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DE102024002035B3 - Elektrisches Antriebssystem und Verfahren zum Laden - Google Patents

Elektrisches Antriebssystem und Verfahren zum Laden Download PDF

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DE102024002035B3
DE102024002035B3 DE102024002035.7A DE102024002035A DE102024002035B3 DE 102024002035 B3 DE102024002035 B3 DE 102024002035B3 DE 102024002035 A DE102024002035 A DE 102024002035A DE 102024002035 B3 DE102024002035 B3 DE 102024002035B3
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Germany
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charging
inverter
voltage
voltage battery
diode
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DE102024002035.7A
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English (en)
Inventor
Urs Boehme
Stefan Seiffert
Julian Kempf
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit einer elektrischen Maschine (2) mit drei Statorwicklungen (L1 bis L3) zum Antrieb des Fahrzeugs, einer Hochvolt-Batterie (3) und einem Inverter (1), wobei der Inverter (1) drei Halbbrücken (HB1 bis HB3) mit jeweils zwei Halbleiterschaltern (S1 bis S6) aufweist, an deren Mittelabgriffen je eine der Statorwicklungen (L1 bis L3) angeschlossen ist, wobei ferner eine Ladedose (5) zum Laden der Hochvolt-Batterie (3) mittels einer Gleichspannung und/oder zum Laden der Hochvolt-Batterie (3) mittels einer Wechselspannung angeordnet ist, wobei
- eine Diode (D1) oder ein Halbleiterschalter (D1) mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer der Halbbrücken (HB1 bis HB3) und einem Kontakt der Ladedose (5) in Sperrrichtung gepolt angeordnet ist,
- eine Diode (D2) oder ein Halbleiterschalter mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer anderen der Halbbrücken (HB1 bis HB3) und einem anderen Kontakt der Ladedose (5) in Sperrrichtung gepolt angeordnet ist,
- je eine Diode (D3, D4) oder je ein Halbleiterschalter mit Diodenfunktion von einem negativen Hochvoltpotential (HV_N) des Inverters (1) zu jedem der beiden Kontakte der Ladedose (5) in Durchlassrichtung gepolt angeordnet ist,
- zwischen den DC-Anschlüssen des Inverters (1) und den DC-Anschlüssen der Hochvolt-Batterie (3) ein isolierender DC/DC-Wandler (8) geschaltet und mittels zweier Hauptschütze (S_Main_P, S_Main_N) überbrückbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Laden einer Hochvolt-Batterie des elektrischen Antriebssystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6, 7 oder 8.
  • Bei Ladestationen nach dem NACS-System (North American Charging System) sind nur zwei Anschlussklemmen verfügbar, über die entweder AC oder DC geladen wird. Mit der Öffnung der Tesla®-Supercharger für firmenfremde Kunden wird ein großes DC-400 V-Ladenetz nutzbar, welches allerdings für 800 V-Fahrzeuge zusätzliche Maßnahmen innerhalb des Fahrzeugs benötigt, um einen DC-Ladevorgang durchführen zu können. Solche Maßnahmen können sein:
    • - interne Boost-Wandler: Nachteilig ist dabei, dass zusätzliche große und teure Komponenten, Schütze für den DC-Ladebetrieb mit und ohne Boostwandler (Bypass) erforderlich sind,
    • - Umschalt-Batterien: Nachteilig ist dabei, dass zusätzliche Umschaltschütze erforderlich sind, und dass der nutzbare Bauraum für Batteriezellen reduziert wird. Ferner müssen die Nebenaggregate vom 800 V-Spannungsbereich auf den Betrieb im 400 V-Spannungsbereich (d. h. bei leerer Batterie auf ca. 200 V) konfiguriert werden.
    • - Boost-Funktion unter Nutzung des Inverters und der Streuinduktivität der E-Maschine: Nachteilig ist dabei, dass der Sternpunkt an der E-Maschine zugänglich gestaltet werden muss, dass nur die Streuinduktivität der E-Maschine wirksam ist, und dass ein Bypass-Schütz zum Laden bei 800 V (und höherem Strom als bei 400 V) erforderlich ist.
    • - Boost-Funktion unter Nutzung des Inverters bei DC-400 V-Einspeisung zwischen einem Phasenanschluss der E-Maschine und dem Schaltmodulausgang des Inverters: Nachteilig ist dabei, dass der Ladestrom begrenzt auf die Auslegung einer Inverterhalbbrücke ist, und dass ein Bypass-Schütz zum Laden bei 800 V mit höherem Strom benötigt wird.
  • Beim AC-Netz ist in den USA nur ein einphasiges Laden möglich. Die Eingangsspannung kann 120 Vrms oder 240 Vrms betragen. Als Zielwert für den Strom sind bis zu 80 Arms üblich.
  • DE 10 2021 003 883 A1 beschreibt ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit einer Schaltvorrichtung, welche aufweist:
    • - einen ersten Schaltzustand, in welchem ein Ladeanschluss mit einem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs direkt verbunden ist, sodass der elektrische Energiespeicher mit einer Eingangsspannung, welche am Ladeanschluss anliegt, aufladbar ist,
    • - einen zweiten und dritten Schaltzustand, in welchem der Ladeanschluss über einen Wechselrichter mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden ist, sodass der elektrische Energiespeicher in Abhängigkeit von dem Wechselrichter aufladbar ist.
  • DE 10 2021 003 852 A1 beschreibt ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit
    • - einer elektrischen Drehstrommaschine zum Antreiben des Fahrzeugs,
    • - einem elektrischen Energiespeicher zum elektrischen Versorgen der elektrischen Drehstrommaschine während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs,
    • - einem Wechselrichter der elektrischen Drehstrommaschine, welcher mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch gekoppelt ist, und
    • - einem fahrzeugseitigen Ladeanschluss zum elektrischen Koppeln des elektrischen Energiespeichers mit einer fahrzeugexternen Ladeeinheit, wobei
    • - in Abhängigkeit von dem Wechselrichter eine Ladespannung des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses in eine Versorgungsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers umwandelbar ist.
  • Aus der DE 10 2010 048 673 A1 ist ein Fahrzeug bekannt, umfassend einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs, einen elektrischen Energiespeicher zum Versorgen des Elektromotors mit elektrischer Energie, und einen Ladeanschluss zum Laden des elektrischen Energiespeichers durch Speisen von elektrischem Strom in den elektrischen Energiespeicher, wobei das Fahrzeug darüber hinaus eine Fehlerstromschutzeinrichtung umfasst, welche zwischen dem Ladeanschluss und dem elektrischen Energiespeicher angeordnet ist, so dass der elektrische Strom bei dem Laden von dem Ladeanschluss über die Fehlerstromschutzeinrichtung zu dem elektrischen Energiespeicher geführt wird und die Fehlerstromschutzeinrichtung bei einem Erfassen eines Fehlerstroms eine elektrische Verbindung zwischen dem Ladeanschluss und dem elektrischen Energiespeicher unterbricht.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug und ein neuartiges Verfahren zum Laden einer Hochvolt-Batterie des elektrischen Antriebssystems anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Laden einer Hochvolt-Batterie des elektrischen Antriebssystems mit den Merkmalen des Anspruchs 6, 7 oder 8.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Es wird ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug vorgeschlagen, mit einer elektrischen Maschine mit drei Statorwicklungen zum Antrieb des Fahrzeugs, einer Hochvolt-Batterie und einem Inverter zur Wandlung einer Gleichspannung der Hochvolt-Batterie in eine Wechselspannung zur Versorgung der elektrischen Maschine, wobei der Inverter eine B6-Brücke aus drei Halbbrücken aufweist, die aus jeweils zwei Halbleiterschaltern gebildet sind, an deren Mittelabgriffen je eine der Statorwicklungen angeschlossen ist, wobei ferner eine Ladedose zum Laden der Hochvolt-Batterie mittels einer Gleichspannung und/oder zum einphasigen Laden der Hochvolt-Batterie mittels einer Wechselspannung angeordnet ist. Ferner ist zwischen den DC-Anschlüssen des Inverters und den DC-Anschlüssen der Hochvolt-Batterie ein isolierender DC/DC-Wandler geschaltet und mittels zweier Hauptschütze überbrückbar.
