DE102018124789A1 - Fast charging device and electric drive system with such a quick charging device - Google Patents

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Roland Buol
Katja Stengert
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie 7 eines mit einem elektrischen Antriebsmotor 2 ausgebildetem Kraftfahrzeugs, mit einer Induktivität, und einem Antriebsumrichter 3, der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie 7 für den elektrischen Antriebsmotor 2 wandelt, wobei die Induktivität zusammen mit dem Antriebsumrichter 3 für einen Ladebetrieb der Batterie 7 als Hochsetzsteller dient. Mit dem Ziel, eine verbesserte und insbesondere anpassungsfähigere Ladevorrichtung bereitzustellen, ist eine Schalteinheit 10 in der Ladevorrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, eine Ladungsquelle 8, 12 direkt oder über den Hochsetzsteller mit der Batterie 7 zu verschalten.The present invention relates to a charging device for charging a battery 7 of a motor vehicle designed with an electric drive motor 2, with an inductor, and a drive converter 3, which converts the DC voltage of the battery 7 for the electric drive motor 2 when the motor vehicle is being driven, the inductance together serves as a step-up converter with the drive converter 3 for charging the battery 7. With the aim of providing an improved and in particular more adaptable charging device, a switching unit 10 is provided in the charging device which is designed to connect a charge source 8, 12 to the battery 7 directly or via the step-up converter.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines mit einem elektrischen Antriebsmotor ausgestatteten Kraftfahrzeugs sowie ein elektrisches Antriebssystem mit einer derartigen Ladevorrichtung.The invention relates to a device for charging a battery of a motor vehicle equipped with an electric drive motor and to an electric drive system with such a charging device.

Zum Laden von Elektrofahrzeugen kommen unterschiedliche Ladekonzepte zum Einsatz. Das Laden mit Wechselstrom über die Haussteckdose ist nahezu überall verfügbar, weist jedoch nur geringe Ladeleistungen von meist unter 5 kW auf. Demgegenüber sind beim Schnelladen an Gleichstromquellen (DC-Laden), etwa über spezielle Ladesäulen, sehr viel höhere Leistungen möglich (50 kW und darüber). Dies erfordert jedoch eine Anpassung der Spannung, wenn das verfügbare Spannungslevel der Ladesäule, typischerweise 400 V DC, geringer ist als das Spannungslevel der Fahrzeugbatterie, von beispielsweise 800V DC.Different charging concepts are used to charge electric vehicles. Charging with alternating current via the house socket is available almost everywhere, but only has a low charging power of usually less than 5 kW. In contrast, much faster outputs (50 kW and above) are possible with fast charging at DC sources (DC charging), for example via special charging stations. However, this requires an adjustment of the voltage if the available voltage level of the charging station, typically 400 V DC , is lower than the voltage level of the vehicle battery, for example 800V DC .

Zur Anpassung des Spannungslevels können Hochsetzsteller, auch unter den Begriffen „Aufwärtswandler“, „Boost-Converter“ oder „Step-Up-Converter“ bekannt, verwendet werden.Step-up converters, also known under the terms "step-up converter", "boost converter" or "step-up converter", can be used to adjust the voltage level.

DE 10 2016 209 905 A1 zeigt eine Schnellladeeinheit für ein Elektrofahrzeug, wobei der Antriebsumrichter des Traktionsmotors in Verbindung mit den Motorspulen als Hochsetzsteller dient. DE 10 2016 209 905 A1 shows a quick charging unit for an electric vehicle, the drive converter of the traction motor in conjunction with the motor coils serving as a step-up converter.

DE 10 2009 052 680 A1 zeigt die eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie, bei der ein Antriebsumrichter als Hochsetzsteller zum Aufladen der Batterie dient. Zur Anpassung an eine gewünschte Ladespannung kann die an board vorhandene Struktur durch das Vorschalten eines Tiefsetzstellers vor dem Hochsetzsteller vervollständigt werden, um eine Anpassung an eine nahezu beliebige jeweils durch die Infrastruktur bereitgestellte DC-Spannung zu ermöglichen. DE 10 2009 052 680 A1 shows the one charging device for charging a battery, in which a drive converter serves as a step-up converter for charging the battery. To adapt to a desired charging voltage, the structure on board can be completed by connecting a step-down converter in front of the step-up converter to enable adaptation to almost any DC voltage provided by the infrastructure.

Ein Nachteil dieser vorgenannten Lösungen besteht darin, dass jeweils nur eine Ladespannung zum Aufladen der Batterie verwendet werden kann.A disadvantage of these aforementioned solutions is that only one charging voltage can be used to charge the battery at a time.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte, insbesondere an Ladungsquellen anpassungsfähigere, Schnellladevorrichtung für ein Elektrofahrzeug anzugeben.It is an object of the present invention to provide an improved fast charging device for an electric vehicle, in particular a charge device that is more adaptable to charge sources.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung eine Ladevorrichtung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Bei der Ladevorrichtung handelt es sich insbesondere um eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines mit einem elektrischen Antriebsmotor ausgebildetem Kraftfahrzeugs, mit einer Induktivität, und einem Antriebsumrichter, der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie für den elektrischen Antriebsmotor wandelt, wobei die Induktivität zusammen mit dem Antriebsumrichter für einen Ladebetrieb der Batterie als Hochsetzsteller dient. Dabei ist zusätzlich eine Schalteinheit vorgesehen, die ausgebildet ist, eine Ladungsquelle direkt oder über den Hochsetzsteller mit der Batterie zu verschalten.To achieve this object, the present invention provides a charging device according to claim 1. The charging device is, in particular, a charging device for charging a battery of a motor vehicle designed with an electric drive motor, with an inductor, and a drive converter which converts the DC voltage of the battery for the electric drive motor when the motor vehicle is being driven, the inductance together with the drive converter serves as a step-up converter for charging the battery. In this case, a switching unit is additionally provided which is designed to connect a charge source to the battery directly or via the step-up converter.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dargestellt. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Ladevorrichtung ohne Weiteres an die Ladungsquelle angeschlossen werden kann. Dabei passt sich die Ladevorrichtung an die Eigenschaften der Ladungsquelle an und ermöglicht, ohne zusätzliche Einstellungen, ein effektives Aufladen der Fahrzeugbatterie. So kann die Ladungsquelle eine gegenüber der Fahrzeugbatterie geringere oder gleiche hohe Spannung bereitstellen, die mittels der Schalteinheit derart mit der Ladevorrichtung und schlussendlich mit der Fahrzeugbatterie verschaltet wird, dass die Fahrzeugbatterie aufgeladen werden kann.Advantageous developments of the invention are shown in the subclaims. This has the advantage that the charging device can be easily connected to the charge source. The charging device adapts to the properties of the charge source and enables the vehicle battery to be charged effectively without additional settings. The charge source can thus provide a lower or the same high voltage as the vehicle battery, which is connected to the charging device and ultimately to the vehicle battery by means of the switching unit in such a way that the vehicle battery can be charged.

Vorzugsweise ist die Schalteinheit derart ausgebildet, eine angeschlossene Ladungsquelle zu identifizieren. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Schalteinheit vorab die Spannung der Ladungsquelle misst und/oder bestimmten Daten von der Ladungsquelle, z.B. kabelgebunden und/oder drahtlos, herausliest. Sobald die Ladungsquelle identifiziert wurde, wird abhängig von der Identifizierung die Ladungsquelle mit der Batterie z.B. direkt, über den Hochsetzsteller oder einen Tiefsetzsteller der Ladungsvorrichtung verschaltet. Dadurch ist die Ladevorrichtung in der Lage, die angeschlossene Ladungsquelle selbstständig und ohne Fremdsteuerung zu identifizieren und mit der Fahrzeugbatterie zu verschalten/verbinden. Alternativ oder zusätzlich kann die Schalteinheit Daten empfangen, z.B. von der Ladungsquelle, die die Ladungsquelle identifiziert und/oder die Schalteinheit steuert, um die Ladungsquelle mit der Fahrzeugbatterie entsprechend zu verschalten.The switching unit is preferably designed to identify a connected charge source. This can be done by the switching unit measuring the voltage of the charge source in advance and / or certain data from the charge source, e.g. wired and / or wireless, reads out. Once the charge source has been identified, depending on the identification, the charge source with the battery is e.g. directly, via the step-up converter or a step-down converter of the charging device. As a result, the charging device is able to identify the connected charge source independently and without external control and to connect / connect it to the vehicle battery. Alternatively or additionally, the switching unit can receive data, e.g. from the charge source, which identifies the charge source and / or controls the switching unit in order to connect the charge source to the vehicle battery accordingly.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Antriebsumrichter als 2-Level-Wechselrichter oder als 3-Level-Wechselrichter ausgebildet. Der 3-Level-Wechselrichter kann insbesondere als Neutral Point Clamped (NPC) oder T-shape Neutral Point Clamped (TNPC) Wechselrichter ausgeführt sein.In a further advantageous embodiment, the drive converter is designed as a 2-level inverter or as a 3-level inverter. The 3-level inverter can in particular be designed as a neutral point clamped (NPC) or T-shape neutral point clamped (TNPC) inverter.

