WO2012019665A2 - Motor vehicle drive system having a charging device - Google Patents

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Axel Willikens
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Wolfgang Wondrak
Steffen Hahlbeck
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Daimler Ag
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Abstract

The invention is based on a motor vehicle drive system having a charging device (10a; 10b) which is provided for charging an accumulator device (11a; 11b) by means of an external power network and which has at least one multi-phase rectifier circuit (12a; 12b) which is provided for converting an alternating voltage of the external power network into a direct voltage, and having an electric drive machine (13a; 13b) which has at least two motor coils (15a, 16a, 17a; 15b, 16b, 17b) which are combined at a star point (14a; 14b). It is proposed that the rectifier circuit (12a; 12b) be electrically connected to the star point (14a; 14b) of the drive machine (13a; 13b) in at least one operating mode.

Description

Daimler AG  Daimler AG
Kraftfahrzeugantriebssystem mit einer Ladevorrichtung Motor vehicle drive system with a charging device
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugantriebssystem mit einer Ladevorrichtung zum Laden einer Akkuvorrichtung mittels eines externen Stromnetzes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a motor vehicle drive system with a charging device for charging a rechargeable battery device by means of an external power supply according to the preamble of claim 1.
Aus der US 5,341 ,075 ist bereits ein Kraftfahrzeugantriebssystem mit einer Ladevorrichtung, die zum Laden einer Akkuvorrichtung mittels eines externen Stromnetzes vorgesehen ist und die wenigstens eine mehrphasige Gleichrichtschaltung aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine Wechselspannung des externen Stromnetzes in eine Gleichspannung umzuwandeln, und mit einer elektrischen Antriebsmaschine, die wenigstens zwei an einem Sternpunkt zusammengeführte Motorspulen aufweist, bekannt. From US 5,341,075 is already a motor vehicle drive system with a charging device which is provided for charging a battery device by means of an external power network and which has at least one multi-phase rectifier circuit, which is intended to convert an AC voltage of the external power network into a DC voltage, and with an electric drive machine having at least two converged at a neutral point motor coils known.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen Momentenaufbau an der Antriebsmaschine insbesondere in einem Ladebetriebsmodus zu verhindern. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. The invention is in particular the object of preventing torque build-up on the prime mover, in particular in a loading mode of operation. It is achieved according to the invention by the features of claim 1. Further embodiments emerge from the subclaims.
Die Erfindung geht aus von einem Kraftfahrzeugantriebssystem mit einer Ladevorrichtung, die zum Laden einer Akkuvorrichtung mittels eines externen Stromnetzes vorgesehen ist und die wenigstens eine mehrphasige Gleichrichtschaltung aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine Wechselspannung des externen Stromnetzes in eine Gleichspannung umzuwandeln, und mit einer elektrischen Antriebsmaschine, die wenigstens zwei an einem Sternpunkt zusammengeführte Motorspulen aufweist. The invention relates to a motor vehicle drive system with a charging device which is provided for charging a battery device by means of an external power network and which has at least one multi-phase rectification circuit, which is intended to convert an AC voltage of the external power network into a DC voltage, and with an electric drive machine comprising at least two motor coils connected together at a neutral point.
Es wird vorgeschlagen, dass die Gleichrichtschaltung in wenigstens einem Betriebsmodus elektrisch an den Sternpunkt der Antriebsmaschine angebunden ist. Dadurch kann ein Ladestrom, den die Ladevorrichtung zum Laden der Akkuvorrichtung bereitstellt, gleichmäßig auf die Spulenwicklungen der Antriebsmaschine verteilt werden, wodurch ein Antriebssystem mit einer Ladevorrichtung bereitgestellt werden kann, die einen Momentenaufbau an der Antriebsmaschine insbesondere in einem Ladebetriebsmodus verhindert. Unter einem„externen Stromnetz" soll dabei insbesondere ein von dem Antriebssystem unabhängiges Stromnetz, wie insbesondere ein öffentliches Versorgungsnetz, verstanden werden. Unter einer„mehrphasigen Gleichrichtschaltung" soll insbesondere eine Gleichrichtschaltung verstanden werden, die wenigstens zwei, vorzugsweise drei Phasen aufweist. Unter einem„Sternpunkt einer Antriebsmaschine" soll insbesondere ein elektrischer Punkt verstanden werden, in Bezug auf den die drei Motorspulen elektrisch im Wesentlichen symmetrisch angeordnet sind. Unter„elektrisch angebunden" soll dabei insbesondere verstanden werden, dass wenigstens ein Teil eines Leistungsflusses zumindest in einem Ladebetriebsmodus über den Sternpunkt in die Antriebsmaschine eingeleitet wird. Vorzugsweise ist dabei wenigstens ein Teil der Gleichrichtschaltung im Wesentlichen widerstandsfrei mit dem Sternpunkt verbunden. Unter„im Wesentlichen widerstandsfrei" soll dabei insbesondere verstanden werden, dass ein Widerstand des elektrischen Leiters vernachlässigt werden soll. Vorzugsweise ist die Gleichrichtschaltung schaltbar mit dem Sternpunkt verbunden, d.h. in wenigstens einem Betriebsmodus elektrisch von dem Sternpunkt entkoppelbar. Unter„vorgesehen" soll insbesondere speziell programmiert, ausgestattet und/oder ausgelegt verstanden werden. It is proposed that the rectification circuit is electrically connected in at least one operating mode to the star point of the drive machine. Thereby, a charging current, which provides the charging device for charging the battery device, are distributed evenly on the coil windings of the engine, whereby a Drive system can be provided with a charging device, which prevents a torque build-up on the prime mover, in particular in a loading mode of operation. An "external power network" should be understood to mean, in particular, a power grid independent of the drive system, in particular a public power grid. "A" multiphase rectification circuit "is to be understood in particular to mean a rectifier circuit having at least two, preferably three phases. A "neutral point of a prime mover" should be understood to mean, in particular, an electrical point with respect to which the three motor coils are arranged substantially symmetrically, "electrically connected" being understood to mean that at least part of a power flow is at least in a charging operating mode is introduced via the neutral point in the prime mover. Preferably, at least part of the rectification circuit is connected to the neutral point essentially without resistance. The term "substantially resistance-free" is to be understood in particular as meaning that a resistance of the electrical conductor is negligibly connected to the star point, ie, electrically decoupled from the neutral point in at least one operating mode programmed, equipped and / or designed to be understood.