  • Erfindungsgemäß ist eine Diode oder ein Halbleiterschalter mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer der Halbbrücken und einem Kontakt der Ladedose in Sperrrichtung gepolt angeordnet. Ferner ist eine Diode oder ein Halbleiterschalter mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer anderen der Halbbrücken und einem anderen Kontakt der Ladedose in Sperrrichtung gepolt angeordnet. Ferner ist je eine Diode oder je ein Halbleiterschalter mit Diodenfunktion von einem negativen Hochvoltpotential des Inverters zu jedem der beiden Kontakte der Ladedose in Durchlassrichtung gepolt angeordnet.
  • In einer Ausführungsform ist mindestens einer der Halbleiterschalter der Halbbrücke und/oder mindestens einer der Halbleiterschalter mit Diodenfunktion als MOSFET oder IGBT mit Freilaufdiode ausgebildet.
  • In einer Ausführungsform weist der Inverter einen DC-Link-Kondensator auf.
  • In einer Ausführungsform weist der Inverter Strommessgeräte zur Wechselstrommessung zwischen den Mittelabgriffen der Halbbrücken und den Statorwicklungen auf.
  • In einer Ausführungsform sind zur Spannungsfreischaltung zweier Leiter der Ladedose zwei Relaiskontakte zwischen dem jeweiligen Leiter und den daran angeschlossenen Dioden oder Halbleiterschaltern mit Diodenfunktion angeordnet.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Laden der Hochvolt-Batterie des oben beschriebenen elektrischen Antriebssystems an einer DC-Ladestation mit Boost-Funktion vorgeschlagen, wobei die DC-Ladestation mit der Ladedose verbunden wird. Erfindungsgemäß wird ein als Low-Side-Schalter angeordneter Halbleiterschalter einer der Halbbrücken, die über eine der Dioden oder Halbleiterschalter mit Diodenfunktion mit der Ladedose verbunden ist, taktend angesteuert, wobei der isolierende DC/DC-Wandler zur Übertragung von Leistung aus dem DC-Link-Kondensator zur Hochvolt-Batterie taktend betrieben oder mittels der Hauptschütze überbrückt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Laden der Hochvolt-Batterie des oben beschriebenen elektrischen Antriebssystems an einer AC-Ladestation vorgeschlagen, wobei die AC-Ladestation mit der Ladedose verbunden wird. Erfindungsgemäß wird während einer positiven Halbwelle einer von der AC-Ladestation eingespeisten Wechselspannung ein als Low-Side-Schalter angeordneter Halbleiterschalter einer der Halbbrücken, die über eine der Dioden oder Halbleiterschalter mit Diodenfunktion mit der Ladedose verbunden ist, taktend angesteuert. Während einer negativen Halbwelle der von der AC-Ladestation eingespeisten Wechselspannung wird ein als Low-Side-Schalter angeordneter Halbleiterschalter einer anderen der Halbbrücken, die über eine der Dioden oder Halbleiterschalter mit Diodenfunktion mit der Ladedose verbunden ist, taktend angesteuert. Eine Leistungsübertragung vom DC-Link-Kondensator zur Hochvolt-Batterie erfolgt über den isolierenden DC/DC-Wandler.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Laden der Hochvolt-Batterie des oben beschriebenen elektrischen Antriebssystems an einer DC-Ladestation ohne Boost-Funktion vorgeschlagen, wobei die DC-Ladestation mit der Ladedose verbunden wird. Erfindungsgemäß wird ein Strom zum Laden über die Bodydioden oder Freilaufdioden der als High-Side-Schalter angeordneten Halbleiterschalter geleitet, wobei der isolierende DC/DC-Wandler zur Übertragung von Leistung aus dem DC-Link-Kondensator zur Hochvolt-Batterie taktend betrieben oder mittels der Hauptschütze überbrückt wird.
  • In einer Ausführungsform wird zumindest einer der Halbleiterschalter und Halbleiterschalter mit Diodenfunktion geschlossen, sobald ein Strom über seine Bodydiode oder Freilaufdiode fließt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Not-Betrieb des oben beschriebenen elektrischen Antriebssystems vorgeschlagen, wobei der isolierende DC/DC-Wandler bei einem Problem in der Ansteuerung und/oder bei einem Isolationsfehler in der Hochvolt-Batterie oder in einem Teilsystem auf der der Hochvolt-Batterie zugewandten Seite der Hauptschütze oder bei einer ausgelösten Hauptsicherung zur Übertragung von Leistung aus der Hochvolt-Batterie zum Inverter taktend betrieben wird.
  • In einer Ausführungsform wird durch die Taktung der Halbleiterschalter ein Sollstrom geregelt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Inverter um jeweils zwei Halbleiter mit Diodenfunktion für jeweils zwei Halbbrücken erweitert. Hierdurch lässt sich eine einphasige PFC-Funktion unter Verwendung des Inverters und der Motorinduktivität darstellen. Zudem wird ein isolierter DC/DC-Wandler verwendet, um eine galvanische Trennung beim AC-Laden oder (falls erforderlich) beim DC-Laden darzustellen. Die Boost-Funktion kann ebenfalls durch den Inverter und die Motorinduktivität realisiert werden.
  • Die PFC-Funktion beim AC-Laden wird durch den Inverter und die E-Maschine mit wenig Zusatzaufwand (zwei Dioden, zwei Halbleiterschalter) dargestellt. Dadurch kann der PFC des Bordladers entfallen. Die Hauptinduktivität der E-Maschine ist als PFC-Drossel wirksam. Während des Ladevorgangs erfolgt keine Drehung der E-Maschine. Ferner kann der Bulk-Kondensator eines typischen On-Board-Laders (OBC) entfallen, da hierfür der DC-Link-Kondensator herangezogen wird. Die E-Maschine und der Inverter werden als Boost-DC/DC-Wandler von 400 V auf 800 V genutzt, sodass eine alternative Ladelösung wie Boost-Wandler oder Umschaltbatterie usw. entfallen kann. Not-Lademöglichkeit bestehen über den Inverter und den isolierenden DC/DC-Wandler (z. B. wenn ein Limit der C1-Kennlinie überschritten werden könnte). Eine Not-Fahrfunktion besteht bei Öffnung der Batteriehauptschütze aufgrund eines Fehlers (z. B. eines Isolationsfehlers bei Start des Fahrzeugs). Während des DC-Ladens bei 400 V und eintretendem Isolationsfehler im Fahrzeug (Varistorauslösung in EVSE aufgrund Isolationsüberlastung) wird ein Batteriekurzschluss vermieden. Die Anschlüsse außerhalb der kritischen Kommutierungszelle zwischen MOSFET und DC-Link-Kondensator haben keinen Einfluss auf die Inverter-Schaltfunktion (Effizienz/Spannungsausnutzung). Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die Darstellung eines NACS-Ladesystems für DC 800 V, DC 400 V und AC (einphasig) ohne zusätzliche Umschaltelemente im Ladepfad.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht eines Inverters zum Betrieb einer elektrischen Maschine mit einer Beschaltung, einschließlich einer Ladedose,
    • 2 eine schematische Ansicht des Inverters beim Laden mit Boost-Funktion an einer DC-Ladestation,
    • 3 eine schematische Ansicht des Inverters beim Laden ohne Boost-Funktion an der DC-Ladestation,
    • 4 eine schematische Ansicht des Inverters bei Durchführung einer Notladefunktion mit Boost-Funktion an der DC-Ladestation,
    • 5 eine schematische Ansicht des Inverters bei Durchführung einer Notladefunktion ohne Boost-Funktion an der DC-Ladestation,
    • 6 eine schematische Ansicht des Inverters bei Durchführung einer AC-Ladefunktion an einer AC-Ladestation während einer positiven Spannungshalbwelle,
    • 7 eine schematische Ansicht des Inverters bei Durchführung einer AC-Ladefunktion an einer AC-Ladestation während einer negativen Spannungshalbwelle,
    • 8 eine schematische Ansicht des Inverters bei Durchführung einer Not-Fahrfunktion mit reduzierter Leistung,
    • 9 ein schematisches Diagramm mit Signalen einer Simulation des Inverters beim Laden an einer DC-Ladestation mit Boost-Funktion,
    • 10 ein schematisches Diagramm mit Signalen der Simulation des Inverters beim Eintreten von Isolationsfehlern,
    • 11 ein schematisches Diagramm mit weiteren Signalen der Simulation des Inverters zur Veranschaulichung einer Potentialverteilung,
    • 12 ein schematisches Diagramm mit Signalen einer Simulation des Inverters beim Laden an der AC-Ladestation,
    • 13 in schematisches Diagramm mit Signalen der Simulation des Inverters beim AC-Laden zu Beginn der positiven Halbwelle, und
    • 14 ein schematisches Diagramm mit Signalen der Simulation des Inverters beim AC-Laden zu Beginn der negativen Halbwelle.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines Inverters 1 zum Betrieb einer elektrischen Maschine 2, beispielsweise einer Antriebsmaschine eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, eines Nutzfahrzeugs oder eines Busses. Der Inverter 1 weist eine B6-Brücke aus drei zwischen einem positiven Hochvoltpotential HV_P und einem negativen Hochvoltpotential HV_N geschalteten Halbbrücken HB1, HB2, HB3 auf, die aus jeweils zwei Halbleiterschaltern S1 bis S6, insbesondere MOSFET oder IGBT mit Freilaufdiode, gebildet sind. Ferner weist der Inverter 1 einen Zwischenkreiskondensator C und Strommessgeräte A, insbesondere zur Wechselstrommessung, an den Mittelabgriffen der Halbbrücken HB1 bis HB3 auf. Die elektrische Maschine 2 weist drei Statorwicklungen L1 bis L3 auf, die an den Mittelabgriffen der Halbbrücken HB1 bis HB3 angeschlossen sind.