Des Weiteren kann der Antriebsumrichter für drei Spannungsphasen ausgelegt sein und zur Versorgung jeder Wicklung des Elektromotors jeweils eine Halbbrücke aufweisen.Furthermore, the drive converter can be designed for three voltage phases and each have a half bridge for supplying each winding of the electric motor.

Vorzugsweise sind zum Laden der Batterie ein bis drei Halbbrücken mit entsprechenden Induktivitäten jeweils als Hochsetzsteller steuer- und verwendbar. Die Hochsetzsteller können einzeln oder gleichzeitig, insbesondere mit oder ohne Phasenversatz verwendet werden. Je mehr Hochsetzsteller insbesondere gleichzeitig betrieben werden, desto höher ist die für die Fahrzeugbatterie zur Verfügung stehende Ladeleistung.For charging the battery, one to three half bridges with corresponding inductances are preferably each controlled and stepped up as step-up converters usable. The step-up converters can be used individually or simultaneously, in particular with or without phase shift. The more step-up converters in particular are operated at the same time, the higher the charging power available for the vehicle battery.

Um die Anzahl der Bauelemente und somit die Kosten für die Ladevorrichtung zu sparen, kann die für einen Hochsetzsteller notwendige Induktivität durch mindestens eine Spulen-/Wellenwicklung des Elektromotors gebildet sein. Bevorzugt sind mehrere Induktivitäten vorgesehen, die mehr bevorzugt alle als Wicklungen zur Erregung des Antriebsmotors in Form von Spulen- oder Wellenwicklung ausgebildet sind.In order to save the number of components and thus the costs for the charging device, the inductance required for a step-up converter can be formed by at least one coil / wave winding of the electric motor. A plurality of inductors are preferably provided, all of which are more preferably designed as windings for exciting the drive motor in the form of coil or shaft windings.

Vorzugsweise kann die Zwischenkreiskapazität des Antriebsumrichters veränderlich ausgebildet sein. Dies kann zum Beispiel durch ein oder mehrere zusätzliche parallel und/oder seriell schaltbare Kapazitäten erfolgen. Diese können Schalter zur An- und Abkopplung im Ladebetrieb aufweisen. Auch kann eine für den Fahrtbetrieb optimierte Zwischenkreiskapazität eingerichtet sein, welche im Ladebetrieb abgekoppelt und durch eine oder mehrere für den Ladebetrieb optimierte Zwischenkreiskapazitäten ersetzt wird, die im Ladebetrieb hinzugeschalten werden. Dadurch kann die Ladevorrichtung z.B. auf einen Ladebetrieb optimiert werden.The intermediate circuit capacitance of the drive converter can preferably be designed to be variable. This can be done, for example, by one or more additional capacitances which can be connected in parallel and / or in series. These can have switches for coupling and decoupling in charging mode. An intermediate circuit capacitance optimized for driving operation can also be set up, which is decoupled in charging operation and replaced by one or more intermediate circuit capacitances optimized for charging operation, which are connected in charging operation. As a result, the charging device can e.g. be optimized for a loading operation.

Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der elektrische Antriebsmotor ausgebildet ist, mindestens ein Fluid wie z.B. Öl und/oder Wasser zur Kühlung zu verwenden und insbesondere an die mindestens eine Spulen-/Wellenwicklung zuzuführen. Dies kann durch Pumpen und/oder durch entsprechend ausgebildete Zu-/Abflussstrukturen, die z.B. schwerkraftgetrieben funktionieren, ermöglicht werden. Zusätzlich kann der Antriebsmotor ausgebildet sein, im Ladebetrieb das mindestens eine Fluid an zusätzlich Stellen bzw. Räume innerhalb bzw. am Motor zuzuführen, um die Kühlwirkung zu verbessern. Sobald der Motor in den Fahrtbetrieb gesetzt wird, kann es vorgesehen sein, das Fluid soweit zu entfernen, dass es nur noch an den Stellen vorliegt, die sich während des Fahrtbetriebes stark erhitzen und/oder Schmierung während der Rotation brauchen. Dadurch können Schleppverluste im Fahrbetrieb minimiert werden. Insofern besteht die Möglichkeit, z.B. Öl nicht nur im gegenüber dem Stator abgedichteten Wickelkopfraum zu führen, sondern auch im Statorinnenraum des Elektromotors, insbesondere in dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor.Furthermore, it has proven to be advantageous if the electric drive motor is designed to have at least one fluid such as e.g. To use oil and / or water for cooling and in particular to supply it to the at least one coil / shaft winding. This can be done by pumps and / or by appropriately trained inflow / outflow structures, e.g. gravity-driven work, are made possible. In addition, the drive motor can be designed to supply the at least one fluid to additional locations or spaces within or on the engine in charging operation in order to improve the cooling effect. As soon as the engine is put into driving mode, it can be provided that the fluid is removed to such an extent that it is only present at those points which become very hot during driving and / or require lubrication during rotation. This means that drag losses during driving can be minimized. In this respect, there is the possibility, e.g. To carry oil not only in the winding head space sealed with respect to the stator, but also in the stator interior of the electric motor, in particular in the air gap between the stator and rotor.

Vorzugsweise weist die Ladevorrichtung, insbesondere der Hochsetzsteller, mindestens ein Kühlsystem mit zwei voneinander unabhängigen Kreisläufen auf, einen Wasserkreislauf für den Antriebsumrichter und einen Ölkreislauf für die Induktivität, insbesondere für eine Spulen-/Wellenwicklung des elektrischen Antriebsmotors. Der Wasserkreislauf kann auch derart ausgebildet sein, neben dem Antriebsumrichter auch den Stator über einen Kühlmantel zu kühlen.The charging device, in particular the step-up converter, preferably has at least one cooling system with two mutually independent circuits, a water circuit for the drive converter and an oil circuit for the inductance, in particular for a coil / shaft winding of the electric drive motor. The water circuit can also be designed to cool the stator in addition to the drive converter via a cooling jacket.

Vorzugsweise weist der Antriebsmotor einen Rotor auf, der während des Ladevorgangs gekühlt wird. Dabei kann es vorgesehen sein, den Rotor von innen und/oder aussen mit einem Kühlfluid zu kühlen. Dabei kann es vorgesehen sein, den Rotor hohl auszubilden und mit einem Kühlfluid zu durchströmen. Weiter ist es denkbar und möglich, den Innenraum des gesamten Antriebsmotors mit Kühlfluid zu fluten. Auch im Falle der Kühlung des Rotors ist es denkbar und möglich, einen Ölkreislauf für die Kühlung zu verwenden, bevorzugt denselben Kreislauf, wie für die Induktivitäten des Motors.The drive motor preferably has a rotor which is cooled during the charging process. It can be provided to cool the rotor from the inside and / or outside with a cooling fluid. It can be provided to make the rotor hollow and flow through it with a cooling fluid. It is also conceivable and possible to flood the interior of the entire drive motor with cooling fluid. Even in the case of cooling the rotor, it is conceivable and possible to use an oil circuit for cooling, preferably the same circuit as for the inductances of the motor.

Des Weiteren ist der Ölkreislauf vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Abwärme der Induktivität und/oder Rotors an einen Fluid- bzw. Ölkreislauf des Antriebsmotors und/oder eines Getriebes abgegeben werden kann. Hierbei dient der Kreislauf des Antriebsmotors und/oder Getriebes zum Schmieren und Kühlen von beweglichen bzw. rotierenden Bauteilen des Antriebsmotors und/oder Getriebes. Hierbei kann es sich insbesondere um die Lagerschmierung des Motors handeln. Ziel der Ölerwärmung ist die Senkung der Öl-Viskosität und somit die Verbesserung der Schmierwirkung und die Senkung der Pumpleistung. Der Kühlkreislauf gibt hierbei seine Abwärme im Normalfall, d.h. während des Fahrbetriebs, über einen Wärmetauscher an den Wasserkreislauf ab. Die Ladevorrichtung kann somit zusätzlich ausgebildet sein, diese Wärmetauscherfunktion gezielt zu unterbinden, damit das Öl schneller seine Zieltemperatur und/oder Viskosität erreicht, und den Wärmetauscher erst dann wieder einzukoppeln.Furthermore, the oil circuit is preferably designed such that the waste heat from the inductor and / or rotor can be released to a fluid or oil circuit of the drive motor and / or a transmission. Here, the circuit of the drive motor and / or gearbox serves to lubricate and cool moving or rotating components of the drive motor and / or gearbox. This can be, in particular, the bearing lubrication of the engine. The goal of oil heating is to lower the oil viscosity and thus to improve the lubricating effect and the pump performance. The cooling circuit normally gives off its waste heat, i.e. during driving, via a heat exchanger to the water circuit. The charging device can thus additionally be designed to specifically prevent this heat exchanger function so that the oil reaches its target temperature and / or viscosity more quickly, and only then to couple the heat exchanger back in again.