Vorzugsweise weist die Ladevorrichtung wenigstens einen Leiter auf, der elektrisch mit dem Sternpunkt verbunden ist. Dadurch kann eine einfache Anbindung zwischen der Gleichrichtschaltung und dem Sternpunkt realisiert werden. Unter einem„Leiter" soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein elektrischer Leiter der Ladevorrichtung verstanden werden, der mit einem Ende elektrisch mit dem Sternpunkt und mit einem Ende elektrisch an die Gleichrichtschaltung angebunden und/oder anbindbar ist. Preferably, the charging device has at least one conductor which is electrically connected to the neutral point. As a result, a simple connection between the rectification circuit and the neutral point can be realized. A "conductor" is to be understood in this context, in particular an electrical conductor of the charging device, which is electrically connected at one end to the neutral point and one end electrically connected to the rectification circuit and / or connectable.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Ladevorrichtung ein Trennelement aufweist, das dazu vorgesehen ist, die Gleichrichtschaltung und die Antriebsmaschine in wenigstens einem Betriebsmodus zumindest teilweise elektrisch voneinander zu trennen. Dadurch kann in einem Fahrbetriebsmodus die Gleichrichtschaltung vorteilhaft von der Antriebsmaschine getrennt werden, wodurch insbesondere in einem Fahrbetriebsmodus eine vorteilhafte Abtrennung der Ladevorrichtung erreicht werden kann. Unter einem„Trennelement" soll dabei insbesondere ein Schaltelement verstanden werden, dass in wenigstens einem Betriebsmodus dazu vorgesehen ist, einen Leiter elektrisch zu trennen, und in wenigstens einem Betriebsmodus dazu vorgesehen ist, den Leiter elektrisch zu schließen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Ladevorrichtung zumindest einen Tiefsetzsteller, der dazu vorgesehen ist, die Gleichspannung der Gleichrichtschaltung in eine Ladespannung umzuwandeln. Dadurch kann die Ladespannung vorteilhaft auf unterschiedliche Akkuvorrichtungen, insbesondere auf unterschiedliche Batteriespannungen, angepasst werden. Unter einem„Tiefsetzsteller" soll dabei insbesondere eine Schaltung mit wenigstens einem Schaltelement und wenigstens einer Spule verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, eine anliegende Gleichspannung in eine niedrigere Spannung umzuwandeln. It is also proposed that the charging device has a separating element which is provided to at least partially electrically separate the rectifying circuit and the driving machine from each other in at least one operating mode. As a result, the rectification circuit can advantageously be disconnected from the drive machine in a drive operating mode, as a result of which, in particular in a drive operating mode, an advantageous separation of the load device can be achieved. A "separating element" should be understood to mean, in particular, a switching element that is provided in at least one operating mode to electrically disconnect a conductor, and in at least one operating mode is intended to electrically close the conductor. In an advantageous embodiment of the invention, the charging device comprises at least one buck converter, which is intended to convert the DC voltage of the rectification circuit into a charging voltage. As a result, the charging voltage can be advantageously adapted to different battery devices, in particular to different battery voltages. A "step-down converter" should be understood to mean, in particular, a circuit having at least one switching element and at least one coil, which is intended to convert an applied DC voltage into a lower voltage.
Vorteilhafterweise ist der Tiefsetzsteller elektrisch zwischen der Gleichrichtschaltung und der Antriebsmaschine angeordnet. Unter„elektrisch zwischen" soll dabei insbesondere verstanden werden, dass die Gleichrichtschaltung, der Tiefsetzsteller und die Antriebsmaschine in wenigstens einem elektrischen Leistungsfluss in dieser Reihenfolge aufeinander folgend elektrisch in Reihe geschaltet sind. Vorzugsweise ist der Leistungsfluss als ein Leistungsfluss in dem Ladebetriebsmodus ausgebildet. Für die Begriffe„vor",„nach" und„zwischen" soll dabei auch in der nachfolgenden Beschreibung, sofern nicht anderweitig explizit ausgeführt, von einer elektrischen Anordnung in Bezug auf den Leistungsfluss in dem Ladebetriebsmodus ausgegangen werden. Advantageously, the step-down converter is arranged electrically between the rectification circuit and the drive machine. The term "electrically intermediate" should be understood to mean in particular that the rectification circuit, the step-down converter and the drive machine are electrically connected in series in this sequence in at least one electrical power flow Terms "before", "after" and "between" should also be assumed in the following description, unless otherwise explicitly stated, of an electrical arrangement with regard to the power flow in the charging operating mode.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Ladevorrichtung wenigstens einen Netz- Ableitkondensator aufweist. Dadurch können insbesondere Rückwirkungen auf das externe Stromnetz verringert werden, wodurch beispielsweise ein Schutz vor einem unbeabsichtigten Auslösen von einer Sicherheitsvorrichtung des externen Stromnetzes erhöht werden kann. Unter einem„Netz-Ableitkondensator" soll dabei insbesondere ein Kondensator verstanden werden, der zwischen wenigstens einem, in wenigstens einem Betriebszustand potential führenden Leiter, wie insbesondere einer Phase, und wenigstens einem in einem Regelbetrieb potentialfreien Leiter, wie insbesondere einem Nullleiter oder einem Schutzleiter, angeordnet ist. Unter einem„Schutzleiter" soll dabei insbesondere ein Leiter verstanden werden, der ein Null-Potential definiert, wie insbesondere ein über das externe Stromnetz geerdeter Leiter. Unter„potentialfrei" soll insbesondere potentialfrei gegenüber dem Schutzleiter verstanden werden. Unter einem„Null-Leiter" soll insbesondere ein in einem Regelbetrieb potentialfreier Leiter verstanden werden. Unter einer „Phase" soll insbesondere ein Leiter verstanden werden, der in einem Regelbetrieb gegenüber dem Nullleiter ein Potential aufweist. It is further proposed that the charging device has at least one network leakage capacitor. As a result, in particular repercussions on the external power grid can be reduced, whereby, for example, protection against unintentional triggering can be increased by a safety device of the external power grid. A "line bypass capacitor" should be understood to mean, in particular, a capacitor which is connected between at least one conductor carrying potential in at least one operating state, in particular one phase, and at least one potential-free conductor in a controlled operation, in particular a neutral conductor or a protective conductor, A "protective conductor" should be understood to mean, in particular, a conductor which defines a zero potential, in particular a conductor earthed via the external power network. The term "potential-free" should be understood to mean, in particular, potential-free with respect to the protective conductor. "A" neutral conductor "is to be understood as meaning, in particular, a potential-free conductor in a control mode. A "phase" should in particular be understood to mean a conductor which, in a closed-loop operation, has a potential with respect to the neutral conductor.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Kraftfahrzeugantriebssystem eine Leistungselektronik umfasst, die wenigstens eine in Reihe mit der Gleichrichtschaltung geschaltete Inverterschaltung aufweist. Durch eine von der Gleichrichtschaltung getrennt ausgeführte Interverschaltung kann die Gleichrichtschaltung vorteilhaft auf den Ladebetriebsmodus angepasst werden, wohingegen die Inverterschaltung vorteilhaft auf den Fahrbetriebsmodus und einen Generatorbetriebsmodus angepasst werden kann. Unter einem„Ladebetriebsmodus" soll dabei insbesondere ein Betriebsmodus verstanden werden, in dem die Akkuvorrichtung mittels einer aus dem externen Stromnetz entnommenen elektrischen Leistung geladen wird. Unter einen„Fahrbetriebsmodus" soll insbesondere ein Betriebsmodus verstanden werden, bei dem der Akkuvorrichtung eine elektrische Leistung entnommen wird, die der Antriebsmaschine für einen Momentabgabe zugeführt wird. Unter einem„Generatorbetriebsmodus" soll insbesondere ein Betriebsmodus verstanden, in dem die Antriebsmaschine aus einer zugeführten mechanischen Leistung elektrische Leistung erzeugt, mittels der die Akkuvorrichtung geladen wird, wie insbesondere bei einer Rekuperation, bei der die mechanische Leistung über Antriebsräder eingeleitet wird. In a further embodiment of the invention, it is proposed that the motor vehicle drive system comprises a power electronics, the at least one in series with the Rectifying circuit has switched inverter circuit. By an isolated from the rectification circuit interlinked circuit, the rectification circuit can be advantageously adapted to the charging mode, while the inverter circuit can be advantageously adapted to the driving mode and a generator operating mode. A "charging operation mode" is to be understood here as meaning, in particular, an operating mode in which the battery device is charged by means of an electrical power drawn from the external power network , which is supplied to the prime mover for a momentary delivery. A "generator operating mode" is understood in particular to mean an operating mode in which the drive machine generates electrical power from a supplied mechanical power, by means of which the battery device is charged, in particular during a recuperation in which the mechanical power is introduced via drive wheels.