  • Der Inverter 1 ist durch eine entsprechende Beschaltung dazu konfiguriert, beim Laden einer Hochvolt-Batterie 3 des Fahrzeugs mittels Gleichspannung oder mittels einer einphasigen Wechselspannung über eine Ladedose 5, insbesondere eine NACS-Ladedose, verwendet zu werden.
  • Es sind zwei Lade-Relais S_Charge_1, S_Charge_2 zur Spannungsfreischaltung der Ladedose 5 vorgesehen.
  • Ferner ist als Koppelelement D1 eine Diode D1 zum Mittelabgriff einer ersten Halbbrücke HB1 des Inverters 1 in Sperrrichtung gepolt zu einem ersten Anschluss des ersten Lade-Relais (z. B. S_Charge_1) angeordnet. Alternativ zur Diode D1 kann wie in 1 gezeigt auch ein anderes Halbleiterbauelement D1 eingesetzt werden, beispielsweise ein MOSFET mit Bodydiode in Richtung der gezeichneten Diode D1, ein IGBT mit entsprechender Freilaufdiode usw.
  • Ferner ist als Koppelelement D2 eine Diode D2 zum Mittelabgriff einer zweiten Halbbrücke HB2 des Inverters 1 in Sperrrichtung gepolt zu einem zweiten Anschluss des zweiten Lade-Relais (z. B. S_Charge_2) angeordnet. Alternativ zur Diode D2 kann auch ein anderes Halbleiterbauelement D2 eingesetzt werden, beispielsweise ein MOSFET mit Bodydiode in Richtung der gezeichneten Diode D2, ein IGBT mit entsprechender Freilaufdiode usw.
  • Ferner ist als Koppelelement D3 eine Diode D3 in Durchlassrichtung vom negativen Hochvoltpotential HV_N zum ersten Lade-Relais S_Charge_1 und als Koppelelement D4 eine Diode D4 in Durchlassrichtung vom negativen Hochvoltpotential HV_N zum zweiten Lade-Relais S_Charge_2 geschaltet. Alternativ zu den Dioden D3, D4 kann jeweils auch ein anderes Halbleiterbauelement D3, D4 eingesetzt werden, beispielsweise ein MOSFET mit Bodydiode in Richtung der gezeichneten Diode D3, D4, ein IGBT mit entsprechender Freilaufdiode usw.
  • Um eine potentialfreie AC-Ladefunktion zu ermöglichen, ist zwischen den DC-Anschlüssen des Inverters 1, das heißt zwischen dem positiven Hochvoltpotential HV_P und dem negativen Hochvoltpotential HV_N, und den DC-Anschlüssen der HV-Batterie 3 ein isolierender DC/DC-Wandler 8 geschaltet (in 1 ist beispielhaft ein isolierender DC/DC-Wandler 8 in LLC-Topologie gezeigt. Alternativ sind andere isolierende DC/DC-Wandlertopologien möglich, beispielsweise Dual-Active Bridge, Phase Shift Full Bridge usw.).
  • Der isolierende DC/DC-Wandler 8 kann direkt mit den DC-Anschlüssen oder HV-Potentialen der HV-Batterie 3 verbunden sein oder separate Zuschaltelemente aufweisen (nicht dargestellt).
  • Sofern eine bidirektionale Lade-Funktion (V2x) oder eine Not-Fahrfunktion gewünscht sind, ist der isolierende DC/DC-Wandler 8 bidirektional auszuführen. Bei den Ladefunktionen ist nur der Lademodus dargestellt. Das Einspeisen die bidirektionale Lade-Funktion (V2x) erfolgt meist mit umgekehrter Stromrichtung und ist nicht dargestellt.
  • Die DC-Anschlüsse der HV-Batterie 3 sind über Hauptschütze S_Main_P, S_Main_N mit dem positiven Hochvoltpotential HV_P und dem negativen Hochvoltpotential HV_N und somit auch mit den DC-Anschlüssen des Inverters 1 verbunden. Weitere nicht dargestellte Komponenten des HV-Systems können sein: LV-DC/DC-Wandler, Heizer, Kältemittelkompressor usw.
  • Die Koppelelemente D1 bis D4 können insbesondere so gewählt werden, dass der DC-Ladestrom (Boost-Funktion oder 800 V-Laden) über Bauteile fließt, die hinsichtlich ihrer Durchlassverluste und der Stromtragfähigkeit optimiert sind, wie z. B. IGBTs, während für die AC-Funktion kostengünstige Dioden gewählt werden können, die auf die AC-Ströme ausgelegt sind. Allgemein kann für beide Bauteile wahlweise eine Diode D1 bis D4 oder ein Halbleiterschalter D1 bis D4 mit Sperrwirkung für eine Stromrichtung gewählt werden.
  • Zum Laden einer Hochvolt-Batterie 3 eines batterieelektrischen Fahrzeugs an einer DC-Ladestation 6, die eine maximale Ausgangsspannung (beispielsweise 500 V) bereitstellt, die geringer ist als eine Nennspannung (beispielsweise 800 V) der Hochvolt-Batterie 3, sind im Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt, beispielsweise eine Umschaltbatterie, ein separater Boost-DC/DC-Wandler, Boosten über den Inverter 1 mit oder ohne Auftrennen des Sternpunkts, usw.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt eine Lösung vor, bei der beim DC-Laden eine DC-Ladestation 6 so über die Ladedose 5, die Lade-Relais S_Charge_1 und S_Charge_2 und mindestens eines der Koppelelemente D1 bis D4 (insbesondere als IGBTs ausgebildete Koppelelemente D1, D4) mit dem Inverter 1 und der elektrischen Maschine 2 verbunden wird, dass nur mittels einer speziellen Ansteuerung der Halbleiterschalter S1 bis S6 die Funktion eines galvanisch gekoppelten DC/DC-Wandlers 8 dargestellt werden kann. Da der Stromfluss durch die Statorwicklungen L1 bis L3 einen realistischen Betriebspunkt der elektrischen Maschine 2 darstellt, kann hierbei die komplette Statorinduktivität verwendet werden. Die elektrische Maschine 2 bewegt sich dennoch nicht.