Vorzugsweise bildet der Ölkreislauf des Kühlsystems der Ladevorrichtung mindestens ein Teil des Ölkreislaufes des Antriebsmotors und/oder Getriebes oder umgekehrt.The oil circuit of the cooling system of the charging device preferably forms at least part of the oil circuit of the drive motor and / or transmission or vice versa.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Zwischenkreismittelpunkt des Antriebsumrichters z.B. über einen Widerstand mit einer Eingangsspannung der Ladungsquelle und/oder der Induktivität mittels eines Ausgleichsleiters verschalten oder zuschaltbar. Hierbei kann ein Schaltelement ausgebildet sein, den Ausgleichsleiter für den Fahrbetrieb zu unterbrechen und für den Ladebetrieb zu schließen. Somit können Ausgleichsströme über den Ausgleichsleiter fließen, um die Spannung des Zwischenkreismittelpunkts zu halten bzw. zu stabilisieren und die vorbestimmte Funktion des Hochsetzstellers zu gewährleisten. Bei dem Schaltelement kann es sich z.B. um ein Schütz, Relais oder auch Halbleiterschalter handeln.In a further advantageous embodiment, an intermediate circuit center of the drive converter is e.g. Connect or connect via a resistor to an input voltage of the charge source and / or the inductance by means of a compensating conductor. In this case, a switching element can be designed to interrupt the compensating conductor for driving and to close it for charging. Compensating currents can thus flow via the compensating conductor in order to maintain or stabilize the voltage of the intermediate circuit center and to ensure the predetermined function of the step-up converter. The switching element can e.g. act as a contactor, relay or semiconductor switch.

Die Schalteinheit ist bevorzugt in das Gehäuse eines elektrischen Antriebssystems integriert. Bevorzugt sind dabei die Bestandteile der Schalteinheit mit den Bestandteilen des Antriebssystems, insbesondere der Antriebsumrichter, integriert. Dabei werden gemeinsame Bauteile, wie z.B. Stromschienen und z.B. Kühleinrichtungen, nur einmal ausgebildet. Dadurch kann der interne Schaltungsaufwand und auch die Teileanzahl reduziert werden. Die Integration der Schalteinheit bietet weiterhin den Vorteil, dass auch der externe Schaltungsaufwand reduziert werden kann.
Entsprechend ist bevorzugt die Schalteinheit und der Antriebsumrichter bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
The switching unit is preferably integrated in the housing of an electrical drive system. The components of the switching unit are preferably integrated with the components of the drive system, in particular the drive converter. Common components, such as busbars and cooling devices, for example, are formed only once. As a result, the internal circuitry and the number of parts can be reduced. The integration of the switching unit also offers the advantage that the external circuit complexity can also be reduced.
Accordingly, the switching unit and the drive converter are preferably arranged in a common housing.

Die Schalteinheit weist vorzugsweise eine vorgelagerte und/oder nachgelagerte Filtereinheit auf, mit deren Hilfe die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) verbessert werden kann. Derartige Filter können mit Vorteil Drosseln und Kondensatoren aufweisen. Drosseln mit Windungszahl 1 sind dabei zu bevorzugen, da dadurch ein aufwendiges Biegen/Umwickeln von Ringkernen entfällt. Die Ringkerne sind z.B. aus Ferrit, besonders bevorzugt jedoch aus amorphen oder nanokristallinen Materialien gefertigt. Dadurch lassen sich ausreichend hohe Induktivitäten auch bei geringen Windungszahlen der Drosseln erreichen.The switching unit preferably has an upstream and / or downstream filter unit, with the aid of which the electromagnetic compatibility ( EMC ) can be improved. Such filters can advantageously have chokes and capacitors. Chokes with number of turns 1 are to be preferred, as this eliminates the need to bend / wrap toroidal cores. The ring cores are made, for example, of ferrite, but particularly preferably of amorphous or nanocrystalline materials. This enables sufficiently high inductances to be achieved even with small numbers of turns in the chokes.

Weiter bevorzugt umfasst die Schalteinheit und/oder der Antriebsumrichter eine Schaltung zur Leistungsanpassung, um die Ladungsquelle optimal an den Hochsetzsteller in Kombination mit der Batterie anzupassen. Hier kommen ebenfalls Widerstände, Kondensatoren und Spulen zum Einsatz. Dabei ist es sogar denkbar und möglich einstellbare Elemente und steuerbare Schalter vorzusehen, um die Leistungsanpassung jeweils zu optimieren.The switching unit and / or the drive converter further preferably comprises a circuit for adapting the power in order to optimally adapt the charge source to the step-up converter in combination with the battery. Resistors, capacitors and coils are also used here. It is even conceivable and possible to provide adjustable elements and controllable switches in order to optimize the power adjustment in each case.

Zwischen Hochsetzsteller und Batterie kann eine weitere Filtereinheit vorgesehen sein, die eine entsprechende Leistungsanpassung und/oder eine entsprechende Verbesserung der EMV darstellt. Dabei ist es denkbar und möglich nur eine oder mehrere oder alle der Filtereinheiten vorzusehen. Es ist auch denkbar und möglich die Schaltung zur Leistungsanpassung ohne zusätzliche Filtereinheit oder mit ein oder mehreren der oben genannten Filtereinheiten in dem elektrischen Antriebssystem vorzusehen.A further filter unit can be provided between the step-up converter and the battery, which has a corresponding power adjustment and / or a corresponding improvement in EMC represents. It is conceivable and possible to provide only one or more or all of the filter units. It is also conceivable and possible to provide the circuit for power adjustment in the electrical drive system without an additional filter unit or with one or more of the filter units mentioned above.

Weiter betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Ladevorrichtung wie sie oben beschrieben wurde, sowie eine Batterie, sowie einen Ladeanschluss, der auch als Ladedose bezeichnet wird, wobei die Batterie genau einen Stromanschluss zur Verbindung mit einem Stromanschluss für den Antriebsumrichter aufweist, und dass genau ein Anschluss zur Verbindung der Ladedose mit der Schalteinheit vorgesehen ist, wobei die Anschlüsse für den Antriebsumrichter und die Anschlüsse zur Verbindung mit der Ladedose an dem Gehäuse angeordnet sind. Die Ladedose ist ihrerseits vorgesehen zur Herstellung der elektrischen Kontaktierung mit der Ladungsquelle.The invention further relates to a motor vehicle, comprising a charging device as described above, as well as a battery and a charging connection, which is also referred to as a charging socket, the battery having exactly one power connection for connection to a power connection for the drive converter, and that exactly a connection for connecting the charging socket to the switching unit is provided, the connections for the drive converter and the connections for connecting to the charging socket being arranged on the housing. The charging socket is in turn intended to make electrical contact with the charge source.

Auf diese Weise ist eine einfach austauschbare Antriebseinheit oder auch Antriebssystem dargestellt, die mit wenigen elektrischen Verbindungen, beispielsweise Steckkontakten, auskommt. Intern im Gehäuse sind nur kurze Leitungswege ausgebildet, die die Störempfindlichkeit des Systems verringern.In this way, an easily exchangeable drive unit or drive system is shown that manages with a few electrical connections, for example plug contacts. Only short cable paths are formed internally in the housing, which reduce the system's sensitivity to interference.

Die hier vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung bereit.The present invention also provides an electric drive system with a charging device according to the invention.

Das elektrische Antriebssystem ist zum Antrieb eines oder mehrerer Räder ausgebildet. Es kann sich insbesondere um eine elektrische Antriebsachse zum Antrieb zweier drehachsgleicher Räder oder um eine elektrischen Antriebseinheit zum Antrieb genau eines Rades handeln. Das elektrische Antriebssystem umfasst bevorzugt den elektrischen Antriebsmotor und den Antriebsumrichter, die in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind. Es kann auch ein Getriebe umfassen, welches ebenfalls in das gemeinsame Gehäuse integriert ist.The electric drive system is designed to drive one or more wheels. In particular, it can be an electric drive axle for driving two wheels with the same axis of rotation or an electric drive unit for driving exactly one wheel. The electric drive system preferably comprises the electric drive motor and the drive converter, which are integrated in a common housing. It can also include a transmission, which is also integrated in the common housing.

