phase beziehungsweise die zweite Phase anschließender Betriebszustand der Antriebseinrichtung ist. Ganz vorzugsweise ist die zweite Speichereinheit eine Hochvolt-Komponente, deren elektrische Spannung, insbesondere elektrische Betriebs- und Nennspannung vorzugsweise größer als 50 Volt, insbesondere größer als 60 Volt ist, und ganz vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt.
Um dabei den Zwischenkreiskondensator besonders vorteilhaft laden zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass in der zweiten Phase die dritte elektrische Energie, die dem ersten Spannungswandler zugeführt wird, bezogen auf die Speichereinheiten, insbesondere bezogen auf den Hochvolt-Speicher insgesamt, und bezogen auf die Energiequelle ausschließlich von der ersten Speichereinheit bereitgestellt wird. Dadurch kann der Zwischenkreiskondensator schnell geladen werden, ohne dass es zu unerwünschten Effekten wie beispielsweise übermäßige Temperaturen oder Beschädigungen kommt.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in der ersten Phase die zweite elektrische Energie, mit welcher der Zwischenkreiskondensator versorgt wird, die Speichereinheiten, insbesondere alle Speichereinheiten des Hochvolt-Speichers und somit beispielsweise den Hochvolt-Speicher insgesamt, umgeht. Dadurch kann der Zwischenkreiskondensator schnell und schonend geladen werden.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in der zweiten Phase die fünfte elektrische Energie, mit welcher der Zwischenkreiskondensator versorgt wird, die zweite Speichereinheit umgeht, wodurch der Zwischenkreiskondensator schnell und ohne Beschädigungen oder anderweitige, unerwünschte Effekte geladen werden kann.
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn in der zweiten Phase die Energiequelle mit der von dem ersten Spannungswandler bereitgestellten, vierten elektrischen Energie geladen wird. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass in zweiten Phase ein erster Teil der vierten elektrischen Energie genutzt wird, um den Zwischenkreiskondensator zu laden, und in der zweiten Phase wird beispielsweise ein zweiter Teil der vierten elektrischen Energie genutzt, um die Energiequelle zu laden. Dadurch kann nach der zweiten Phase ein besonders vorteilhafter Ladezustand der Energiequelle gewährleistet werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass in der zweiten Phase ein Bordnetz, mit welchem die Energiequelle elektrisch verbunden ist, mittels der von dem ersten Spannungswandler bereitgestellten, vierten elektrischen Energie über die Energiequelle mit auch als sechster elektrischer Energie bezeichneter, elektrischer Energie versorgt wird. Mit anderen Worten wird somit in der zweiten Phase beispielsweise ein erster Teil der von dem ersten Spannungswandler bereitgestellten, vierten elektrischen Energie genutzt, um den Zwischenkreiskondensator zu laden, und ein zweiter Teil der vierten elektrischen Energie wird genutzt, um das Bordnetz mit elektrischer Energie zu versorgen. Dies bedeutet, dass während der zweiten Phase das Bordnetz insbesondere über den Energiewandler gestützt werden kann, so dass beispielsweise mit dem Bordnetz elektrisch verbundene und zusätzlich zu der Energiequelle vorgesehene Verbraucher, die beispielsweise bereits während der zweiten Phase betrieben werden, mittels elektrischer Energie aus dem Energiespeicher betrieben werden können, wodurch eine übermäßige Belastung der Energiequelle vermieden werden kann.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigt:

1 ein Schaltbild zum Veranschaulichen einer elektrischen Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs;
2 ein weiteres Schaltbild zum Veranschaulichen der Antriebseinrichtung und zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Laden eines Zwischenkreiskondensators der Antriebseinrichtung;
3 ein weiteres Schaltbild zum weiteren Veranschaulichen der Antriebseinrichtung des Verfahrens;
4 ein weiteres Schaltbild zum weiteren Veranschaulichen der Antriebseinrichtung des Verfahrens;
5 ein weiteres Schaltbild zum weiteren Veranschaulichen der Antriebseinrichtung des Verfahrens; und