  • Im Falle eines Isolationsfehlers im Fahrzeug kann es als direkte Folge zu einer Überlastung der Isolation in dem entgegengesetzten HV_N Potential der DC-Ladestation 6 kommen. Durch Schutz-Varistoren in der DC-Ladestation 6 entsteht dabei ein Kurzschluss der Hochvolt-Batterie 3. Das Problem des Batteriekurzschlusses (mehrere tausend Ampere) wird in der vorgeschlagenen Architektur durch das Koppelelement D4 vermieden. Bei Verwendung eines Halbleiterschalters D4 als Koppelelement D4 ist der Kurzschluss schnell zu erkennen und der Halbleiterschalter D4 zu öffnen. Eine frühzeitige Erkennung kann über die Verschiebung der HV-Potentiale bezogen auf den Schutzleiter PE und/oder Potentialausgleich PA ermittelt werden, sodass der Halbleiterschalter D4 geöffnet werden kann, bevor der Varistor in der DC-Ladestation 6 auslöst und somit auch bevor ein Kurzschlussstrom im Aufbau ist. Außerdem ist es dabei wichtig, dass der jeweils taktende Halbleiterschalter S1 bis S6 im Inverter 1 im Falle dieses doppelten Isolationsfehlers nicht mehr aktiviert (eingeschaltet) wird. Es kann jedoch ein Kurzschluss der DC-Ladestation 6 bestehen bleiben.
  • 2 ist eine schematische Ansicht des Inverters 1 beim Laden an der DC-Ladestation 6 mit Boost-Funktion. Es ist ersichtlich, dass für die Boost-Funktion nur zwei der vier Halbleiterschalter D1 bis D4, nämlich die Halbleiterschalter D1 und D4 notwendig sind. Sie können zur Optimierung bei höheren Strömen auch durch MOSFETs oder IGBTs ersetzt werden.
  • Für das DC-Laden mittels Boost-Betrieb sind die Lade-Relais S_Charge_1, S_Charge_2 und die Hauptschütze S_Main_P, S_Main_N geschlossen. Dabei wird der Halbleiterschalter S4, das heißt der Low-Side-Schalter S4 einer der Halbbrücken HB1 bis HB3, insbesondere der Halbbrücke HB2, taktend angesteuert. Bei geschlossenem Halbleiterschalter S4 fließt ein Strom I1 von der DC-Ladestation 6 über das Lade-Relais S_Charge_1, das Koppelelement D1, die Statorwicklung L1, den Sternpunkt der elektrischen Maschine 2, die Statorwicklung L2, den Halbleiterschalter S4, das Koppelelement D4 und das Lade-Relais S_Charge_2 zurück zur DC-Ladestation 6. Bei geöffnetem Halbleiterschalter S4 fließt ein Strom I2 von der DC-Ladestation 6 über das Lade-Relais S_Charge_1, das Koppelelement D1, die Statorwicklung L1, den Sternpunkt der elektrischen Maschine 2, die Statorwicklung L2, die Bodydiode des Halbleiterschalters S3, die Hochvolt-Batterie 3, das Koppelelement D4 und den das Lade-Relais S_Charge_2 zurück zur DC-Ladestation 6.
  • Sobald der angesteuerte Halbleiterschalter S4 geschlossen wird, werden die beiden Statorwicklungen L1 und L2 mit der Spannung der DC-Ladestation 6 beaufschlagt. Der Strom I1 durch die beiden Statorwicklungen L1 und L2 steigt an. In dieser Phase erfolgt keine Ladung der Hochvolt-Batterie 3. Wird der angesteuerte Halbleiterschalter S4 geöffnet, ist der einzige mögliche Freilaufpfad für den in den Statorwicklungen L1 und L2 eingeprägten Strom I2 über die Bodydiode des in derselben Halbbrücke befindlichen High-Side-Schalters, in diesem Fall des Halbleiterschalters S3. Zur Verlustoptimierung kann dieser Halbleiterschalter S3 geschlossen werden sobald der Strom I2 fließt. Der sich ergebene Strompfad führt über die Hochvolt-Batterie 3, sodass diese geladen wird.
  • 3 ist eine schematische Ansicht des Inverters 1 beim Laden ohne Boost-Funktion an der DC-Ladestation 6 mit beispielsweise 800 V.
  • Um das Fahrzeug an einer 800 V-Ladesäule zu laden (Ausgangsspannung beispielsweise ca. 920 V-950 V), ist kein taktender Betrieb des Inverters 1 notwendig. Es wird aber trotzdem der gesamte DC-Ladestrom über den Inverter 1 geleitet. Alternativ kann ein zusätzliches Schützpaar für das Laden an einer 800V-Station zwischen den Ladeanschlüssen und den Batterieanschlüssen vorgesehen sein. Um die Verluste im Inverter 1 zu minimieren und den Ladestrom (ungefähr) auf drei Pfade aufzuteilen, werden hierfür die drei High-Side-Schalter S1, S3, S5 der Halbbrücken HB1 bis HB3 durchgeschaltet. Zudem werden die als IGBTs ausgebildeten Koppelemente D1, D4 nahe der Lade-Relais S_Charge_1, S_Charge_2 durchgeschaltet. Es fließt damit ein Strom I1 von der DC-Ladestation 6 über das Lade-Relais S_Charge_1, das Koppelelement D1 und drei parallele Strompfade durch den Inverter 1, die Hochvolt-Batterie 3, das Koppelelement D4 und das Lade-Relais S_Charge_2 zurück zur DC-Ladestation 6. Von den drei parallelen Strompfaden verläuft einer über den High-Side-Schalter S1 der ersten Halbbrücke HB1, ein zweiter über die Statorwicklungen L1 und L2 und den High-Side-Schalter S3 der zweiten Halbbrücke HB2 und ein dritter über die Statorwicklungen L1 und L3 und den High-Side-Schalter S5 der dritten Halbbrücke HB3. Der zu kommandierende maximale Ladestrom seitens der Hochvolt-Batterie 3 muss auf den maximalen Strom des dargestellten Ladepfades abgestimmt sein. Falls ein Halbleiterschalter S1, S3, S5 des Inverters 1 oder die elektrische Maschine 2 einen kritischen Temperaturwert erreichen sollte, kann der maximale Strom seitens der DC-Ladestation 6 auf einen niedrigeren Wert kommandiert werden.
  • 4 ist eine schematische Ansicht des Inverters 1 bei Durchführung einer Notladefunktion mit Boost-Funktion an der DC-Ladestation 6 mit beispielsweise 400 V, wobei ein isoliertes Laden erfolgt.
  • Wenn eine galvanische Verbindung des kompletten Fahrzeugs mit einer DC-Ladestation 6 nicht gewünscht oder erlaubt ist, dann besteht trotzdem die Möglichkeit, das Fahrzeug mit reduzierter Leistung zu laden. Durch das Öffnen der Hauptschütze S_Main_P, S_Main_N wird die Hochvolt-Batterie 3 von der DC-Ladestation 6 galvanisch getrennt. Der Inverter 1 mit den Koppelelementen D1 bis D4 fungiert beim Laden an einer 400 V-Ladesäule wie in der oben beschriebenen Boost-Funktion, beispielsweise mit dem taktend betriebenen Low-Side-Schalter S4. Hierdurch wird der DC-Link-Kondensator C oder Zwischenkreiskondensator C geladen. Gleichzeitig ist der isolierende DC/DC-Wandler 8 taktend in Betrieb und überträgt Leistung aus dem DC-Link-Kondensator C von seiner an den DC-Link-Kondensator C angeschlossenen Seite auf seine an der Hochvolt-Batterie 3 angeschlossene Seite, wobei die beiden Seiten durch die Hauptschütze S_Main_P, S_Main_N galvanisch voneinander getrennt sind. Die übertragbare Leistung wird dabei durch den isolierenden DC/DC_Wandler 8 begrenzt.