Die nachfolgend beschriebenen Figuren beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung, wobei diese Figuren nicht der Einschränkung, sondern im Wesentlichen der Veranschaulichung der Erfindung dienen.The figures described below relate to preferred exemplary embodiments of the charging device according to the invention, these figures not being used to restrict, but essentially to illustrate the invention.

Es zeigen

  • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 einen Schaltungsplan eines Antriebssystems einer dritten erfindungsgemässen Ausführungsform mit einem 2-Level-Wechselrichter als Antriebsumrichter und mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung in einem ersten Lademodus;
  • 4 einen Schaltungsplan des Antriebssystems gemäß 3 in einem zweiten Lademodus;
  • 5 einen Schaltungsplan eines Antriebssystems einer vierten erfindungsgemässen Ausführungsform mit einem 3-Level-Wechselrichter als Antriebsumrichter gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem zweiten Lademodus;
  • 6a bis 6c einen Schaltungsplan für verschiedene Ausführungsformen von Filtereinheiten; und
  • 7 einen strukturellen Aufbau eines Elektromotors mit angeschlossenen Kühlkreisläufen.
  • 8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung analog zur Ausbildung in 3 und 4.
Show it
  • 1 a schematic representation of a first embodiment of the invention;
  • 2nd is a schematic representation of a second embodiment of the invention;
  • 3rd a circuit diagram of a drive system of a third embodiment according to the invention with a 2-level inverter as a drive converter and with a charging device according to the invention in a first charging mode;
  • 4th a circuit diagram of the drive system according to 3rd in a second charging mode;
  • 5 a circuit diagram of a drive system of a fourth embodiment according to the invention with a 3-level inverter as a drive converter according to a preferred embodiment in a second charging mode;
  • 6a to 6c a circuit diagram for various embodiments of filter units; and
  • 7 a structural design of an electric motor with connected cooling circuits.
  • 8th a further embodiment of the invention analogous to the training in 3rd and 4th .

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebssystems 1 mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung. Das Antriebssystem 1 weist einen Elektromotor 2, einen Antriebsumrichter 3 sowie ein Getriebe 20 auf, die in einem gemeinsamen Gehäuse 13 zusammengefasst sind. 1 shows a schematic representation of a drive system 1 with a loading device according to the invention. The drive system 1 has an electric motor 2nd , a drive converter 3rd as well as a transmission 20th on that in a common housing 13 are summarized.

Eine Fahrzeugbatterie 7 ist über eine Leitung zwischen Batterieanschluss 73,74 und einem ersten Anschluss 131,132 mit der elektrischen Antriebseinheit 2 verbunden und speist im Fahrtmodus den Antriebsumrichter 3 zum Antrieb des Elektromotors 2. Der Elektromotor mit Rotor 201 treibt im Fahrtmodus über ein Getriebe 20 das Rad 22. Im Beispiel ist nur ein Rad 22 dargestellt. Das Antrtiebssystem kann auch für den Antrieb zweier oder mehrerer Räder ausgebildet sein.A vehicle battery 7 is via a line between the battery connection 73 , 74 and a first connection 131 , 132 with the electric drive unit 2nd connected and feeds the drive converter in drive mode 3rd to drive the electric motor 2nd . The electric motor with rotor 201 drives in drive mode via a gearbox 20th the wheel 22 . In the example there is only one wheel 22 shown. The drive system can also be designed to drive two or more wheels.

Eine Ladedose 6, die auch als Ladeanschluss bezeichnet werden kann, kann mit einem Plus- und Minuspol einer Gleichstrom-Ladungsquelle 8, 12 verbunden werden. Die Ladedose 6 ist über Kabel mit einer Schalteinheit 10 verbunden, wobei die Schalteinheit unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines weiter unten ausgeführten Hochsetzstellers 11 mit der Batterie 7 verbindbar ist. Hierzu sind Leiter zwischen Schalteinheit 10 und Batterie mit Batterieanschluss 71,72 sowie Leiter zwischen Schalteinheit 10 und elektrischem Antriebssystem 1 mit Anschluss 133, 134 ausgebildet.A charging socket 6 , which can also be referred to as a charging connector, can have a positive and negative pole of a DC charge source 8th , 12th get connected. The charging socket 6 is via cable with a switching unit 10th connected, the switching unit directly or with the interposition of a step-up converter executed below 11 with the battery 7 is connectable. For this purpose, there are conductors between the switching unit 10th and battery with battery connection 71 , 72 as well as conductors between the switching unit 10th and electric drive system 1 with connection 133 , 134 educated.

Schalteinheit 10 und Ladedose 6 sind dabei als baulich eigenständige Komponenten ausgeführt, die physisch nicht in das elektrische Antriebssystem integriert sind.Switching unit 10th and charging socket 6 are designed as structurally independent components that are not physically integrated in the electrical drive system.

Die Schalteinheit 10 weist drei Schalter S1, S2, S3 auf, welche eine angeschlossene Ladungsquelle 8,12 mit dem Antriebssystem 1 oder der Batterie 7 elektrisch verbinden können.The switching unit 10th has three switches S1 , S2 , S3 on which is a connected charge source 8th , 12th with the drive system 1 or the battery 7 can connect electrically.

In einem ersten Lademodus sind Schalter S1 und S3 geschlossen, so dass eine angeschlossene Ladungsquelle 12 direkt mit der Batterie 7 verbunden ist. Batterie und Ladungsquelle weisen hierbei eine Lade- bzw. Zielspannung von ca. 800V auf.In a first charging mode there are switches S1 and S3 closed so that a connected charge source 12th directly with the battery 7 connected is. The battery and charge source have a charge or target voltage of approx. 800V.

In einem zweiten Lademodus sind Schalter S2 und S3 geschlossen und verbinden die Ladungsquelle 8 mittelbar über das mit Hochsetzstellfunktion ausgestattete Antriebssystem 1 mit der Batterie 7. Ladungsquelle 8 und Batterie weisen unterschiedliche Lade- bzw. Zielspannungen von 400V bzw. 800V auf. Die Ladespannung wird über einen im Antriebssystem befindlichen Hochsetzsteller 11 auf 800V hochgesetzt, wobei der Hochsetzsteller den Antriebsmotor 2 und den Antriebsumrichter 3 mit einer Kapazität umfasst.In a second charging mode there are switches S2 and S3 closed and connect the charge source 8th indirectly via the drive system equipped with step-up function 1 with the battery 7 . Charge source 8th and battery have different charging or target voltages of 400V or 800V. The charging voltage is via a step-up converter located in the drive system 11 raised to 800V, with the step-up converter driving the motor 2nd and the drive converter 3rd with a capacity includes.

Der Elektromotor weist Induktivitäten L1, L2 und L3 in Form von Spulen- und/oder Wellenwicklungen, im Beispiel mit 3 Phasen, auf. Die Induktivitäten L1, L2 und L3 sind in einer Sternschaltung miteinander verschaltet; das heisst, dass die Induktivitäten einen gemeinsamen Knoten-/Sternpunkt haben.The electric motor has inductors L1 , L2 and L3 in the form of coil and / or shaft windings, in the example with 3 phases. The inductors L1 , L2 and L3 are interconnected in a star connection; this means that the inductors have a common node / star point.

Die Phasenabgänge der Wicklungen und der Sternpunkt sind mit dem Inverter verschaltet. Zur Hochsetzstellung wird der Ladestrom über den Sternpunkt des Motors in die Induktivitäten L1, L2, L3 geführt und über Schaltelemente des Antriebsumrichters in Verbindung mit einer Kapazität hochgestellt und fließt über den Anschluss 131, 132 in die Batterie 7.The phase outputs of the windings and the star point are connected to the inverter. The charging current is set to the boost position via the star point of the motor in the inductors L1 , L2 , L3 guided and raised via switching elements of the drive inverter in connection with a capacitance and flows through the connection 131 , 132 into the battery 7 .

Für eine konkrete Umsetzungsmöglichkeit eines derartigen Hochsetzstellers wird auf die Erklärungen in den weiter unten stehenden Ausführungsbeispielen verwiesen.For a concrete possibility of implementing such a step-up converter, reference is made to the explanations in the exemplary embodiments below.