6 ein weiteres Schaltbild zum weiteren Veranschaulichen der Antriebseinrichtung des Verfahrens.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Folgenden werden anhand von 1 bis 5 ein Verfahren zum Laden eines Zwischenkreiskondensators eines Zwischenkreises einer elektrischen Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie die elektrische Antriebseinrichtung beziehungsweise das Kraftfahrzeug selbst beschrieben. Das einfach auch als Fahrzeug bezeichnete Kraftfahrzeug, welches vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, ausgebildet ist, weist vorzugsweise wenigstens oder genau eine elektrische Maschine auf, mittels welcher das Kraftfahrzeug, insbesondere rein, elektrisch angetrieben werden kann. Die elektrische Maschine ist Bestandteil der genannten, elektrischen Antriebseinrichtung, mittels welcher das Kraftfahrzeug, insbesondere rein elektrisch, angetrieben werden kann. Die Antriebseinrichtung und somit das Kraftfahrzeug umfassen auch einen elektrischen Energiespeicher, welcher als eine Hochvolt-Komponente ausgebildet ist und daher auch als elektrischer Hochvolt-Speicher bezeichnet wird. Der Hochvolt-Speicher ist in 1 schematisch dargestellt und mit 1 bezeichnet. Insbesondere ist der Hochvolt-Speicher 1 eine Sekundärbatterie. In dem Hochvolt-Speicher 1 kann elektrische Energie, insbesondere elektrochemisch, gespeichert werden oder sein. Der Hochvolt-Speicher 1 weist wenigstens oder genau zwei Speichereinheiten auf, nämlich eine erste Speichereinheit 2 und eine zweite Speichereinheit 3. Die Speichereinheiten 2 und 3 sind elektrisch miteinander verbunden oder verbindbar. Insbesondere sind die Speichereinheiten 2 und 3 derart elektrisch miteinander verbindbar, dass sie in Reihe zueinander, das heißt seriell zueinander geschaltet werden können. Der in 1 besonders schematisch dargestellte und mit 4 bezeichnete Zwischenkreis weist den mit 5 bezeichneten Zwischenkreiskondensator auf. Insbesondere kann die elektrische Maschine über eine Leistungselektronik, insbesondere über einen Wechselrichter der Leistungselektronik, mit der in dem Hochvolt-Speicher 1 gespeicherten, elektrischen Energie versorgt werden. Dabei kann beispielsweise die Leistungselektronik, insbesondere der Wechselrichter, über den Zwischenkreis 4 mit der in dem Hochvolt-Speicher 1 gespeicherten, elektrischen Energie versorgt werden. Bevor die elektrische Maschine mit dem Zwischenkreis 4 elektrisch verbunden wird, ist es vorteilhaft, wenn Zwischenkreiskondensator 5, welcher auch einfach als Kondensator bezeichnet wird, zu laden, das heißt vorzuladen, um sicherzustellen, dass zu einem Zeitpunkt, zu welchem die elektrische Maschine mit dem Zwischenkreis 4 elektrisch verbunden wird, der Zwischenkreiskondensator 5 eine hinreichend beziehungsweise vorteilhaft hohe, elektrische Zielspannung aufweist beziehungsweise bereitstellt oder bereitstellen kann. Bei dem Verfahren wird beispielsweise der Zwischenkreiskondensator 5, insbesondere von einer gegenüber der Zielspannung geringeren, elektrischen Ausgangsspannung auf die elektrische Zielspannung geladen, insbesondere vorgeladen. Beispielsweise wird der Zwischenkreiskondensator 5 insbesondere von der Ausgangsspannung auf die Zielspannung geladen, bevor die elektrische Maschine mit dem Zwischenkreis 4 elektrisch verbunden wird.
Die elektrische Antriebseinrichtung weist einen ersten Spannungswandler 6 und einen zweiten Spannungswandler 7 auf, wobei die Spannungswandler 6 und 7 als Gleichspannungswandler, mithin als DCDC-Wandler ausgebildet sind. Vorgesehen ist auch eine zusätzlich zu dem Hochvolt-Speicher 1 und somit zusätzlich zu den Speichereinheiten 2 und 3 vorgesehene Energiequelle 8, welche eine Spannungsquelle ist oder als Spannungsquelle betreibbar ist. Die Energiequelle 8 ist eine insbesondere als Sekundärbatterie ausgebildete Batterie, wobei die Energiequelle 8 auch als 12-Volt-Batterie bezeichnet wird. Es ist erkennbar, dass die einfach auch als Batterie bezeichnete Energiequelle 8 eine bezüglich des Hochvolt-Speichers 1 externe, zusätzlich vorgesehene Komponente ist, und dem entsprechend ist der Hochvolt-Speicher 1 eine bezüglich der Energiequelle 8 externe, zusätzlich dazu vorgesehene Komponente.
1 zeigt einen Ausgangszustand der elektrischen Antriebseinrichtung. Um den Zwischenkreiskondensator 5 zu laden, wird, wie aus 2 erkennbar ist, zunächst beispielsweise ein Relais 9 geschlossen. Dann wird beispielsweise, wie aus 3 erkennbar ist, ein zweites Relais 10 geschlossen und es wird mit einer ersten Phase des Verfahrens begonnen. In 3 veranschaulichen Pfeile einen elektrischen Stromfluss, zu dem es in der ersten Phase kommt beziehungsweise welcher während der ersten Phase stattfindet. In der ersten Phase wird eine erste elektrische Energie, welche von der Energiequelle 8 mit einer ersten elektrischen Gleichspannung bereitgestellt wird, dem ersten Spannungswandler 6 zugeführt, welcher in der ersten Phase als ein Aufwärtswandler betrieben wird. In der ersten Phase stellt der erste Spannungswandler 6 eine zweite elektrische Energie mit einer gegenüber der ersten elektrischen Gleichspannung größeren, zweiten elektrischen Gleichspannung bereit. In der ersten Phase wird der Zwischenkreiskondensator 5 mit der von dem ersten Spannungswandler 6 bereitgestellten, zweiten elektrischen Energie versorgt und dadurch auf eine insbesondere gegenüber der Ausgangsspannung höhere, jedoch gegenüber der Zielspannung geringere, erste Zwischenspannung geladen, welche die zweite Gleichspannung ist.