  • 5 ist eine schematische Ansicht des Inverters 1 bei Durchführung einer Notladefunktion ohne Boost-Funktion an der DC-Ladestation 6 mit beispielsweise 800 V, wobei ein isoliertes Laden erfolgt.
  • Wenn eine galvanische Verbindung des kompletten Fahrzeugs mit einer DC-Ladestation 6 nicht gewünscht oder erlaubt ist, besteht trotzdem die Möglichkeit, das Fahrzeug mit reduzierter Leistung zu laden. Durch das Öffnen der Hauptschütze S_Main_P, S_Main_N wird die Hochvolt-Batterie 3 von der DC-Ladestation 6 galvanisch getrennt. Der Inverter 1 nimmt nun den Zustand wie beim DC-Laden an einer 800 V-Ladestation ohne Boost-Funktion ein. Aufgrund der kleineren Übertragungsleistung ist es auch möglich, anstelle der drei durchgeschalteten High-Side-Schalter S1, S3, S5 auch nur einen oder zwei der High-Side-Schalter S1, S3, S5 durchzuschalten. Der DC-Link-Kondensator C wird nun durch die Ladestation 6 geladen. Gleichzeitig ist der isolierende DC/DC-Wandler 8 taktend in Betrieb und überträgt Leistung aus dem DC-Link-Kondensator C von seiner an den DC-Link-Kondensator C angeschlossenen Seite auf seine an der Hochvolt-Batterie 3 angeschlossene Seite. Die übertragbare Leistung wird dabei durch den isolierenden DC/DC-Wandler 8 begrenzt.
  • 6 ist eine schematische Ansicht des Inverters 1 bei Durchführung einer AC-Ladefunktion an einer AC-Ladestation 7 während einer positiven Spannungshalbwelle.
  • Die AC-Ladefunktion für die positive Spannungshalbwelle, bei der das Potential am Lade-Relais S_Charge_1 höher ist als am Lade-Relais S_Charge_2, ist identisch oder ähnlich zur Funktion beim Boosten hinsichtlich der Stromverläufe im Inverter 1 (PFC-Funktion). Beim AC-Laden ist eine galvanische Trennung vorgesehen. Daher sind die Hauptschütze S_Main_P und S_Main_N geöffnet und die Leistungsübertragung vom DC-Link-Kondensator C des Inverters 1 zur Hochvolt-Batterie 3 erfolgt über den galvanisch isolierenden DC/DC-Wandler 8, der hierzu taktend in Betrieb gesetzt ist. Der DC-Link-Kondensator C des Inverters 1 ersetzt die Funktion des Bulk-Kondensators und reduziert den Stromripple auf der Seite der Hochvolt-Batterie 3.
  • In einem ersten Zustand ist der Low-Side-Schalter S4 geschlossen. Sobald der Low-Side-Schalter S4 geschlossen wird baut sich ein Strom I1 über die Statorwicklungen L1 und L2 auf. Die beiden Statorwicklungen L1 und L2 werden daher mit der Spannung der AC-Ladestation 7 beaufschlagt. Dabei steigt der Strom I1 durch die Statorwicklungen L1 und L2 an. Es erfolgt in dieser Phase keine Ladung der Hochvolt-Batterie 3.
  • In einem zweiten Zustand ist der Low-Side-Schalter S4 geöffnet. Dabei fließt ein Freilaufstrom I2 von den Statorwicklungen L1 und L2 über die Bodydiode des High-Side-Schalters S3 zum DC-Link-Kondensator C, von dem die Leistungsübertragung zur Hochvolt-Batterie 3 über den galvanisch isolierenden DC/DC-Wandler 8 erfolgt, der hierzu taktend in Betrieb gesetzt ist. Wenn der Low-Side-Schalter S4 geöffnet wird, verläuft der einzige mögliche Freilaufpfad für den in den Statorwicklungen L1 und L2 eingeprägten Strom I1 über die Bodydiode des High-Side-Schalters S3. Zur Verlustoptimierung kann dieser High-Side-Schalter S3 geschlossen werden, sobald der Stromfluss einsetzt. Der sich ergebene Strompfad führt über die den DC-Link-Kondensator C, von dem die Leistungsübertragung zur Hochvolt-Batterie 3 über den galvanisch isolierenden DC/DC-Wandler 8 erfolgt, sodass die Hochvolt-Batterie 3 nun geladen wird. Der Strompfad führt vom negativen Hochvoltpotential HV_N über das Koppelelement D4 wieder zurück zur AC-Ladestation 7.
  • 7 ist eine schematische Ansicht des Inverters 1 bei Durchführung einer AC-Ladefunktion an einer AC-Ladestation 7 während einer negativen Spannungshalbwelle.
  • Bei der AC-Ladefunktion für die negative Spannungshalbwelle, bei der das Potential am Lade-Relais S_Charge_1 niedriger ist als am Lade-Relais S_Charge_2, wird im Vergleich zum Laden mit der positiven Spannungshalbwelle der Low-Side-Schalter S2 einer anderen Halbbrücke HB1 des Inverters 1 taktend betrieben. Auch der Stromfluss über die Koppelelemente D1 bis D4 erfolgt nun über die als Dioden D2, D3 dargestellten Halbleiter. Die parallel dazu liegenden, als IGBT dargestellten Koppelelemente D1, D4 müssen geöffnet sein. Zur Sicherstellung der galvanischen Trennung sind wie beim Laden mit der positiven Halbwelle die Hauptschütze S_Main_P, S_Main_N geöffnet und die Leistungsübertragung vom DC-Link-Kondensator C zur Hochvolt-Batterie 3 erfolgt über den isolierenden DC/DC-Wandler 8.
  • In einem ersten Zustand ist der Low-Side-Schalter S2 geschlossen. Sobald der Low-Side-Schalter S2 geschlossen wird, baut sich ein Strom I1 über die Statorwicklungen L2 und L1 auf. Sobald der Low-Side-Schalter S2 geschlossen wird, werden die beiden Statorwicklungen L1 und L2 mit der Spannung der AC-Ladestation 7 beaufschlagt. Der Strom I1 durch die Statorwicklungen L1 und L2 steigt an. Es erfolgt in dieser Phase keine Ladung der Hochvolt-Batterie 3.
  • In einem zweiten Zustand ist der Low-Side-Schalter S2 geöffnet. Dabei fließt ein Freilaufstrom I2 von den Statorwicklungen L1 und L2 über die Bodydiode des High-Side-Schalters S1 zum DC-Link-Kondensator C, von dem die Leistungsübertragung zur Hochvolt-Batterie 3 über den galvanisch isolierenden DC/DC-Wandler 8 erfolgt, der hierzu taktend in Betrieb gesetzt ist. Zur Verlustoptimierung kann dieser High-Side-Schalter S1 geschlossen werden, sobald der Stromfluss einsetzt. Der sich ergebene Strompfad führt über die den DC-Link-Kondensator C, von dem die Leistungsübertragung zur Hochvolt-Batterie 3 über den galvanisch isolierenden DC/DC-Wandler 8 erfolgt, sodass die Hochvolt-Batterie 3 nun geladen wird. Der Strompfad führt vom negativen Hochvoltpotential HV_N über das Koppelelement D3 wieder zurück zur AC-Ladestation 7.
  • 8 ist eine schematische Ansicht des Inverters 1 bei Durchführung einer Not-Fahrfunktion mit reduzierter Leistung. Sofern beispielsweise aufgrund eines Fehlers die Hauptschütze S_Main_P, S_Main_N geöffnet haben oder gehalten werden, ist ein Not-Fahrbetrieb über den isolierenden DC/DC-Wandler 8 möglich. In diesem Zustand sind auch die Lade-Relais S_Charge_1, S_Charge_2 geöffnet. Der isolierende DC/DC-Wandler 8 überträgt Leistung aus der Hochvolt-Batterie 3 zum Inverter 1.