Gemäß 1 sind alle Schalter S1, S2, S3 der Schalteinheit 10 geöffnet und das Antriebssystem 1 für den Fahrtmodus bereit.
Im Fahrtmodus wird der Antriebsumrichter 3 angesteuert, um den Rotor 201 des Elektromotors 2 in Rotation zu versetzen. Über ein Getriebe 20 wird ein Antriebsrad 22 eines Kraftfahrzeugs angetrieben.
According to 1 are all switches S1 , S2 , S3 the switching unit 10th opened and the drive system 1 ready for driving mode.
The drive converter is in drive mode 3rd driven to the rotor 201 of the electric motor 2nd to rotate. Via a transmission 20th becomes a drive wheel 22 of a motor vehicle driven.

2 zeigt eine schematische Darstellung des Antriebssystems 1 aus 1 mit vergleichbaren Bauelementen in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall befindet sich das Antriebssystem im Fahrtmodus und die Schalter S1, S2, S3 sind entsprechend geöffnet. Im Unterschied zur Ausführung entsprechend der 1 sind die Schalteinheit 10, der Antriebsumrichter 3 und der Elektromotor 2 in einem gemeinsamen Gehäuse 13' angeordnet. 2nd shows a schematic representation of the drive system 1 out 1 with comparable components in a second embodiment of the invention. In this case, the drive system is in drive mode and the switches S1 , S2 , S3 are open accordingly. In contrast to the execution according to the 1 are the switching unit 10th , the drive converter 3rd and the electric motor 2nd in a common housing 13 ' arranged.

Das Antriebssystem 1 umfasst zwei elektrische Kontaktverbindungen 101, 102 zur elektrischen Kontaktierung einer Ladedose 6 mit der Schalteinheit 10. Weiter umfasst das Antriebssystem 1 zwei elektrische Kontaktverbindungen 301, 302 zur elektrischen Kontaktierung der Batterie 7 (Anschluss 75,76) mit dem Antriebsumrichter 3, sowie die Schalteinheit und den Antriebsumrichter.The drive system 1 includes two electrical contact connections 101 , 102 for electrical contacting of a charging socket 6 with the switching unit 10th . The drive system also includes 1 two electrical contact connections 301 , 302 for electrical contacting of the battery 7 (Connection 75 , 76 ) with the drive inverter 3rd , as well as the switching unit and the drive converter.

Der externe Verschaltungsaufwand V zum Anschluss der Batterie 7, des Antriebssystems 1 und den übrigen elektrischen Gliedern reduziert sich gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus 1 auf nurmehr einen Kabelstrang. Durch die bauliche Integration der Schalteinheit 10 können weiterhin interne Verschaltungsaufwände für Starkstrom und Schwachstrom (u.a. Sensorsignale) verringert werden.The external wiring effort V to connect the battery 7 , the drive system 1 and the other electrical members are reduced compared to the embodiment 1 on just one harness. Due to the structural integration of the switching unit 10th internal wiring efforts for high current and low current (including sensor signals) can be reduced.

Weiterhin kann die Ansteuerung/Logik der Verschalteinheit 10 in die zentrale Ansteuerung/Logik der elektrischen Antriebsachse integriert werden, beispielsweise auf derselben Platine, so dass baulich separate Steuereinheiten entfallen können.Furthermore, the control / logic of the interconnection unit 10th be integrated into the central control / logic of the electrical drive axis, for example on the same board, so that structurally separate control units can be omitted.

3 und 4 zeigen eine schematische Darstellung eines Schaltungsplans eines Antriebssystem 1 in einer dritten Ausführungsform der Erfindung in einem ersten bzw. zweiten Lademodus, die ähnlich zur Ausführungsform der 2 ausgebildet ist. 3rd and 4th show a schematic representation of a circuit diagram of a drive system 1 in a third embodiment of the invention in a first or second charging mode, which is similar to the embodiment of the 2nd is trained.

Das Antriebssystem 1 ist hier als elektrische Antriebsachse mit einem Gehäuse 13" zum Antrieb von Rädern 22 ausgebildet. Es enthält analog vorhergehender Ausführungen eine integrierte Schalteinheit 10, einen Motor 2 mit zu einem Sternpunkt verschalteten Wicklungen, die die Induktivitäten L1, L2, L3 des Hochsetzstellers bilden, und einen Antriebsumrichter 3, der als 2-Level-Wechselrichter ausgebildet ist.The drive system 1 is here as an electric drive axle with a housing 13 " for driving wheels 22 educated. As in the previous versions, it contains an integrated switching unit 10th , an engine 2nd with windings connected to a star point, which are the inductors L1 , L2 , L3 form the step-up converter, and a drive converter 3rd , which is designed as a 2-level inverter.

Der 2-Level-Wechselrichter umfasst eine positive und eine negative Stromschiene, die durch Halbbrücken 4a, 4b, 4c verbunden sind. Die Halbbrücken 4a, 4b, 4c umfassen jeweils zwei Transistoren T1a, T2a T1b, T2b, Tic, T2c und zu jedem Transistor eine entsprechende Freilaufdiode D1a, D2a, D1b, D2b Die, D2c. Weiters ist ein Zwischenkreiskondensator C1 vorgesehen. Als Transistoren können dabei verschiedene Leistungsschalter, beispielsweise Thyristoren oder insbesondere IGBTs eingesetzt werden.The 2-level inverter comprises a positive and a negative busbar, which are connected by half bridges 4a , 4b , 4c are connected. The half bridges 4a , 4b , 4c each include two transistors T1a , T2a T1b , T2b , Tic , T2c and a corresponding freewheeling diode for each transistor D1a , D2a , D1b , D2b The, D2c . There is also an intermediate circuit capacitor C1 intended. Various power switches, for example thyristors or in particular IGBTs, can be used as transistors.

Gemäß 3 ist das elektrische Antriebssystem in einem ersten Lademodus veranschaulicht. Über einen Ladedose 6 ist eine 800 V Gleichspannungsquelle 12 mit dem elektrischen Antriebssystem 1 verbunden. Da die Fahrzeugbatterie 7 eine Spannung von 800 V verwendet, sind die Schalter der Schalteinheit 10 derart geschaltet, dass die Spannungsquelle 12 über die Schalter S1 und S3 direkt an den Polen der Fahrzeugbatterie 7 liegen. Das heißt insbesondere, dass der erste Schalter S1 und der dritte Schalter S3 geschlossen sind und der zweite Schalter S2 offen ist. Entsprechend erfolgt die Aufladung der Batterie direkt von der Gleichspannungsquelle 12. Insbesondere fließt der Ladestrom nicht durch die Motorwicklungen, so dass der Ladewiderstand gering ausfällt.According to 3rd the electric drive system is illustrated in a first charging mode. Via a charging socket 6 is an 800 V DC voltage source 12th with the electric drive system 1 connected. Because the vehicle battery 7 used a voltage of 800 V, are the switches of the switching unit 10th switched such that the voltage source 12th over the switches S1 and S3 directly at the poles of the vehicle battery 7 lie. That means in particular that the first switch S1 and the third switch S3 are closed and the second switch S2 is open. Accordingly, the battery is charged directly from the DC voltage source 12th . In particular, the charging current does not flow through the motor windings, so that the charging resistance is low.

In der Schalteinheit 10 können entsprechende Ladekontrollmechanismen vorgesehen sein, um das Aufladen der Batterie zu steuern.In the switching unit 10th Corresponding charge control mechanisms can be provided to control the charging of the battery.

Weiter ist im Beispiel ein Filter Fa dargestellt, der zwischen dem Ladeanschluss 6 und der Schalteinheit 10 angeordnet ist, der Störsignale ausfiltert und die EMV verbessert. Ein zweiter Filter Fb ist zwischen der Schalteinheit 10 und dem Hochsetzsteller 11 angeordnet ist. Dieser Filter passt entsprechend die Filterung an die elektrischen Eigenschaften des Hochsetzstellers an, um Störsignale auszufiltern. Ob im realen Einsatz einer oder beide Filter tatsächlich eingebaut werden, ist jeweils nach den Anforderungen zu entscheiden.There is also a filter in the example fa shown between the charging port 6 and the switching unit 10th is arranged, which filters out interference signals and EMC improved. A second filter Col is between the switching unit 10th and the boost converter 11 is arranged. This filter adjusts the filtering accordingly to the electrical properties of the step-up converter in order to filter out interference signals. Whether one or both filters are actually installed in real use must be decided according to the requirements.

Die Filtereinheiten können ein- oder mehrstufig ausgebildet sein und können derart ausgestaltet sein, dass gesetzliche Vorschriften in Bezug auf Emission und Immunität erreichet werden können.The filter units can be designed in one or more stages and can be designed in such a way that legal regulations relating to emissions and immunity can be achieved.

Beispiele für die Ausbildung derartiger Filter sind in den 6a, 6b und 6c dargestellt.Examples of the formation of such filters are in the 6a , 6b and 6c shown.