Um eine sich, insbesondere direkt, an die erste Phase anschließende, zweite Phase des Verfahrens durchzuführen, wird, wie aus 4 und 5 erkennbar ist, ein weiteres Relais 11 geschlossen, insbesondere um dadurch den ersten Spannungswandler 6 mit der ersten Speichereinheit 2, jedoch vorzugsweise nicht auch mit der zweiten Speichereinheit 3 elektrisch zu verbinden. In 4 und 5 veranschaulichen Pfeile einen elektrischen Stromfluss, zu dem es in der zweiten Phase kommt beziehungsweise welcher in der zweiten Phase erfolgt. In der zweiten Phase wird eine dritte elektrische Energie, die von der ersten Speichereinheit 2 des Hochvolt-Speichers 1 der elektrischen Antriebseinrichtung mit einer gegenüber der ersten elektrischen Gleichspannung größeren, dritten elektrischen Gleichspannung bereitgestellt wird, dem ersten Spannungswandler 6 zugeführt, welcher in der zweiten Phase als ein Abwärtswandler betrieben wird. In der zweiten Phase stellt der Spannungswandler 6 eine vierte elektrische Energie mit einer gegenüber der dritten elektrischen Gleichspannung und gegenüber der zweiten elektrischen Gleichspannung geringeren, vierten elektrischen Gleichspannung bereit. In der zweiten Phase wird die vierte elektrische Energie, die von dem ersten Spannungswandler 6 bereitgestellt wird, dem zweiten Spannungswandler 7 zugeführt. In der zweiten Phase wird der Spannungswandler 7 als ein Aufwärtswandler betrieben. In der zweiten Phase stellt der Spannungswandler 7 eine fünfte elektrische Energie mit einer gegenüber der ersten elektrischen Gleichspannung, gegenüber der zweiten elektrischen Gleichspannung, gegenüber der dritten elektrischen Gleichspannung und gegenüber der vierten elektrischen Gleichspannung größeren, fünften elektrischen Gleichspannung bereit. In der zweiten Phase wird der Zwischenkreiskondensator 5 mit der von dem zweiten Spannungswandler 7 bereitgestellten, fünften elektrischen Energie versorgt und dadurch auf die Zielspannung, welche die fünfte Gleichspannung ist, geladen. Somit kann der Zwischenkreiskondensator 5 einerseits besonders schnell und andererseits derart schonend geladen werden, dass es nicht zu übermäßig hohen Temperaturen der Antriebseinrichtung oder zu Beschädigungen der Antriebseinrichtung kommt.
Des Weiteren ist in 6 erkennbar, dass ein weiteres Relais 12, welches in 1 bis 5 geöffnet ist, geschlossen wird, insbesondere nach der zweiten Phase, das heißt insbesondere nach einem Ende der zweiten Phase. Hierdurch wird der der Hochvolt-Speicher 1, insbesondere ein den Hochvolt-Speicher 1 umfassendes und ganz insbesondere vorgeladenes Hochvolt-System (HV-System), vollständig zugeschaltet.