  • Auslöser für solch ein solches Öffnen der Hauptschütze S_Main_P, S_Main_N kann Problem in der Ansteuerung, ein Isolationsfehler in der Hochvolt-Batterie 3 oder im Teilsystem auf der der Hochvolt-Batterie 3 zugewandten Seite der Hauptschütze S_Main_P, S_Main_N oder eine ausgelöste Hauptsicherung (nicht dargestellt) sein.
  • Bei der gezeigten Lösung wird die PFC-Funktion (Power Factor Correction) beim AC-Laden durch den Inverter 1 und die elektrische Maschine 2 mit wenig Zusatzaufwand (zwei Dioden D2, D3, zwei Halbleiterschalter D1, D4) dargestellt. Dadurch kann eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) eines Bordladers entfallen. Die Hauptinduktivitäten der Statorwicklungen L1 bis L3 der elektrischen Maschine 2 sind als PFC-Drosseln wirksam. Während des Ladevorgangs erfolgt keine Drehung der elektrischen Maschine 2. Ferner kann der Bulk-Kondensator eines typischen On-Board-Laders (OBC) entfallen, da hierfür der DC-Link-Kondensator C herangezogen wird. Die elektrische Maschine 2 und der Inverter 1 werden als Boost-DC/DC-Wandler von 400 V auf 800 V genutzt, sodass eine alternative Ladelösung wie Boost-Wandler oder Umschaltbatterie usw. entfallen kann. Not-Lademöglichkeit bestehen über den Inverter 1 und den isolierenden DC/DC-Wandler 8 (z. B. wenn ein Limit der C1-Kennlinie überschritten werden könnte). Eine Not-Fahrfunktion besteht bei Öffnung der Hauptschütze S_Main_P, S_Main_N aufgrund eines Fehlers (z. B. eines Isolationsfehlers bei Start des Fahrzeugs). Während des DC-Ladens bei 400 V und eintretendem Isolationsfehler im Fahrzeug (Varistorauslösung in der DC-Ladestation 6 aufgrund Isolationsüberlastung) wird ein Batteriekurzschluss vermieden. Die Anschlüsse außerhalb der kritischen Kommutierungszelle zwischen MOSFET und DC-Link-Kondensator C haben keinen Einfluss auf die Inverter-Schaltfunktion (Effizienz/Spannungsausnutzung). Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die Darstellung eines NACS-Ladesystems für DC 800 V, DC 400 V und AC (einphasig) ohne zusätzliche Umschaltelemente im Ladepfad.
  • 9 ist ein schematisches Diagramm mit Signalen einer Simulation des Inverters 1 (dargestellt in 1) mit der Beschaltung, wobei die Boost-Funktion an einer DC-Ladestation 6 (dargestellt in 1) mit 400 V dargestellt wurde. Ein Sollstrom wurde innerhalb der Grenzen von 120 A bis 125 A vorgegeben. In den folgenden beiden Diagrammen sind die Ströme der Statorwicklungen L1 bis L3 (dargestellt in 1) und ein Steuersignal Gate_S4 zur Ansteuerung des Halbleiterschalters S4 (dargestellt in 1) gezeigt. Zu einem Zeitpunkt t = 0,5 s tritt ein Isolationsfehler im Fahrzeug vom positiven Hochvoltpotential HV+ zum Potentialausgleich PA ein. Zu einem Zeitpunkt t = 0,6 s wird der Taktbetrieb des Halbleiterschalters S4 gestoppt und der Halbleiterschalters S4 bleibt geöffnet. Zu einem Zeitpunkt t = 0,7 s findet ein zweiter Isolationsfehler in der DC-Ladestation 6 vom negativen Hochvoltpotential HV_N (dargestellt in 1) zum Potentialausgleich PA statt.
  • Als Parameter für die Simulation wurden verwendet:
    • Isolationswiderstände: 1 MOhm
    • Induktivität der Statorwicklungen L1 bis L3: 1000 µF
    • Innenwiderstand Ri_Batt der Hochvolt-Batterie 3 (dargestellt in 1) und der DC-Ladestation 6: 0,1 Ohm
  • In 9 sind eine Quellenspannung U_Q der DC-Ladestation 6, das Steuersignal Gate_S4 zur Ansteuerung des Halbleiterschalters S4, ein Strom I_HV+ im positiven Hochvoltpotential HV+, ein Strom I_HV- im negativen Hochvoltpotential HV-, ein Strom I_Q aus der DC-Ladestation 6 und ein in die Hochvolt-Batterie 3 fließender Ladestrom I_L dargestellt.
  • Wenn der Halbleiterschalter S4 geschlossen ist, steigt der Strom in den beiden Statorwicklungen L1 und L2 an. Es ist zu sehen, dass der Strom I_Q der DC-Ladestation 6 identisch zum Betrag des Stroms in den Statorwicklungen L1 und L2 ist. In dieser Zeit findet keine Ladung der Hochvolt-Batterie 3 statt (Ladestrom I_L = 0). Der Strom I_Q steigt in dieser Phase an, bis er den Sollwert von 125 A erreicht hat. Normalerweise wäre dies allerdings durch den großen Zwischenkreiskondensator C (dargestellt in 1) des Inverters 1 immer noch gegeben. Er wurde hier jedoch weggelassen, um die Funktion besser darstellen zu können. Sobald der Halbleiterschalter S4 beim Erreichen von 125 A geöffnet wird, fließt der Strom I_Q der DC-Ladestation 6 sowohl durch die beiden Statorwicklungen L1 und L2, als auch durch die Hochvolt-Batterie 3. Der Strom I_Q schwächt sich dabei ab. Ab dem Unterschreiten des Wertes von 120 A wird der Halbleiterschalter S4 wieder geschlossen.
  • 10 ist ein schematisches Diagramm mit Signalen der Simulation des Inverters 1 (dargestellt in 1) mit der Beschaltung beim Eintreten von Isolationsfehlern:
    • Über das gesamte Zeitfenster der Simulation tritt zunächst ein Isolationsfehler im Fahrzeug vom positiven Hochvoltpotential HV+ zum Potentialausgleich PA ein (Isolationswert ist idealer Kurzschluss, das heißt 0 Ohm, Zeitpunkt t = 0,5 s). In diesem Zustand funktioniert die Schaltung noch fehlerfrei, das heißt der als Booster arbeitende Inverter 1 kann den Sollstrom einstellen und lädt damit die Hochvolt-Batterie 3 (dargestellt in 1). Es gibt keine Kurzschlussströme der Hochvolt-Batterie 3 oder der DC-Ladestation 6 (dargestellt in 1). Ab dem Zeitpunkt t = 0,6 s wird die Taktung des Halbleiterschalters S4 (dargestellt in 1) eingestellt. Sobald die Taktung des Halbleiterschalters S4 eingestellt wird, endet der Ladestrom I_L von der DC-Ladestation 6 zur Hochvolt-Batterie 3. Es bestehen immer noch keine Kurzschlüsse.
  • Ab dem Zeitpunkt t = 0,7 s findet der zweite Isolationsfehler vom negativen Hochvoltpotential HV_N zum Potentialausgleich PA in der DC-Ladestation 6 statt. Es bildet sich kein Kurzschlussstrom der DC-Ladestation 6, aber ein Strom, der hier allerdings durch den recht niedrig angenommenen Wert von 0,1 mOhm sehr hoch ist. In der Realität würde dies bedeuten, dass die DC-Ladestation 6 auf den maximalen Strom der Kommandierung durch das Fahrzeug eingestellt wird oder der Strom dem maximalen Strom ihrer Leistungselektronik entspricht (zum Beispiel möglicher Wert bei Kommandierung durch das Fahrzeug 150 A oder bei maximalem Strom der DC-Ladestation 6 500 A).