Besonders vorteilhaft bildet die Inverterschaltung zumindest eine 3-Level- Inverterschaltung aus. Dadurch können Anforderungen an eine Spannungsfestigkeit einzelner Bauteile der Inverterschaltung verringert werden. Zudem kann eine Effizienz der Inverterschaltung erhöht werden. Unter einer„3-Level-lnterverschaltung" soll dabei insbesondere eine Inverterschaltung verstanden werden, an der wenigstens drei unterschiedliche Potentiale anliegen, bzw. abgreifbar sind. Particularly advantageously, the inverter circuit forms at least one 3-level inverter circuit. As a result, requirements for a dielectric strength of individual components of the inverter circuit can be reduced. In addition, an efficiency of the inverter circuit can be increased. In this context, a "3-level interconnection" is to be understood as meaning, in particular, an inverter circuit to which at least three different potentials are applied or can be tapped off.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Leistungselektronik wenigstens einen Netz- Ableitkondensator aufweist. Dadurch kann eine Sicherheit und eine Störanfälligkeit, insbesondere in Bezug auf das externe Stromnetz, weiter erhöht werden. Dadurch können insbesondere die Rückwirkungen auf das externe Stromnetz weiter verringert werden. Zudem kann dadurch eine Effizienz der Gleichrichtschaltung erhöht werden. In addition, it is advantageous if the power electronics has at least one power dissipation capacitor. As a result, a security and a susceptibility, especially in relation to the external power grid, further increased. As a result, in particular the repercussions on the external power grid can be further reduced. In addition, thereby an efficiency of the rectification circuit can be increased.
In einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Ladevorrichtung zumindest eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung aufweist, die dazu vorgesehen ist, einen Leistungsfaktor anzupassen. In a further development, it is proposed that the charging device has at least one power factor correction circuit which is provided to adapt a power factor.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Ladevorrichtung eine Überwachungseinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, wenigstens eine elektrische Versorgungs- und/oder Vorrichtungskenngröße zu überwachen. Dadurch kann eine Betriebssicherheit erhöht werden. Unter„Vorsorgungskenngrößen" sollen dabei insbesondere Kenngrößen verstanden werden, die durch das externe Stromnetz vorgegeben sind, wie beispielsweise eine Netz- Spannung des externen Stromnetzes oder eine Wechselfrequenz des externen Stromnetzes. Unter„Vorrichtungskenngrößen" sollen dabei insbesondere durch die Ladevorrichtung bedingte Kenngrößen verstanden werden, wie beispielsweise ein Ladestrom, ein Fehlerstrom oder ein Isolationsfehler der Ladevorrichtung. Furthermore, it is advantageous if the charging device has a monitoring unit which is provided to monitor at least one electrical supply and / or device parameter. As a result, a reliability can be increased. In this context, "precautionary parameters" are to be understood in particular to mean parameters that are predetermined by the external power grid, such as, for example, a grid network. Voltage of the external power grid or an alternating frequency of the external power grid. The term "device characteristics" is to be understood in this case as meaning in particular parameters determined by the charging device, such as, for example, a charging current, a fault current or an insulation fault of the charging device.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Ladevorrichtung eine Umschalteinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, wahlweise einen einphasigen Ladebetriebsmodus oder einen mehrphasigen Ladebetriebsmodus zu schalten. Dadurch kann die Ladevorrichtung für unterschiedliche Ausgestaltungen des externen Stromnetzes vorgesehen werden. Durch den mehrphasigen Ladebetrieb können dabei insbesondere hohe Ladeströme erreicht werden, wodurch eine Ladezeit kurz gehalten werden kann. Durch den einphasigen Ladebetrieb kann die Ladevorrichtung vorteilhaft auch bei einem Fehlen eines mehrphasigen Anschlusses eingesetzt werden. Unter einem„einphasigen Ladebetriebsmodus" soll dabei insbesondere verstanden werden, dass in dem Ladebetriebsmodus lediglich eine der Phasen der Ladevorrichtung ein Potential gegenüber dem Nullleiter aufweist. Unter einem„mehrphasigen Ladebetriebsmodus" soll dabei insbesondere verstanden werden, dass in dem Ladebetriebsmodus zumindest zwei der Phasen der Ladevorrichtung ein Potential gegenüber dem Nullleiter aufweisen. In addition, it is proposed that the charging device has a switching unit which is provided to selectively switch a single-phase charging operating mode or a multi-phase charging operating mode. As a result, the charging device can be provided for different configurations of the external power network. In particular, high charging currents can be achieved by the multiphase charging operation, whereby a charging time can be kept short. Due to the single-phase charging operation, the charging device can be advantageously used even in the absence of a multi-phase terminal. A "single-phase charging operating mode" is to be understood in particular as meaning that in the charging operating mode, only one of the phases of the charging device has a potential with respect to the neutral.Thus, a "multi-phase charging operation mode" should be understood to mean that at least two of the phases in the charging operating mode Charger have a potential relative to the neutral.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Further advantages emerge from the following description of the drawing. In the drawings, two embodiments of the invention are shown. The drawings, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.
Dabei zeigen: Showing:
Fig. 1 einen ersten Teil eines Schaltschema für ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems,  1 shows a first part of a circuit diagram for a first embodiment of a drive system according to the invention,
Fig. 2 einen zweiten Teil des Schaltschemas des erstem Ausführungsbeispiels und Fig. 2 shows a second part of the circuit diagram of the first embodiment and
Fig. 3 ein Schaltschema eines zweiten Antriebssystems.  Fig. 3 is a circuit diagram of a second drive system.
Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Schaltschema für ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugantriebssystems. Figur 1 zeigt einen ersten Teil des Schaltschemas. Figur 2 zeigt einen zweiten Teil des Schaltschemas. Verbindungsstellen, an denen die beiden Teile miteinander verbunden sind, sind in den beiden Figuren durch jeweils identische Großbuchstaben A, B, C, D, E, F gekennzeichnet. Das Kraftfahrzeugantriebssystem ist grundsätzlich für unterschiedliche Antriebssysteme vorgesehen. Mittels des Kraftfahrzeugantriebssystems sind sowohl rein elektrische Antriebssysteme als auch Hybridantriebssysteme ausbildet. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist als ein rein elektrisches Antriebssystem ausgebildet. Figures 1 and 2 show a circuit diagram for a first embodiment of a motor vehicle drive system according to the invention. FIG. 1 shows a first part of the circuit diagram. FIG. 2 shows a second part of the circuit diagram. Connecting points where the two parts are connected to each other in the two figures each identically capitalized letters A, B, C, D, E, F marked. The motor vehicle drive system is basically provided for different drive systems. By means of the motor vehicle drive system, both purely electric drive systems and hybrid drive systems are formed. The illustrated embodiment is formed as a purely electric drive system.
Das Antriebssystem umfasst eine elektrische Antriebsmaschine 13a, eine Akkuvorrichtung 11a und eine Ladevorrichtung 10a zum Laden der Akkuvorrichtung 11a mittels eines externen Stromnetzes. Die Antriebsmaschine 13a ist als ein Drehstrommotor ausgebildet. Die Antriebsmaschine 13a umfasst drei Motorspulen 15a, 16a, 17a. Für eine Energieversorgung umfasst die Antriebsmaschine 13a drei getrennte Phasen 28a, 29a, 30a. In einem Fahrbetriebsmodus erzeugt die Antriebsmaschine 13a aus einer ihr zugeführten elektrischen Leistung ein Antriebsmoment. In einem Generatorbetriebsmodus erzeugt die Antriebsmaschine 13a aus einer ihr zugeführten mechanischen Leistung, die der Antriebsmaschine 13a beispielsweise über Antriebsräder zugeführt werden kann, elektrische Leistung. Die drei Motorspulen 15a, 16a, 17a sind an einem Sternpunkt 14a der Antriebsmaschine zusammengeführt. Der Sternpunkt 14a ist als ein zentraler Anschlusspunkt ausgebildet. Die drei Motorspulen 15a, 16a, 17a sind in Bezug auf den Sternpunkt 14a elektrisch symmetrisch angeordnet. The drive system comprises an electric drive machine 13a, a battery device 11a and a charging device 10a for charging the battery device 11a by means of an external power network. The prime mover 13a is formed as a three-phase motor. The prime mover 13a comprises three motor coils 15a, 16a, 17a. For a power supply, the prime mover 13a comprises three separate phases 28a, 29a, 30a. In a drive mode, the prime mover 13a generates a drive torque from an electric power supplied thereto. In a generator operating mode, the engine 13a generates electric power from a mechanical power supplied thereto, which can be supplied to the engine 13a via drive wheels, for example. The three motor coils 15a, 16a, 17a are brought together at a neutral point 14a of the drive machine. The star point 14a is formed as a central connection point. The three motor coils 15a, 16a, 17a are arranged electrically symmetrically with respect to the star point 14a.
Die Akkuvorrichtung 11a umfasst eine Hochvolt-Batterie. Die Akkuvorrichtung 11a stellt eine Gleichspannung bereit, die wenigstens 100 Volt beträgt. Die Hochvolt-Batterie umfasst eine Mehrzahl hintereinander geschalteter Einzelzellen. Eine minimale Batteriespannung beträgt 105,6 Volt. Eine maximale Batteriespannung beträgt 413 Volt, wobei die maximale Batteriespannung grundsätzlich auch größer sein kann. Die Akkuvorrichtung 11a weist zwei Batterieklemmen 31a, 32a auf, die jeweils einen definierten Pol der Akkuvorrichtung 1 1a ausbilden. The battery device 11a includes a high-voltage battery. The battery device 11a provides a DC voltage that is at least 100 volts. The high-voltage battery comprises a plurality of individual cells connected in series. A minimum battery voltage is 105.6 volts. A maximum battery voltage is 413 volts, whereby the maximum battery voltage can also be larger. The battery device 11a has two battery terminals 31a, 32a, each forming a defined pole of the battery device 1 1a.
Zur elektrischen Anbindung der Antriebsmaschine 3a an die Akkuvorrichtung 1 1a umfasst das Antriebssystem eine Leistungselektronik 22a. Die Leistungselektronik 22a umfasst eine Inverterschaltung 23a mit zwei Leitern 33a, 34a, die jeweils mit einer der Batterieklemmen 31a, 32a der Akkuvorrichtung 11a verbunden sind. Die Inverterschaltung 23a ist mittels dreier Halbbrücken 35a, 36a, 37a ausgebildet. Jede der drei Halbbrücken 35a, 36a, 37a ist elektrisch mit einer der Motorspulen 15a, 16a, 17a der Antriebsmaschine 13a verbunden. Die Halbbrücken 35a, 36a, 37a sind jeweils zwischen den beiden Leitern 33a, 34a angeordnet. Jede Halbbrücke 35a, 36a, 37a umfasst zwei Schaltelemente und zwei parallel zu den Schaltelementen angeordnete Freilaufdioden. Die Freilaufdioden einer Halbbrücke sind entgegengesetzt angeordnet. Die Motorspulen 15a, 16a, 17a der Antriebsmaschine 13a sind an einen Brückenpunkt der jeweiligen Halbbrücke 35a, 36a, 37a angebunden. Die Schaltelemente der Halbbrücken 35a, 36a, 37a sind als Transistoren ausgebildet. For electrical connection of the drive machine 3a to the cordless device 1a, the drive system comprises power electronics 22a. The power electronics 22a comprises an inverter circuit 23a with two conductors 33a, 34a, which are each connected to one of the battery terminals 31a, 32a of the battery device 11a. The inverter circuit 23a is formed by means of three half-bridges 35a, 36a, 37a. Each of the three half bridges 35a, 36a, 37a is electrically connected to one of the motor coils 15a, 16a, 17a of the prime mover 13a. The half-bridges 35a, 36a, 37a are each arranged between the two conductors 33a, 34a. Each half-bridge 35a, 36a, 37a comprises two switching elements and two free-wheeling diodes arranged parallel to the switching elements. The freewheeling diodes a Half bridge are arranged opposite. The motor coils 15a, 16a, 17a of the prime mover 13a are connected to a bridge point of the respective half bridge 35a, 36a, 37a. The switching elements of the half bridges 35a, 36a, 37a are formed as transistors.
In dem Fahrbetriebsmodus erzeugt die Inverterschaltung 23a aus der Gleichspannung der Akkuvorrichtung 11a eine Wechselspannung. Die von der Inverterschaltung 23a erzeugte Wechselspannung definiert eine Leistung, die die Antriebsmaschine 13a abgibt. Zudem ist über die Wechselspannung eine Drehzahl, die die Antriebsmaschine 3a aufweist, einstellbar. Die Wechselspannung liegt als Drehstrom an den Motospulen 15a, 16a, 17a der Antriebsmaschine 13a an. In the driving mode, the inverter circuit 23a generates an AC voltage from the DC voltage of the battery device 11a. The AC voltage generated by the inverter circuit 23a defines a power that the engine 13a outputs. In addition, via the AC voltage, a rotational speed, which has the drive machine 3a, adjustable. The alternating voltage is applied as a three-phase current to the motor coils 15a, 16a, 17a of the drive machine 13a.