4 zeigt die Anordnung gemäss 3 in einem zweiten Lademodus.
In diesem Fall wird eine Gleichspannungsquelle 8 mit einer niedrigeren Ladespannung, im Beispiel 400V, an das Antriebssystem 1 angeschlossen. Damit die Transformation der niedrigeren Ladespannung auf die für die Ladung der Batterie 7 erforderlichen Ladespannung, im Beispiel 800V, ermöglicht wird, wird der Ladestrom über den geschlossenen Schalter S2 in den als Hochsetzsteller 11, der aus den Wicklungen L1, L2, L3 und den Halbbrücken, sowie dem Kondensator C1 des Antriebsumrichter 3 gebildet ist, geleitet. Dazu muss der Schalter S1 geöffnet sein und der Schalter S3 geschlossen sein.
4th shows the arrangement according to 3rd in a second charging mode.
In this case, a DC voltage source 8th with a lower charging voltage, in the example 400V, to the drive system 1 connected. Thus the transformation of the lower charging voltage to that for charging the battery 7 required charging voltage, in the example 800V, is made possible, the charging current via the closed switch S2 in the as a boost converter 11 out of the windings L1 , L2 , L3 and the half bridges, as well as the capacitor C1 of the drive inverter 3rd is formed, directed. To do this, the switch S1 be open and the switch S3 be closed.

Durch eine entsprechende Ansteuerung der Transistoren T1a bis T2c wird die gewünschte Hochsetzfunktion erzeugt.
Einen Hochsetzsteller im engeren Sinn bilden beispielsweise der periodisch geschaltete Transistor T2a in Verbindung mit den Freilaufdioden Dia und D2a in der Halbbrücke 4a, Induktivität L1 und der Kapazität C1. Der Transistor T1a bleibt für die Hochsetzstellung gesperrt. Entsprechend bilden die anderen Halbbrücken 4b, 4c mit den Induktiväten L2, L3 weitere Hochsetzsteller aus. Die Hochsetzsteller können einzeln oder gemeinsam (z.B. durch Betrieb von nur zwei der drei Hochsetzsteller), phasenversetzt oder phasengleich (z.B. durch zeitlich verschobene Schaltzyklen der Hochsetzsteller) betrieben werden. Sie bilden gemeinsam den Hochsetzsteller 11 aus.
By controlling the transistors accordingly T1a to T2c the desired step-up function is generated.
For example, the periodically switched transistor forms a step-up converter in the narrower sense T2a in connection with the freewheeling diodes slide and D2a in the half bridge 4a , Inductance L1 and capacity C1 . The transistor T1a remains locked for the step-up position. The other half bridges form accordingly 4b , 4c with the inductors L2 , L3 further step-up converters. The step-up converters can be operated individually or together (eg by operating only two of the three step-up converters), out of phase or in phase (eg by switching cycles of the step-up converters shifted in time). Together they form the step-up converter 11 out.

Zur Optimierung der elektronischen Anpassung der elektrischen Ansteuerung in dem Antriebsumrichter 3, der einmal im Fahrtbetrieb den Elektromotor treiben soll und im Ladebetrieb an der Hochsetzstellung mitwirken soll, zu verbessern, kann ein zusätzliches Anpassungsglied Fc vorgesehen sein, wie dies in 8 veranschaulicht ist. In diesem Anpassungsglied sind entsprechend Induktivitäten und/oder Kapazitäten und/oder elektrische Widerstände vorgesehen, die entsprechende elektronische Optimierungen gewährleisten. Damit ist eine Leistungsanpassung darstellbar, wie dies oben ausgeführt ist. Weiter ist in 8 ein Filterelement Fd gezeigt, dass eine Anpassung des Ausgangs des Hochsetzstellers 11 oder eine Anpassung des Ladeanschlusses 301, 302 an die Batterie 7 ermöglicht.To optimize the electronic adaptation of the electrical control in the drive converter 3rd , which is intended to drive the electric motor once while driving and to cooperate in the step-up position in charging operation, an additional adaptation element Fc can be provided, as is shown in FIG 8th is illustrated. In this adapter, inductors and / or capacitances and / or electrical resistances are provided which ensure corresponding electronic optimizations. A power adjustment can thus be represented, as stated above. Next is in 8th a filter element Fd shown that an adjustment of the output of the step-up converter 11 or an adjustment of the charging port 301 , 302 to the battery 7 enables.

5 zeigt einen Schaltungsplan eines elektrischen Antriebssystems 1, das ähnlich zur Ausführungsform der 3,4 ausgebildet ist. Entsprechend werden Bauteile mit vergleichbaren Funktionen mit gleichen Bezugszeichen benannt. 5 shows a circuit diagram of an electric drive system 1 which is similar to the embodiment of the 3rd , 4th is trained. Accordingly, components with comparable functions are given the same reference numerals.

Im Gegensatz zum Antriebssystem 1 aus 3,4, ist der Antriebsumrichter 3 in 5 als drei 3-Level-Welchselrichter ausgebildet.In contrast to the drive system 1 out 3rd , 4th , is the drive inverter 3rd in 5 trained as three 3-level inverters.

Der 3-Level-Wechselrichter ist hier als ein dem Fachmann geläufiger NPC-Umrichter (neutral-point-clamped) ausgeführt. Es könnten grundsätzlich auch andere Typen von 3-Level-Umrichtern verwendet werden.The 3-level inverter is designed here as an NPC converter (neutral-point-clamped) familiar to the person skilled in the art. In principle, other types of 3-level converters could also be used.

Der 3-Level-Wechselrichter umfasst eine positive und eine negative Stromschiene, die 3 durch Halbbrücken 41a, 41b, 41c verbunden sind. Die Halbbrücken 41a, 41b, 41c umfassen jeweils vier in Serie geschaltete Transistoren T1a bis T4c mit entsprechenden Freilaufdioden Dia bis D4c. Sie weisen weiterhin jeweils zwei Zwischendioden D5a bis D6c auf, die mit einem Zwischenkreismittelpunkt 5 des Antriebsumrichters 3 verbunden sind. Der Zwischenkreismittelpunkt 5 liegt zwischen den beiden Zwischenkreiskapazitäten C1 und C2, die parallel zu den drei Halbbrücken 4a, 4b und 4c angeordnet sind.The 3-level inverter comprises a positive and a negative busbar, the 3 by half bridges 41a , 41b , 41c are connected. The half bridges 41a , 41b , 41c each comprise four transistors connected in series T1a to T4c with appropriate freewheeling diodes slide to D4c . They also have two intermediate diodes D5a to D6c on that with a DC link center 5 of the drive inverter 3rd are connected. The DC link center 5 lies between the two DC link capacities C1 and C2 that are parallel to the three half bridges 4a , 4b and 4c are arranged.

Um im Ladebetrieb eine Überspannung des Kondensators C2 bzw. eine Überschreitung der zulässigen Durchspruchspannung der Dioden zu verhindern, ist der Zwischenkreismittelpunkt über einen Ausgleichsleiter 9 mit dem Sternpunkt der Motorwicklung eine schaltbare Verbindung vorgesehen. Es kann ein Schalter S4 vorgesehen sein, welcher den Ausgleichsleiter für den Fahrtbetrieb auftrennt, um unnötige Ausgleichsströme, z.B. aufgrund von Spannungsschwankungen des Sternpunktes, zu vermeiden. Zusätzlich ist ein Widerstand R1, insbesondere ein PTC-Widerstand (positive temperature coefficient) zu Entkopplungszwecken im Ausgleichsleiter angeordnet. Es kann auch eine zusätzliche Induktivität im Ausgleichsleiter vorgesehen sein.To over-voltage the capacitor during charging C2 or to prevent the permissible breakdown voltage of the diodes from being exceeded, the intermediate circuit center is via a compensating conductor 9 a switchable connection is provided with the star point of the motor winding. It can be a switch S4 be provided, which separates the compensating conductor for driving, in order to avoid unnecessary compensating currents, for example due to voltage fluctuations in the star point. In addition there is a resistance R1 , in particular a PTC resistor (positive temperature coefficient) arranged for decoupling purposes in the compensating conductor. An additional inductance can also be provided in the compensating conductor.

6a-c zeigen beispielhafte Filterstrukturen für die Filter Fa , Fb und Fd. 6a-c show exemplary filter structures for the filters fa , Col and Fd .