Bezugszeichenliste

1: Hochvolt-Speicher
2: erste Speichereinheit des Hochvolt-Speichers
3: zweite Speichereinheit des Hochvolt-Speichers
4: Zwischenkreis
5: Zwischenkreiskondensator
6: erster Spannungswandler
7: zweiter Spannungswandler
8: Energiequelle
9: Relais
10: Relais
11: Relais
12: Relais

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1909369 B1 [0002]
DE 102011016532 A1 [0002]
EP 2670624 B1 [0002]

Claims

Verfahren zum Laden eines Zwischenkreiskondensators (5) eines Zwischenkreises (4) einer elektrischen Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, bei welchem: - in einer ersten Phase: ◯ elektrische Energie, welche von einer Energiequelle (8) mit einer ersten elektrischen Gleichspannung bereitgestellt wird, einem ersten Spannungswandler (6) zugeführt wird, welcher als ein Aufwärtswandler betrieben wird, der elektrische Energie mit einer gegenüber der ersten elektrischen Gleichspannung größeren, zweiten elektrischen Gleichspannung bereitstellt; und oder Zwischenkreiskondensator (5) mit der von dem ersten Spannungswandler (6) bereitgestellten, elektrischen Energie versorgt und dadurch auf die zweite Gleichspannung geladen wird; und - in einer sich an die erste Phase anschließenden, zweiten Phase: ◯ elektrische Energie, welche von einer zusätzlich zu der Energiequelle (8) vorgesehenen Speichereinheit (2) eines elektrischen Hochvolt-Speichers (1) der elektrischen Antriebseinrichtung mit einer gegenüber der ersten elektrischen Gleichspannung größeren, dritten elektrischen Gleichspannung bereitgestellt wird, dem ersten Spannungswandler (6) zugeführt wird, welcher als ein Abwärtswandler betrieben wird, der elektrische Energie mit einer gegenüber der dritten elektrischen Gleichspannung und gegenüber der zweiten elektrischen Gleichspannung geringeren, vierten elektrischen Gleichspannung bereitstellt; ◯ die elektrischer Energie, welche von dem ersten Spannungswandler (6) bereitgestellt wird, einem zweiten Spannungswandler (7) zugeführt wird, welcher als ein Aufwärtswandler betrieben wird, der elektrische Energie mit einer gegenüber der ersten elektrischen Gleichspannung, gegenüber der zweiten elektrischen Gleichspannung, gegenüber der dritten elektrischen Gleichspannung und gegenüber der vierten elektrischen Gleichspannung größeren, fünften elektrischen Gleichspannung bereitstellt; und oder Zwischenkreiskondensator (5) mit der von dem zweiten Spannungswandler bereitgestellten, elektrischen Energie versorgt und dadurch auf die fünfte Gleichspannung geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte elektrische Gleichspannung größer oder gleich der zweiten elektrischen Gleichspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Gleichspannung höchstens 16 Volt, insbesondere höchstens 15,5 Volt, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Gleichspannung größer als 400 Volt und kleiner als 500 Volt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte elektrische Gleichspannung größer als 400 Volt und kleiner als 500 Volt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte elektrische Gleichspannung höchstens 16 Volt, insbesondere höchstens 15,5 Volt, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte elektrische Gleichspannung mindestens 800 Volt beträgt, insbesondere größer als 800 Volt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: - der erste Spannungswandler (6) Anschlüsse aufweist, über welche: ◯ in der zweiten Phase der erste Spannungswandler (6) die elektrische Energie bereitstellt; und ◯ in der ersten Phase die von der Energiequelle (8) bereitgestellte, elektrische Energie dem ersten Spannungswandler zugeführt wird; und - Leitungselemente vorgesehen sind, über welche: ◯ in der zweiten Phase dem zweiten Spannungswandler (7) die von dem ersten Spannungswandler (6) bereitgestellte, elektrische Energie zugeführt wird; und ◯ in der ersten Phase dem ersten Spannungswandler (6) die von der Energiequelle (8) bereitgestellte, elektrische Energie zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Phase der erste Spannungswandler (6) und der zweite Spannungswandler (7) in Reihe geschaltet sind und die von dem ersten elektrischen Spannungswandler (6) bereitgestellte, elektrische Energie über den zweiten Spannungswandler (7) dem Zwischenkreiskondensator (5) zugeführt wird, wodurch der Zwischenkreiskondensator (5) mit der von dem ersten Spannungswandler (6) bereitgestellten, elektrischen Energie versorgt und dadurch auf die zweite Gleichspannung geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Phase eine gezielte, durch den zweiten Spannungswandler (7) bewirkte Beeinflussung der elektrischen Gleichspannung der elektrischen Energie, die dem Zwischenkreiskondensator (5) zugeführt wird, unterbleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Hochvolt-Speicher (1) die Speichereinheit (2) als erste Speichereinheit (2) und eine zusätzlich zu der Energiequelle (8) und zusätzlich zu der ersten Speichereinheit (2) vorgesehene, zweite Speichereinheit (3) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Phase die elektrische Energie, die dem ersten Spannungswandler (6) zugeführt wird, bezogen auf die Speichereinheiten (2, 3) und die Energiequelle (8) ausschließlich von der ersten Speichereinheit (2) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Phase die elektrische Energie, mit welcher der Zwischenkreiskondensator (5) versorgt wird, die Speichereinheiten (2, 3) umgeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Phase die elektrische Energie, mit welcher der Zwischenkreiskondensator (5) versorgt wird, die zweite Speichereinheit (3) umgeht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Phase: - die Energiequelle (8) mit der von dem ersten Spannungswandler (6) bereitgestellten, elektrischen Energie geladen wird; und/oder - ein Bordnetz, mit welchem die Energiequelle (8) elektrisch verbunden ist, mittels der von dem ersten Spannungswandler (6) bereitgestellten, elektrischen Energie über die Energiequelle (8) mit elektrischer Energie versorgt wird.