In dem Generatorbetriebsmodus wandelt die Inverterschaltung 23a die von der Antriebsmaschine 13a erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Die Inverterschaltung 23a wirkt dabei als ein Hochsetzsteller, der die von der Antriebsmaschine 13a bereitgestellte Wechselspannung in eine höhere Gleichspannung umsetzt. Grundsätzlich kann die Inverterschaltung 23a aber auch ohne einen Hochsetz-Betrieb betrieben werden. Die Gleichspannung, in die die Inverterschaltung 23a die von der Antriebsmaschine 13a erzeugte Wechselspannung umwandelt, bewirkt einen Ladevorgang der Akkuvorrichtung 11a. In the generator operating mode, the inverter circuit 23a converts the AC voltage generated by the engine 13a into a DC voltage. The inverter circuit 23a acts as a step-up converter, which converts the AC voltage provided by the drive machine 13a into a higher DC voltage. In principle, however, the inverter circuit 23a can also be operated without a step-up operation. The DC voltage to which the inverter circuit 23a converts the AC voltage generated by the engine 13a causes a charging operation of the battery device 11a.
Die Ladevorrichtung 10a ist funktionell im Wesentlichen von der Inverterschaltung 23a getrennt. Die Ladevorrichtung 10a umfasst eine mehrphasige Gleichrichtschaltung 12a, die eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt. Die Gleichrichtschaltung 12a umfasst drei Phaseneingänge 38a, 39a, 40a sowie an die Phaseneingänge 38a, 39a, 40a anschließende Phasen 41a, 42a, 43a, einen Nullleitereingang 44a und einen an den Nulleitereingang 44a anschließenden Nullleiter 45a sowie einen Schutzleitereingang 46a und einen an den Schutzleitereingang 46a anschließenden Schutzleiter 47a. Die drei Phaseneingänge 38a, 39a, 40a sind für einen Drehstrom vorgesehen. Der Nulleitereingang 44a ist in Bezug auf ein Erdungspotential im Wesentlichen potentialfrei. Ein über den Nullleiter 45a fließender Strom ist in einem ordnungsgemäßen Regelbetrieb Null. Der Schutzleiter 47a, der über das externe Stromnetz mit einer Erde verbunden ist, definiert das Erdungspotential. The charging device 10a is functionally substantially disconnected from the inverter circuit 23a. The charging device 10a comprises a polyphase rectification circuit 12a, which converts an AC voltage to a DC voltage. The rectification circuit 12a comprises three phase inputs 38a, 39a, 40a and phases 41a, 42a, 43a connected to the phase inputs 38a, 39a, 40a, a neutral conductor input 44a and a neutral conductor 45a connected to the neutral input 44a, and a protective conductor input 46a and one to the protective conductor input 46a subsequent protective conductor 47a. The three phase inputs 38a, 39a, 40a are provided for a three-phase current. The neutral input 44a is substantially floating with respect to a ground potential. A current flowing through the neutral conductor 45a is zero in a proper control operation. The protective conductor 47a connected to ground via the external power network defines the grounding potential.
Die Gleichrichtschaltung 12a umfasst für jeder der Phasen 41a, 42a, 43a eine Diodeneinheit 49a, 50a, 51 mit jeweils zwei paarweise angeordneten Dioden. Jeweils zwei der Dioden sind jeweils einer der Phasen 41a, 42a, 43a zugeordnet. Die der ersten Phase 41a zugeordnete Diodeneinheit 49a, die der zweiten Phase 42a zugeordnete Diodeneinheit 50a und die der dritten Phase 43a zugeordnete Diodeneinheit 51a sind jeweils entgegengesetzt geschaltet. Die Diodeneinheiten 49a, 50a, 51a definieren eine Polarität der Gleichspannung, die die Gleichrichtschaltung 12a aus der über die Phaseneingänge 38a, 39a, 40a eingespeisten Wechselspannung erzeugt. The rectification circuit 12a comprises, for each of the phases 41a, 42a, 43a, a diode unit 49a, 50a, 51 each having two diodes arranged in pairs. Two of the diodes are each associated with one of the phases 41a, 42a, 43a. The first phase 41a associated diode unit 49a, the second phase 42a associated diode unit 50a and the third phase 43a associated diode unit 51a are respectively connected opposite. The diode units 49a, 50a, 51a define a polarity of the DC voltage which the rectification circuit 12a generates from the AC voltage fed via the phase inputs 38a, 39a, 40a.
In dem Ladebetriebsmodus ist die Ladevorrichtung 10a über die Inverterschaltung 23a mit der Akkuvorrichtung 11a verbunden. Die Gleichrichtschaltung 12a ist dazu in dem Ladebetriebsmodus an den Sternpunkt der Antriebsmaschine 13a angebunden. Die Motorspulen 15a, 16a, 17a sind dabei nach dem Sternpunkt 14a angeordnet. Die Gleichrichtschaltung 12a ist über den Sternpunkt 14a und die nach dem Sternpunkt 14a angeordneten Motorspuien 15a, 16a, 17a mit der Akkuvorrichtung 11a verbunden. In the charging operation mode, the charging device 10a is connected to the battery device 11a via the inverter circuit 23a. The rectification circuit 12a is connected to the neutral point of the prime mover 13a in the loading mode of operation. The motor coils 15a, 16a, 17a are arranged after the star point 14a. The rectifier circuit 12a is connected to the rechargeable battery device 11a via the neutral point 14a and the motor coils 15a, 16a, 17a arranged after the neutral point 14a.