6a zeigt einen Filter F1 mit einem LC-LC-Glied. 6b zeigt eine Filtereinheit F2 mit parallel geschaltetem R- und C-Glied. 6c zeigt eine Filtereinheit F3, insbesondere eine bevorzugte Ausprägung der Filtereinheit Fa. Diese weist zwei mal zwei Ringkerne (mit L bezeichnet) auf. Um ein Biegen/Umwickeln der Ringkerne mit den Leitern/Stromschienen zu vermeiden, sind die Stromschienenpaare einfach durch die Ringkerne durchgeführt. Jeweils zusammen mit den geerdeten Kondensatoren bzw. dem nicht geerdeten Kondensator bilden die Drosseln eine mehrstufige Schaltung mit common mode und differential mode-Eigenschaften aus, die eine einfache und kostengünstige Filtereinheit darstellt. Bestandteil ist weiterhin eine passive Entladeschaltung, hier bestehend aus vier Widerständen R. 6a shows a filter F1 with an LC-LC element. 6b shows a filter unit F2 with parallel connected R and C element. 6c shows a filter unit F3 , in particular a preferred form of the filter unit fa . This has two times two ring cores (with L referred to). In order to avoid bending / wrapping the ring cores with the conductors / busbars, the busbar pairs are simply passed through the ring cores. In each case together with the grounded capacitors or the ungrounded capacitor, the chokes form a multi-stage circuit with common mode and differential mode properties, which represents a simple and inexpensive filter unit. It also includes a passive discharge circuit, consisting of four resistors R .

7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kühlsystems, welches zur Kühlung einer erfindungsgemäßen Ladeevorrichtung Einsatz findet. Dargestellt ist ein Längsschnitt durch einen Elektromotor 50 mit einem angeschlossenen Ölkreislauf 40 (insbesondere zur Kühlung/Schmierung des Elektromotors und eines Getriebes 20) und einem angeschlossenen Wasserkreislauf 42 (insbesondere zur Kühlung des Elektromotors 50 und eines Antriebsumrichters 26). Der Elektromotor 50 kann als Teil eines Antriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung (z.B. gemäß 1) verwendet werden. Der Motor 50 weist einen Rotor 30 auf, dessen Welle mittels Lagereinrichtungen 32 drehbar gelagert ist. Diese Lagereinrichtungen 32 werden durch den Ölkreislauf 40 geschmiert. Der Rotor ist als Hohlwelle ausgeführt und ist zur Kühlung an den Ölkreislauf 40 angeschlossen. Neben dem Rotor 30 und den Lagereinrichtungen 32 sind die Wicklungen 36 zur Magnetfelderzeugung vorhanden und in einem Motorgehäuse 34 untergebracht. Zur Kühlung des Motors 50 ist auf dem Motorgehäuse 34 ein Statormantel 28 angeordnet, der durch den Wasserkreislauf 42 mit Wasser versorgt wird und dadurch den Motor 50 kühlt. Der Ölkreislauf 40 weist eine Pumpe 48 und einen mit dem Wasserkreislauf 42 verbundenen Wärmetauscher 38 auf, der bei Bedarf deaktiviert werden kannDer Ölkreislauf ist z.B. ein innerhalb einer Antriebseinheit befindlicher Ölkreislauf. Der Wasserkreislauf 42 weist eine eigene Pumpe 24 und zusätzlich einen Radiator/Wärmetauscher 44 auf, um die Wassertemperatur zu reduzieren. Der Wasserkreislauf 42 dient zum Kühlen des Antriebsumrichters 26 (auch als Antriebsumrichter 3 aus 1 beschrieben) und des Statormantels 28. Bei dem Wasserkreislauf kann es sich um ein fahrzeugseitiges Kühlsystem handeln, welches nicht vollständig in der Antriebseinheit/Antriebssystem befindlich ist. 7 shows an embodiment of a cooling system, which is used for cooling a charging device according to the invention. A longitudinal section through an electric motor is shown 50 with a connected oil circuit 40 (especially for cooling / lubricating the electric motor and a gearbox 20th ) and a connected water circuit 42 (especially for cooling the electric motor 50 and a drive converter 26 ). The electric motor 50 can be part of a drive system according to the present invention (e.g. according to 1 ) be used. The motor 50 has a rotor 30th on whose shaft by means of storage facilities 32 is rotatably mounted. These storage facilities 32 are through the oil circuit 40 lubricated. The rotor is designed as a hollow shaft and is used to cool the oil circuit 40 connected. Next to the rotor 30th and the storage facilities 32 are the windings 36 for magnetic field generation and in a motor housing 34 housed. For cooling the engine 50 is on the motor housing 34 a stator jacket 28 arranged by the water cycle 42 is supplied with water and thereby the engine 50 cools. The oil circuit 40 assigns a pump 48 and one with the water cycle 42 connected heat exchanger 38 The oil circuit is, for example, an oil circuit located within a drive unit. The water cycle 42 has its own pump 24th and also a radiator / heat exchanger 44 to reduce the water temperature. The water cycle 42 is used to cool the drive inverter 26 (also as a drive converter 3rd out 1 described) and the stator sheath 28 . The water cycle can be a vehicle-side cooling system which is not completely located in the drive unit / drive system.

Im Ladebetrieb wird über die Durchströmung der Rotorhohlwelle mit Öl oder anderen Fluiden die im Rotor entstehende Wärme abgeführt, so dass die Ladeleistung erhöht werden kann. Weiterhin wird der Motorinnenraum geflutet, so dass Öl in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator eindringt und das Rotorblechpaket zusätzlich von außen gekühlt wird. Gleichzeitig bewirkt die Flutung auch eine effektive Kühlung der Statorwicklung. Das Öl zirkuliert während des Ladevorgangs.In charging operation, the heat generated in the rotor is dissipated by the flow of oil or other fluids through the hollow rotor shaft, so that the charging capacity can be increased. Furthermore, the motor interior is flooded so that oil penetrates the air gap between the rotor and stator and the rotor core is additionally cooled from the outside. At the same time, the flooding also effectively cools the stator winding. The oil circulates during the charging process.

Der Wasserfluss zum Statormantel 28 kann während des Ladebetriebs unterbunden werden, um eine Wärmeabfuhr aus dem Ölkreislauf zu unterbinden bzw. zu verringen, um so das Öl schneller zu erwärmen.
Auch ein Wasserfluss zum Wärmetauscher 38, der in diesem Beispiel in Serie zum Wasserfluss durch den Statormantel 28 geschaltet ist, kann aus analogen Gründen unterbunden werden. So kanndas Fahrzeug bzw. dessen Antriebssystem durch eine vorteilhafte Öltemperatur für den Fahrbetrieb vorbereitet werden.
The water flow to the stator jacket 28 can be prevented during charging in order to prevent or reduce heat dissipation from the oil circuit in order to heat the oil more quickly.
Also a water flow to the heat exchanger 38 , which in this example is in series with the water flow through the stator jacket 28 can be prevented for analog reasons. The vehicle or its drive system can thus be prepared for driving by an advantageous oil temperature.

BezugszeichenlisteReference list

Elektrisches AntriebssystemElectric drive system
22nd
Elektromotor / elektrischer AntriebsmotorElectric motor / electric drive motor
33rd
AntriebsumrichterDrive converter
4a,b,c4a, b, c
HalbbrückenHalf bridges
55
ZwischenkreismittelpunktDC link center
66
Ladedose/LadeanschlussCharging socket / charging connection
77
Fahrzeugbatterie/TraktionsbatterieVehicle battery / traction battery
88th
Ladequelle bzw. Ladesäule 400V DC Charging source or charging station 400V DC
99
AusgleichsleiterCompensating ladder
1010th
SchalteinheitSwitching unit
1111
HochsetzstellerBoost converter
1212th
Ladequelle bzw. Ladesäule 800V DC Charging source or charging station 800V DC
1313
Gehäuse der elektrischen AntriebseinheitElectric drive unit housing
13'13 '
Gehäuse der elektrischen AntriebseinheitElectric drive unit housing
13"13 "
Gehäuse der elektrischen AntriebseinheitElectric drive unit housing
2020th
Getriebetransmission
2222
FahrzeugradVehicle wheel
2424th
Wasserpumpewater pump
2626
AntriebsumrichterDrive converter
2828
StatormantelStator jacket
3030th
Rotorrotor
3232
Lagereinrichtung für RotorStorage facility for rotor
3434
MotorgehäuseMotor housing
3636
Wicklungen bzw. Wickelkopf des MotorsWindings or winding head of the motor
3838
Wärmetauscher zwischen Ölkreislauf und WasserkreislaufHeat exchanger between the oil circuit and water circuit
4040
ÖlkreislaufOil circuit
41a,b,c41a, b, c
HalbbrückenHalf bridges
4242
WasserkreislaufWater cycle
4444
Radiator/Wärmetauscher für WasserkreislaufRadiator / heat exchanger for water cycle
4646
Abschaltbarer Zufluss zum StatormantelSwitchable inflow to the stator jacket
4848
ÖlpumpeOil pump
5050
ElektromotorElectric motor
71,7271.72
Ladeanschluss der BatterieCharging connection of the battery
73,7473.74
Lade- und Speiseanschluss der BatterieCharging and supply connection of the battery
75,7675.76
Lade/Speiseanschluss der BatterieCharging / supply connection of the battery
101, 102101, 102
Ladeanschluss der elektrischen AntriebseinheitElectric drive unit charging connector
131,132131.132
Speiseanschluss der elektrischen AntriebseinheitPower connection of the electric drive unit
133,134133.134
Ladeanschluss der elektrischen AntriebseinheitElectric drive unit charging connector
301, 302301, 302
Lade/Speiseanschluss der elektrischen AntriebseinheitCharging / supply connection of the electric drive unit
L1,L2,L3L1, L2, L3
Induktivitäten/MotorwicklungenInductors / motor windings
C1C1
Erster KondensatorFirst capacitor
C2C2
Zweiter KondensatorSecond capacitor
T_ijT_ij
Transistortransistor
D_ijD_ij
Diodediode
R1R1
EntkopplungswiderstandDecoupling resistance
S1-3S1-3
Schalter der Schalteinheit 10 Switch unit switch 10th
S4S4
LadeschalterCharging switch
VV
(externer) Verschaltungsaufwand(external) interconnection effort