  • 11 ist ein schematisches Diagramm mit weiteren Signalen der Simulation des Inverters 1 (dargestellt in 1) mit der Beschaltung zur Veranschaulichung der Potentialverteilung.
  • In der Simulation wurden die Hochvoltpotentiale HV_P, HV_N der DC-Ladestation 6 (dargestellt in 1) im Fahrzeug erfasst. Dies ist vor allem interessant, wenn Isolationsfehler betrachtet werden. In der Zeit vor t = 0,5 s ist die Isolation noch intakt. Es wird eine gleichmäßige Verteilung der Isolationswiderstände angenommen (je 1 MOhm). Dies führt zu einer annähernd symmetrischen Hochvolt-Verteilung im Fahrzeug (500 V HV+ zu PA und 300 V HV- zu PA). Die Hochvolt-Verteilung von HV- zu PA des Fahrzeugs überträgt sich auf die Seite der DC-Ladestation 6, da es sich bei der Boosterfunktion um einen galvanisch gekoppelten Booster mit gemeinsamem negativem Hochvoltpotential HV-, HV_N handelt. Das positive Hochvoltpotential HV_P ist bei der DC-Ladestation 6 um den Wert des Boosters abgesenkt, das heißt ausgehend von einer Spannung von HV+ zu PA von 500 V im Fahrzeug und einer Spannungserhöhung durch den Booster von 400 V ergibt sich eine Spannung zwischen HV_P und PA auf der Seite der DC-Ladestation 6 von 100 V.
  • Ab dem Eintreten des ersten Isolationsfehlers im Fahrzeug bei t = 0,5 s verschieben sich die Potentiale sowohl im Fahrzeug als auch in der DC-Ladestation 6 um 500 V nach unten. Sobald das Takten des Halbleiterschalters S4 (dargestellt in 1) gestoppt wird, fällt die Spannungsdifferenz zwischen der Hochvolt-Batterie 3 (dargestellt in 1) (800 V) und der DC-Ladestation 6 (400 V) an der Diode D4 (dargestellt in 1) ab. Da das positive Hochvoltpotential HV_P identisch zum Potentialausgleich PA ist, ist nun das negative Hochvoltpotential HV_N um den Betrag der Spannung der DC-Ladestation 6 unterhalb des Potentialausgleichs PA (-400 V).
  • Ab t = 0,7s wird nun ein zweiter Isolationsfehler in der DC-Ladestation 6 vom negativen Hochvoltpotential HV_N zum Potentialausgleich PA angenommen. Auch dieser Isolationsfehler wird als idealer Kurzschluss mit 0 Ohm angenommen. Somit ergibt sich eine Potentialverteilung von 0 V von HV_P zum Potentialausgleich PA und gleichzeitig von 0 Ohm von HV_N zum Potentialausgleich PA auf Seiten der DC-Ladestation 6. Dies ist jedoch nur als theoretische Verteilung zu betrachten, da anzunehmen ist, dass ein Isolationsfehler zwar niederohmig ist, jedoch nie 0 Ohm erreichen wird.
  • 12 ist ein schematisches Diagramm mit Signalen einer Simulation des Inverters 1 (dargestellt in 1) mit der Beschaltung, wobei die AC-Ladefunktion an einer AC-Ladestation 7 (dargestellt in 1) dargestellt wurde. Über eine Spannungsmessung wird der Momentanwert der von der AC-Ladestation 7 eingespeisten Wechselspannung U_Q ermittelt. Anschließend wird je nach Vorzeichen der korrekte Halbleiterschalter S2, S4 so angesteuert, dass sich für jede Halbwelle der korrekte Strom einstellt. Der Sollstrom beträgt beispielsweise 16 A, der im Scheitelwert der Spannungshalbwelle eingestellt werden soll.
  • Im Diagramm dargestellt sind die Quellenspannung U_Q der AC-Ladestation 7, die Steuersignale Gate_S2, Gate_S4 der Halbleiterschalter S2, S4 (dargestellt in 1), der Strom I_L1 in der Statorwicklung L1 (dargestellt in 1), der Strom I_L2 in der Statorwicklung L2 (dargestellt in 1), der aus der AC-Ladestation 7 fließende Strom I_Q und der Ladestrom I_L der Hochvolt-Batterie 3 (dargestellt in 1). Aufgabe der PFC-Funktion des Inverters 1 ist es, für beide Halbwellen einen Strom einzustellen, der proportional zum Spannungsverlauf ist und dessen Scheitelwert 16 A beträgt. Die Einstellung des Sollstroms erfolgt über einen Vergleich mit einem proportional reduzierten Wert der Spannungsmessung. Es wird hierbei als maximale Abweichung vom Sollstrom eine Toleranz von beispielsweise +/- 1 A vorgegeben, das heißt sobald der Strom 1 A in der positiven Halbwelle unterhalb der Sollvorgabe ist, wird der entsprechende Halbleiterschalter S4 zugeschaltet, um den Strom I_L1, I_L2 durch die Statorwicklungen L1, L2 zu erhöhen. Ist der aktuelle Stromwert um 1 A über dem Sollwert, so wird der Halbleiterschalter S4 wieder geöffnet. In diesem Fall erfolgt der Freilauf des Stroms I_L1, I_L2 durch die Statorwicklungen L1, L2 über die Hochvolt-Batterie 3, sodass diese geladen wird.
  • In der negativen Halbwelle wird mit entgegengesetztem Vorzeichen geschaltet, das heißt sobald der Strom um 1 A unterhalb des (negativen) Sollstroms liegt, wird der Halbleiterschalter S2 geöffnet. Sobald der Strom um 1 A oberhalb des Sollstroms liegt, wird der Halbleiterschalter S2 wieder geschlossen.
  • 13 ist ein schematisches Diagramm mit Signalen der Simulation des Inverters 1 (dargestellt in 1) mit der Beschaltung beim AC-Laden zu Beginn der positiven Halbwelle. 14 ist ein schematisches Diagramm mit Signalen der Simulation des Inverters 1 (dargestellt in 1) mit der Beschaltung beim AC-Laden zu Beginn der negativen Halbwelle.
  • Wird bei der Simulation die Spannung zwischen dem negativen Hochvoltpotential HV- (dargestellt in 1) und dem Potentialausgleich PA betrachtet, so fällt auf, dass das negative Hochvoltpotential HV- während der negativen Halbwelle identisch zur Phase der Quellenspannung U_Q ist. Mit anderen Worten: In der negativen Halbwelle werden die HV-Potentiale HV+, HV- (dargestellt in 1) des Fahrzeugs bezogen auf den Potentialausgleich PA = N = PE (Schutzleiter) gemäß einer Sinushalbwelle verschoben. Dies ist ebenfalls ein typisches Verhalten einer PFC. Bei großen Y-Kapazitäten zwischen HV+ bzw. HV- und PA würde dies zu einem Ableitstrom führen, der einen FI-Schalter einer Hausinstallation zum Auslösen bringen könnte (Ausgleichstrom fließt auf Schutzleiter PE).
  • Zur Abhilfe können
    1. 1. kleine Y-Kapazitäten im Bereich der PFC angeordnet und anschließend eine galvanische Trennung über einen isolierenden DC/DC-Wandler 8 vorgenommen werden, oder
    2. 2. ein kompensierender Strom auf dem Schutzleiter PE eingespeist werden.
  • Anmerkung zu 1.: Bei 800 V-Fahrzeugen müssen die Y-Kapazitäten des Fahrzeugs bedingt durch die C1-Kennlinie geringer gehalten werden als bei 400 V-Fahrzeugen. Heruntergebrochen auf die Y-Kapazität des Inverters 1 (dargestellt in 1) einschließlich der elektrischen Maschine 2 (dargestellt in 1) bedeutet dies:
    • Bei einem 400 V-Inverter sollte eine Y-Kapazität von etwa 500 nF je Hochvoltpotential HV+, HVvorgesehen werden.