Die Ladevorrichtung 10a umfasst zwei Leiter 18a, 48a, an denen in dem Ladebetriebsmodus die von der Gleichrichtschaltung 12a erzeugte Gleichspannung anliegt. Der erste Leiter 48a der Ladevorrichtung, der an die eine Hälfte der Dioden der Gleichrichtschaltung 12a angebunden ist, ist elektrisch direkt mit dem Leiter 34a der Inverterschaltung 23a verbunden. Der zweite Leiter 18a der Ladevorrichtung 10a, der an die andere Hälfte der Dioden der Gleichrichtschaltung 12a angebunden ist, ist elektrisch mit dem Sternpunkt 14a der Antriebsmaschine 13a verbunden. Die Gleichrichtschaltung 12a ist über den Leiter 18a mit dem Sternpunkt 14a der Antriebsmaschine 13a verbunden. Eine in dem Ladebetriebsmodus zwischen den beiden Leitern 18a, 48a anliegenden Gleichspannung wird dadurch symmetrisch auf die Motorspulen 15a, 16a, 17a der Antriebsmaschine 13a verteilt. Die Antriebsmaschine 13a ist dadurch im Ladebetriebsmodus momentenfrei, d.h. ein von der Antriebsmaschine 13a abgegebenes Moment ist gleich Null. Über die Inverterschaltung 23a, deren Freilaufdioden eine entsprechende Durchlassrichtung festlegen, sind die Motorspulen 15a, 16a, 17a an den Leiter 33a der Inverterschaltung 23a angebunden. Die jeweils paarweise angeordneten Dioden der Gleichrichtschaltung 12a und die jeweils paarweise angeordneten Freilaufdioden der Inverterschaltung 23a sind in Bezug auf die Leiter 18a, 48a, 33a, 34a korrespondierend angeordnet. The charging device 10a comprises two conductors 18a, 48a to which the DC voltage generated by the rectification circuit 12a is applied in the charging operation mode. The first conductor 48a of the charging device, which is connected to one half of the diodes of the rectification circuit 12a, is electrically connected directly to the conductor 34a of the inverter circuit 23a. The second conductor 18a of the charger 10a, which is connected to the other half of the diodes of the rectifying circuit 12a, is electrically connected to the star point 14a of the engine 13a. The rectification circuit 12a is connected via the conductor 18a to the star point 14a of the prime mover 13a. A DC voltage applied in the charging operation mode between the two conductors 18a, 48a is thereby symmetrically distributed to the motor coils 15a, 16a, 17a of the prime mover 13a. The prime mover 13a is thereby torque-free in the loading mode of operation, i. a torque output by the engine 13a is equal to zero. The motor coils 15a, 16a, 17a are connected to the conductor 33a of the inverter circuit 23a via the inverter circuit 23a, whose freewheeling diodes define a corresponding forward direction. The paired diodes of the rectifier circuit 12a and the paired freewheeling diodes of the inverter circuit 23a are correspondingly arranged with respect to the conductors 18a, 48a, 33a, 34a.
Zur Erhöhung eines Leistungsfaktors umfasst die Ladevorrichtung 10a eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung 25a. Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung 25a ist an die Gleichrichtschaltung 12a angebunden. Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung 25a umfasst eine Schalteinheit 52a, die für jede Phase 41a, 42a, 43a der Gleichrichtschaltung eine Transistor-Dioden-Einheit umfasst, die für eine Leistungsfaktorkorrektur aktiv angesteuert wird, und eine Spuleneinheit 53a, die drei Spulen umfasst, die jeweils in eine der Phasen 4 a, 42a, 43a eingebracht sind. Weiter umfasst die Leistungsfaktorkorrekturschaltung 25a eine Kondensatoreinheit 54a mit zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren. Die Kondensatoreinheit 54a ist zwischen die beiden Leiter 18a, 48a der Ladevorrichtung 10a geschaltet. To increase a power factor, the charging device 10a comprises a power factor correction circuit 25a. The power factor correction circuit 25a is connected to the rectification circuit 12a. The power factor correction circuit 25a comprises a switching unit 52a comprising, for each phase 41a, 42a, 43a of the rectification circuit, a transistor diode unit which is actively driven for power factor correction, and a coil unit 53a comprising three coils, each in one of the Phases 4 a, 42a, 43a are introduced. Further, the power factor correction circuit 25a includes a capacitor unit 54a having two capacitors in series. The capacitor unit 54a is connected between the two conductors 18a, 48a of the charging device 10a.
Zur Abtrennung der Gleichrichtschaltung 12a umfasst die Ladevorrichtung 10a ein schaltbares Trennelement 19a, das in einen der Leiter 18a, 48a der Ladevorrichtung 10a eingebunden ist. Das Trennelement 19a ist in den zweiten Leiter 18a eingebunden. Das Trennelement 19a ist elektronisch steuerbar. In dem Fahrbetriebsmodus und in dem Generatorbetriebsmodus ist das Trennelement 19a geöffnet. In dem Ladebetriebsmodus ist das Trennelement 19a geschlossen. For disconnecting the rectifier circuit 12a, the charging device 10a comprises a switchable isolating element 19a, which is integrated in one of the conductors 18a, 48a of the charging device 10a. The separating element 19a is integrated in the second conductor 18a. The separating element 19a is electronically controllable. In the driving mode and the generator operating mode, the partition 19a is opened. In the charging operation mode, the partition member 19a is closed.
Durch das in dem Ladebetriebsmodus geschlossene Trennelement 19a ist die Gleichrichtschaltung 12a in dem Ladebetriebsmodus elektrisch mit dem Sternpunkt 14a der Antriebsmaschine 15a verbunden. In Bezug auf den einen sich in dem Ladebetriebsmodus einstellenden Leistungsfluss sind die Motorspulen 15a, 16a, 17a der Antriebsmaschine 13a nach dem Sternpunkt 14a angeordnet. Der Leistungsfluss, der über den Sternpunkt 14a in die Antriebsmaschine 13a eingeleitet wird, wird über die Motorspulen 15a, 6a, 17a gleichmäßig auf die Phasen 28a, 29a, 30a der Antriebsmaschine 13a verteilt. By the disconnecting element 19a closed in the charging operation mode, the rectifying circuit 12a is electrically connected to the neutral point 14a of the engine 15a in the charging operation mode. With respect to the power flow adjusting in the charging operation mode, the motor coils 15a, 16a, 17a of the prime mover 13a are arranged after the neutral point 14a. The power flow, which is introduced via star point 14a into prime mover 13a, is uniformly distributed via the motor coils 15a, 6a, 17a to the phases 28a, 29a, 30a of prime mover 13a.
Zur Verringerung der an den beiden Leitern 18a, 48a anliegenden Gleichspannung umfasst die Ladevorrichtung 10a einen Tiefsetzsteller 20a. Der Tiefsetzsteller 20a ist mit der Gleichrichtschaltung 12a elektrisch in Reihe geschaltet. Der Tiefsetzsteller 20a ist zwischen der Gleichrichtschaltung 12a und dem Sternpunkt 14a der Antriebsmaschine 13a angeordnet. Der Tiefsetzsteller 20a umfasst ein Schaltelement 55a und eine Spule 56a. Zudem umfasst der Tiefsetzsteller 20a einen Kondensator 57a und eine Diode 58a. Die Diode 58a und der Kondensator 57a sind zwischen den Leitern 18a, 48a der Ladevorrichtung 10a angeordnet. Der Tiefsetzsteller 20a ist vor dem Trennelement 19a, d.h. zwischen der Gleichrichtschaltung 12a und dem Trennelement 19a angeordnet. In order to reduce the DC voltage applied to the two conductors 18a, 48a, the charging device 10a comprises a step-down converter 20a. The buck converter 20a is electrically connected in series with the rectification circuit 12a. The buck converter 20a is disposed between the rectification circuit 12a and the neutral point 14a of the engine 13a. The buck converter 20a comprises a switching element 55a and a coil 56a. In addition, the buck converter 20a comprises a capacitor 57a and a diode 58a. The diode 58a and the capacitor 57a are arranged between the conductors 18a, 48a of the charging device 10a. The buck converter 20a is in front of the separator 19a, i. between the rectifying circuit 12a and the separator 19a.