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (17)

Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie (7) eines mit einem elektrischen Antriebsmotor (2) ausgebildetem Kraftfahrzeugs, mit - einer Induktivität, - einem Antriebsumrichter (3), der im Antriebsbetrieb des Kraftfahrzeugs die Gleichspannung der Batterie (7) für den elektrischen Antriebsmotor (2) wandelt, wobei die Induktivität zusammen mit dem Antriebsumrichter (3) für einen Ladebetrieb der Batterie (7) als Hochsetzsteller dient, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schalteinheit (10) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, eine Ladungsquelle (8; 12) direkt oder über den Hochsetzsteller mit der Batterie (7) zu verschalten.Charging device for charging a battery (7) of a motor vehicle designed with an electric drive motor (2), with - an inductor, - a drive converter (3) which, when the motor vehicle is in operation, the DC voltage of the battery (7) for the electric drive motor (2) converts, the inductance together with the drive converter (3) for charging operation of the battery (7) serves as a step-up converter, characterized in that a switching unit (10) is provided which is designed to charge or charge a charge source (8; 12) to interconnect the step-up converter with the battery (7). Ladevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (10) ausgebildet ist, eine Ladungsquelle (8; 12) und deren Spannung zu detektieren und zu messen und abhängig davon mit der Batterie (7) direkt oder über den Hochsetzsteller zu verschalten.Loading device after Claim 1 , characterized in that the switching unit (10) is designed to detect and measure a charge source (8; 12) and its voltage and, depending on this, to be connected directly to the battery (7) or via the step-up converter. Ladevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsumrichter (3) als 2-Level-Wechselrichter oder als 3-Level-Wechselrichter ausgebildet ist, wobei der 3-Level-Wechselrichter insbesondere in Form eines NPC- oder TNPC-Wechselrichters ausgeführt ist.Loading device after Claim 1 or 2nd , characterized in that the drive converter (3) is designed as a 2-level inverter or as a 3-level inverter, the 3-level inverter being in particular in the form of an NPC or TNPC inverter. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsumrichter (3) für drei Spannungsphasen jeweils eine Halbbrücke (4a; 4b; 4c) aufweist, die jeweils mit einer der drei Spulenwicklungen (L1; L2; L3) des elektrischen Antriebsmotors (2) verbunden ist.Loading device according to one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that the drive converter (3) for three voltage phases each has a half bridge (4a; 4b; 4c), which is each connected to one of the three coil windings (L1; L2; L3) of the electric drive motor (2). Ladevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Laden der Batterie ein bis drei Halbbrücken (4a; 4b; 4c) für den Hochsetzsteller steuer- und verwendbar sind.Loading device after Claim 4 , characterized in that one to three half bridges (4a; 4b; 4c) for the step-up converter can be controlled and used to charge the battery. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (L1) durch mindestens eine Spulen-/Wellenwicklung des elektrischen Antriebsmotors (2) gebildet ist.Loading device according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the inductance (L1) is formed by at least one coil / shaft winding of the electric drive motor (2). Ladevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antriebsmotor (2) derart ausgebildet ist, dass während des Ladevorgangs an die mindestens eine Spulen-/Wellenwicklung zur Kühlung Öl gepumpt werden kann.Loading device after Claim 6 , characterized in that the electric drive motor (2) is designed such that oil can be pumped to the at least one coil / shaft winding for cooling during the charging process. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (2) einen Rotor aufweist, der während des Ladevorgangs gekühlt wird.Loading device according to one of the preceding claims, characterized in that the drive motor (2) has a rotor which is cooled during the charging process. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsetzsteller mindestens ein Kühlsystem mit zwei voneinander unabhängigen Kreisläufen aufweist.Loading device according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the step-up converter has at least one cooling system with two independent circuits. Ladevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölkreislauf ausgebildet ist, die Abwärme der Induktivität an einen Ölkreislauf des Antriebsmotors und/oder eines Getriebes abzugeben, wobei der Ölkreislauf des Antriebsmotors und/oder Getriebes zum Schmieren von beweglichen bzw. rotierenden Bauteilen des Antriebsmotors und/oder Getriebes dient.Loading device after Claim 9 , characterized in that the oil circuit is designed to deliver the waste heat of the inductance to an oil circuit of the drive motor and / or a transmission, the oil circuit of the drive motor and / or transmission being used to lubricate moving or rotating components of the drive motor and / or transmission . Ladevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölkreislauf des Kühlsystems mindestens einen Teil des Ölkreislaufs des Antriebsmotors und/oder Getriebes bildet oder umgekehrt.Loading device after Claim 10 , characterized in that the oil circuit of the cooling system forms at least part of the oil circuit of the drive motor and / or transmission or vice versa. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenkreismittelpunkt (5) des Antriebsumrichters über einen Widerstand (R1) mit einer Eingangsspannung der Ladungsquelle (8) und/oder der Induktivität (L1) mittels eines Ausgleichsleiters (9) verschalten und/oder verschaltbar ist.Loading device according to one of the Claims 1 to 11 , characterized in that an intermediate circuit center point (5) of the drive converter is connected and / or interconnectable via a resistor (R1) to an input voltage of the charge source (8) and / or the inductance (L1) by means of a compensating conductor (9). Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenkreiskapazität des Inverters für den Ladebetrieb veränderlich ausgestaltet ist.Loading device according to one of the Claims 1 to 12th , characterized in that an intermediate circuit capacitance of the inverter is designed to be variable for the charging operation. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (10) und der Antriebsumrichter (3) in einem gemeinsamen Gehäuse (13) angeordnet sind.Charging device according to one of the preceding claims, characterized in that the switching unit (10) and the drive converter (3) are arranged in a common housing (13). Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (10), der Antriebsumrichter (3) und der Antriebsmotor (2) in einem gemeinsamen Gehäuse (13) angeordnet sind.Charging device according to one of the preceding claims, characterized in that the switching unit (10), the drive converter (3) and the drive motor (2) are arranged in a common housing (13). Kraftfahrzeug, umfassend eine Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 14 oder 15, eine Batterie (7), sowie eine Ladedose (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (7) genau einen Stromanschluss (75, 76) zur Verbindung mit einem Stromanschluss (301, 302) für den Antriebsumrichter (3) aufweist, dass genau ein Anschluss (101, 102) zur elektrischen Verbindung der Ladedose (6) mit der Schalteinheit (10) vorgesehen ist, wobei die Anschlüsse (301, 302) für den Antriebsumrichter (3) und die Anschlüsse (101, 102) zur elektrischen Verbindung mit der Ladedose (6) an dem Gehäuse (13', 13") angeordnet sind.Motor vehicle, comprising a charging device according to one of the preceding claims, in particular according to Claim 14 or 15 , a battery (7) and a charging socket (6), characterized in that the battery (7) has exactly one power connection (75, 76) for connection to a power connection (301, 302) for the drive converter (3) Exactly one connection (101, 102) is provided for the electrical connection of the charging socket (6) to the switching unit (10), the connections (301, 302) for the drive converter (3) and the connections (101, 102) for the electrical connection with the charging socket (6) on the housing (13 ', 13 ") are arranged. Elektrisches Antriebssystem (1) mit einer Ladevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 16. Electric drive system (1) with a charging device according to one of the preceding Claims 1 to 16 .
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