    • Bei einem 800 V-Inverter sollte eine Y-Kapazität von etwa 50 nF bis 80 nF je Hochvoltpotential HV+, HV- vorgesehen werden.
  • Es wird deutlich, dass bei 800 V-Fahrzeugen der Ableitstrom wesentlich geringer ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Inverter
    2
    elektrische Maschine
    3
    Hochvolt-Batterie
    5
    Ladedose
    6
    DC-Ladestation
    7
    AC-Ladestation
    8
    isolierender DC/DC-Wandler
    A
    Strommessgerät
    C
    Zwischenkreiskondensator, DC-Link-Kondensator
    D1, D2, D3, D4
    Koppelelement, Diode, Halbleiterbauelement, Halbleiterschalter
    Gate_S2, Gate_S4
    Steuersignal
    HB1, HB2, HB3
    Halbbrücke
    HV+, HV_N, HV-, HV_P
    Hochvoltpotential
    I1, I2, I_HV+, I_HV-, I_Q, I_L1, I_L2
    Strom, Freilaufstrom
    I_L
    Ladestrom
    L1, L2, L3
    Statorwicklung
    S1, S3, S5
    High-Side-Schalter, Halbleiterschalter
    S2, S4, S6
    Low-Side-Schalter, Halbleiterschalter
    S_Charge_1, S_Charge_2
    Lade-Relais, Lade-Schütz, Relaiskontakt
    S_Main_P, S_Main_N
    Hauptschütz, Hauptschütz-Kontakt
    U_Q
    Quellenspannung

Claims (10)

  1. Elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit einer elektrischen Maschine (2) mit drei Statorwicklungen (L1 bis L3) zum Antrieb des Fahrzeugs, einer Hochvolt-Batterie (3) und einem Inverter (1) zur Wandlung einer Gleichspannung der Hochvolt-Batterie (3) in eine Wechselspannung zur Versorgung der elektrischen Maschine (2), wobei der Inverter (1) eine B6-Brücke aus drei Halbbrücken (HB1 bis HB3) aufweist, die aus jeweils zwei Halbleiterschaltern (S1 bis S6) gebildet sind, an deren Mittelabgriffen je eine der Statorwicklungen (L1 bis L3) angeschlossen ist, wobei eine Ladedose (5) zum Laden der Hochvolt-Batterie (3) mittels einer Gleichspannung und/oder zum einphasigen Laden der Hochvolt-Batterie (3) mittels einer Wechselspannung angeordnet ist und wobei zwischen den DC-Anschlüssen des Inverters (1) und den DC-Anschlüssen der Hochvolt-Batterie (3) ein isolierender DC/DC-Wandler (8) geschaltet und mittels zweier Hauptschütze (S_Main_P, S_Main_N) überbrückbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Diode (D1) oder ein Halbleiterschalter (D1) mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer der Halbbrücken (HB1 bis HB3) und einem Kontakt der Ladedose (5) in Sperrrichtung gepolt angeordnet ist, - eine Diode (D2) oder ein Halbleiterschalter (D2) mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer anderen der Halbbrücken (HB1 bis HB3) und einem anderen Kontakt der Ladedose (5) in Sperrrichtung gepolt angeordnet ist, -je eine Diode (D3, D4) oder je ein Halbleiterschalter (D3, D4) mit Diodenfunktion von einem negativen Hochvoltpotential (HV_N) des Inverters (1) zu jedem der beiden Kontakte der Ladedose (5) in Durchlassrichtung gepolt angeordnet ist.
  2. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (S1 bis S6) und/oder die Halbleiterschalter (D1 bis D4) mit Diodenfunktion als MOSFET oder IGBT mit Freilaufdiode ausgebildet sind.
  3. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter (1) einen DC-Link-Kondensator (C) aufweist.
  4. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter (1) Strommessgeräte (A) zur Wechselstrommessung zwischen den Mittelabgriffen der Halbbrücken (HB1 bis HB3) und den Statorwicklungen (L1 bis L3) aufweist.
  5. Elektrisches Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Spannungsfreischaltung zweier Leiter der Ladedose (5) zwei Relaiskontakte (S_Charge_1, S_Charge_2) zwischen dem jeweiligen Leiter und den daran angeschlossenen Dioden (D1 bis D4) oder Halbleiterschaltern (D1 bis D4) mit Diodenfunktion angeordnet sind.
  6. Verfahren zum Laden der Hochvolt-Batterie (3) des elektrischen Antriebssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche an einer DC-Ladestation (6) mit Boost-Funktion, wobei die DC-Ladestation (6) mit der Ladedose (5) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Low-Side-Schalter angeordneter Halbleiterschalter (S2, S4, S6) einer der Halbbrücken (HB1 bis HB3), die über eine der Dioden (D1, D2) oder Halbleiterschalter (D1 bis D4) mit Diodenfunktion mit der Ladedose (5) verbunden ist, taktend angesteuert wird, wobei der isolierende DC/DC-Wandler (8) zur Übertragung von Leistung aus dem DC-Link-Kondensator (C) zur Hochvolt-Batterie (3) taktend betrieben oder mittels der Hauptschütze (S_Main_P, S_Main_N) überbrückt wird.
  7. Verfahren zum Laden der Hochvolt-Batterie (3) des elektrischen Antriebssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5 an einer AC-Ladestation (7), wobei die AC-Ladestation (7) mit der Ladedose (5) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass während einer positiven Halbwelle einer von der AC-Ladestation (7) eingespeisten Wechselspannung ein als Low-Side-Schalter angeordneter Halbleiterschalter (S2, S4, S6) einer der Halbbrücken (HB1 bis HB3), die über eine der Dioden (D1, D2) oder Halbleiterschalter (D1 bis D4) mit Diodenfunktion mit der Ladedose (5) verbunden ist, taktend angesteuert wird, wobei während einer negativen Halbwelle der von der AC-Ladestation (7) eingespeisten Wechselspannung ein als Low-Side-Schalter angeordneter Halbleiterschalter (S2, S4, S6) einer anderen der Halbbrücken (HB1 bis HB3), die über eine der Dioden (D1, D2) oder Halbleiterschalter mit Diodenfunktion mit der Ladedose (5) verbunden ist, taktend angesteuert wird, wobei eine Leistungsübertragung vom DC-Link-Kondensator (C) zur Hochvolt-Batterie (3) über den isolierenden DC/DC-Wandler (8) erfolgt.
  8. Verfahren zum Laden der Hochvolt-Batterie (3) des elektrischen Antriebssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5 an einer DC-Ladestation (6) ohne Boost-Funktion, wobei die DC-Ladestation (6) mit der Ladedose (5) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom (I1) zum Laden über die Bodydioden oder Freilaufdioden der als High-Side-Schalter angeordneten Halbleiterschalter (S1, S3, S5) geleitet wird, wobei der isolierende DC/DC-Wandler (8) zur Übertragung von Leistung aus dem DC-Link-Kondensator (C) zur Hochvolt-Batterie (3) taktend betrieben oder mittels der Hauptschütze (S_Main_P, S_Main_N) überbrückt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Halbleiterschalter (S1 bis S6) und Halbleiterschalter mit Diodenfunktion geschlossen werden, sobald ein Strom über deren Bodydiode oder Freilaufdiode fließt.
  10. Verfahren zum Not-Betrieb eines elektrischen Antriebssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der isolierende DC/DC-Wandler (8) bei einem Problem in der Ansteuerung und/oder bei einem Isolationsfehler in der Hochvolt-Batterie (3) oder in einem Teilsystem auf der der Hochvolt-Batterie (3) zugewandten Seite der Hauptschütze (S_Main_P, S_Main_N) oder bei einer ausgelösten Hauptsicherung zur Übertragung von Leistung aus der Hochvolt-Batterie (3) zum Inverter (1) taktend betrieben wird.
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