Die Ladevorrichtung 10a weist teilweise eine hinreichend hohe Spannungsfestigkeit von beispielsweise 200 Volt auf. Insbesondere die Gleichrichtschaltung 12a ist auf diese Spannungsfestigkeit ausgelegt. Der Tiefsetzsteller 20a wandelt die von der Gleichrichtschaltung 12a erzeugte Gleichspannung in eine niedrigere Ladespannung um. Die Ladespannung, die ebenfalls eine Gleichspannung ist, ist über den Tiefsetzsteller 20a einstellbar. Eine Spannungsfestigkeit der nach dem Tiefsetzsteller 20a angeordneten Bauteile ist geringer als die Spannungsfestigkeit der Gleichrichtschaltung 12a. Die nach dem Tief- setzsteller 20a angeordneten Bauteile weisen eine Spannungsfestigkeit von beispielsweise 650 Volt auf. Insbesondere die Antriebsmaschine 13a und die Leistungselektronik 22a sind für diese Spannungsfestigkeit ausgelegt. The charging device 10a partially has a sufficiently high dielectric strength of, for example, 200 volts. In particular, the rectification circuit 12a is designed for this dielectric strength. The buck converter 20a converts the DC voltage generated by the rectification circuit 12a into a lower charging voltage. The charging voltage, which is also a DC voltage, is adjustable via the buck converter 20a. A withstand voltage of the components arranged after the step-down converter 20a is less than the dielectric strength of the rectification circuit 12a. After the low Setter 20 a arranged components have a dielectric strength of, for example, 650 volts. In particular, the prime mover 13a and the power electronics 22a are designed for this dielectric strength.
Weiter umfasst die Ladevorrichtung 10a eine Filtereinheit 59a. Die Filtereinheit 59a bildet einen EMV-Filter aus. Die Filtereinheit 59a umfasst eine Spulen-Kondensator-Einheit mit einer Mehrzahl von paarweise angeordneten Kondensatoren und Spulen. Die Spulen- Kondensator-Einheit bildet für jede Phase 41a, 42a, 43a der Ladevorrichtung 10a einen Tiefpassfilter aus. Eine Grenzfrequenz, oberhalb der die Filtereinheit 59a dämpft, ist größer als eine maximal zu erwartende Netzfrequenz des externen Stromnetzes. Furthermore, the charging device 10a comprises a filter unit 59a. The filter unit 59a forms an EMC filter. The filter unit 59a comprises a coil-capacitor unit with a plurality of paired capacitors and coils. The coil-capacitor unit forms a low-pass filter for each phase 41a, 42a, 43a of the charging device 10a. A cutoff frequency above which the filter unit 59a attenuates is greater than a maximum expected network frequency of the external power grid.
Die Ladevorrichtung 10a umfasst ferner eine Entstöreinheit 60a mit einem Netz- Ableitkondensator 24a. Der Netz-Ableitkondensator 24a ist als y-Kondensator klassifiziert. Weiter umfasst die Entstöreinheit 60a drei x-Kondensatoren 61a, 62a, 63a. Die x- Kondensatoren 61a, 62a, 63a sind jeweils paarweise zwischen die drei Phasen 41a, 42a, 43a der Ladevorrichtung 10a geschaltet. Jeweils zwei der x-Kondensatoren 61a, 62a, 63a sind in Bezug auf zwei der Phasen 41a, 42a, 43a in Reihe geschaltet. Die drei x- Kondensatoren 61a, 62a, 63a sind über einen gemeinsamen Kontaktpunkt elektrisch miteinander verbunden. Der Netz-Ableitkondensator 24a ist an den gemeinsamen Kontaktpunkt der x-Kondensatoren 61a, 62a, 63a angebunden. Der Netz-Ableitkondensator 24a ist damit zwischen die drei Phasen 41a, 42a, 43a und den Nullleiter 45a der Ladevorrichtung 10a geschaltet. Zudem umfasst die Entstöreinheit 60a einen Kondensator 64a, der zwischen den Nullleiter 45a und den Schutzleiter 47a geschaltet ist. The charging device 10a further comprises a suppressor unit 60a with a mains bypass capacitor 24a. The grid bypass capacitor 24a is classified as a y capacitor. Further, the suppression unit 60a includes three x capacitors 61a, 62a, 63a. The x-capacitors 61a, 62a, 63a are each connected in pairs between the three phases 41a, 42a, 43a of the charging device 10a. Two each of the x capacitors 61a, 62a, 63a are connected in series with respect to two of the phases 41a, 42a, 43a. The three x-capacitors 61a, 62a, 63a are electrically connected to one another via a common contact point. The power dissipation capacitor 24a is connected to the common contact point of the x capacitors 61a, 62a, 63a. The power dissipation capacitor 24a is thus connected between the three phases 41a, 42a, 43a and the neutral conductor 45a of the charging device 10a. In addition, the suppressor unit 60a comprises a capacitor 64a, which is connected between the neutral conductor 45a and the protective conductor 47a.
Zur Anbindung der Akkuvorrichtung 11a umfasst die Leistungselektronik 22a einen Zwischenkreis 65a. Der Zwischenkreis 65a umfasst einen Kondensator, der zwischen den beiden Leitern des Inverters angeordnet ist. Weiter umfasst die Leistungselektronik 22a zwei Netz-Ableitkondensatoren 24a, 66a. Der erste Netz-Ableitkondensator 24a ist zwischen dem Leiter 33a und dem Schutzleiter 47a angeordnet. Der zweite Netz- Ableitkondensator 66a ist zwischen dem Leiter 34a und dem Schutzleiter 47a angeordnet. To connect the rechargeable battery device 11a, the power electronics 22a comprises an intermediate circuit 65a. The intermediate circuit 65a comprises a capacitor which is arranged between the two conductors of the inverter. Further, the power electronics 22a includes two power dissipation capacitors 24a, 66a. The first power dissipation capacitor 24a is disposed between the conductor 33a and the protective conductor 47a. The second power dissipation capacitor 66a is disposed between the conductor 34a and the protective conductor 47a.
Die Ladevorrichtung 10a umfasst weiter eine Überwachungseinheit 26a. Die Überwachungseinheit 26a ist an die drei Phasen 41a, 42a, 43a, den Nullleiter 45a und den Schutzleiter 47a angebunden. Die Überwachungseinheit 26a überwacht insbesondere Spannungen, die an den Phasen 41a, 42a, 43a, dem Nullleiter 45a und dem Schutzleiter 47a auftreten. Zudem überwacht sie elektrische Ströme, die durch die Phasen 41a, 42a, 43a, den Nullleiter 45a und den Schutzleiter 47a fließen. Zudem bildet die Überwa- chungseinheit einen Isolationswächter aus, der insbesondere einen Isolationswiderstand der Phasen 41a, 42a, 43a gegen den Schutzleiter 47a bestimmt. Der Isolationswiderstand ist in Figur 1 als Ersatzwiderstand gemeinsam mit einem Ersatzkondensator, der Leitungskapazitäten ersetzt, in einer Ersatzschaltung 67a dargestellt. The charging device 10a further comprises a monitoring unit 26a. The monitoring unit 26a is connected to the three phases 41a, 42a, 43a, the neutral conductor 45a and the protective conductor 47a. In particular, the monitoring unit 26a monitors voltages which occur at the phases 41a, 42a, 43a, the neutral conductor 45a and the protective conductor 47a. In addition, it monitors electrical currents flowing through the phases 41a, 42a, 43a, the neutral conductor 45a and the protective conductor 47a. In addition, the Chung unit from an insulation monitor, which determines in particular an insulation resistance of the phases 41a, 42a, 43a against the protective conductor 47a. The insulation resistance is shown in FIG. 1 as an equivalent resistance together with a replacement capacitor replacing line capacitances in an equivalent circuit 67a.
Zur Umschaltung zwischen einem Ein-Phasen-Ladebetrieb und einem Drei-Phasen- Ladebetrieb umfasst die Ladevorrichtung 10a eine Umschalteinheit 27a. Die Umschalteinheit 27a umfasst ein Schaltelement 68a, das dazu vorgesehen ist, den Nullleiter 45a der Ladevorrichtung 10a mit einer der Phasen 41a, 42, 43a zu verbinden. Die Umschalteinheit 27a ist automatisiert ausgebildet. Erkennt die Umschalteinheit 27a eine an den Phaseneingängen 38a, 39a, 40a und dem Nullleitereingang 44a anliegende einphasige Wechselspannung, schließt sie das Schaltelement 68a selbstständig und verbindet den Nullleiter 45a mit der Phase 43a. Die einphasige Wechselspannung liegt damit an zwei der drei Phasen 41a, 42a, 43a an. Die Gleichrichtschaltung 12a wandelt die zwischen den beiden Phasen 41a, 43a anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung um. For switching between a one-phase charging operation and a three-phase charging operation, the charging device 10a comprises a switching unit 27a. The switching unit 27a comprises a switching element 68a, which is provided to connect the neutral conductor 45a of the charging device 10a to one of the phases 41a, 42, 43a. The switching unit 27a is designed to be automated. If the switching unit 27a detects a single-phase AC voltage applied to the phase inputs 38a, 39a, 40a and the neutral conductor input 44a, it automatically closes the switching element 68a and connects the neutral conductor 45a to the phase 43a. The single-phase AC voltage is thus applied to two of the three phases 41a, 42a, 43a. The rectification circuit 12a converts the AC voltage applied between the two phases 41a, 43a into a DC voltage.
Zudem ist die Umschalteinheit 27a zur Erkennung einer Gleichspannung vorgesehen. Erkennt die Umschalteinheit 27a in dem Ladebetriebsmodus eine an dem Phaseneingang 41a und dem Nullleitereingang 44a anliegende Gleichspannung, schließt die Umschalteinheit 27a ebenfalls das Schaltelement 68a. Die Gleichrichtschaltung 12a lässt die damit an den Phasen 41a, 43a anliegende Gleichspannung im Wesentlich widerstandsfrei durch, wodurch sie analog zu einer gewandelten Wechselspannung auch an den beiden Leitern 18a, 48a der Ladevorrichtung 10a anliegt. In addition, the switching unit 27a is provided for detecting a DC voltage. If the switching unit 27a detects a DC voltage applied to the phase input 41a and the neutral conductor input 44a in the charging operating mode, the switching unit 27a also closes the switching element 68a. The rectification circuit 12a allows the DC voltage applied to the phases 41a, 43a to pass substantially without resistance, as a result of which, analogously to a converted AC voltage, it also rests against the two conductors 18a, 48a of the charging device 10a.
In dem Ladebetriebsmodus wird eine Leistung zum Laden der Akkuvorrichtung 11a über die Phaseneingänge 38a, 39a, 40a und den Nullleitereingang 44a der Ladevorrichtung 10a eingespeist. Entlang eines Energieflusses der über die Ladevorrichtung 10a eingespeisten Leistung sind nacheinander folgend die Filtereinheit 59a, die Gleichrichtschaltung 12a, die Leistungsfaktorkorrektureinheit 25a, der Tiefsetzsteller 20a und das Trennelement 19a angeordnet. An die Ladevorrichtung 10a schließt die Antriebsmaschine 13a an, die durch die Anbindung der Ladevorrichtung 10a an den Sternpunkt 14a ebenfalls in den Energiefluss eingebunden ist. Ausgehend von der Antriebsmaschine 13a geht der Energiefluss durch die Inverterschaltung 23a. Die Inverterschaltung 23a ist über den Zwischenkreis 65a an die Akkuvorrichtung 11a angebunden. In the charging operation mode, a power for charging the battery device 11a is supplied through the phase inputs 38a, 39a, 40a and the neutral conductor input 44a of the charger 10a. Along with an energy flow of the power fed in via the charging device 10a, the filter unit 59a, the rectifier circuit 12a, the power factor correction unit 25a, the buck converter 20a and the separator 19a are successively arranged. The charging device 10a is adjoined by the drive machine 13a, which is also integrated into the energy flow by the connection of the charging device 10a to the neutral point 14a. Starting from the engine 13a, the flow of energy passes through the inverter circuit 23a. The inverter circuit 23a is connected to the battery device 11a via the intermediate circuit 65a.
Zur Steuerung umfasst das Antriebssystem eine Steuer- und Regeleinheit 69a. Die Steuer- und Regeleinheit 69a umfasst wenigstens ein Steuergerät mit einer Prozessoreinheit, die für eine Steuerung und Regelung vorgesehen ist. Grundsätzlich kann die Steuer- und Regeleinheit 69a auch mehrere, baulich getrennt ausgeführte Steuergeräte aufweisen, die für unterschiedliche Funktionen der Steuer- und Regeleinheit 69a vorgesehen sind. Die Steuer- und Regeleinheit 69a ist insbesondere zur Steuerung der Ladevorrichtung 10a vorgesehen. Sie steuert die aktiv steuerbaren Schaltelemente der Leistungsfaktorkorrekturschaltung 25a sowie das Trennelement 19a der Ladevorrichtung 10a. Zudem ist die Steuer- und Regeleinheit 69a für die Überwachungseinheit 26a vorgesehen, d.h. eine elektronische Auswertung der Überwachungseinheit 26a wird von der Steuer- und Regeleinheit 69a durchgeführt. Weiter ist die Steuer- und Regeleinheit 69a zur Steuerung der Leistungselektronik 22a, d.h. insbesondere zur Schaltung der Schaltelemente der Inver- terschaltung 23a, vorgesehen. Außerdem ist die Steuer- und Regeleinheit 69a zur Steuerung der Umschalteinheit 27a vorgesehen. Dazu bestimmt die Steuer- und Regeleinheit 69a mittels der Überwachungseinheit 26a die zwischen den Phaseneingängen 38a, 39a, 40a und dem Nullleitereingang 44a anliegenden Spannungen und schaltet in Abhängigkeit von den erkannten Spannungen das Schaltelement 68a der Umschalteinheit 27a. For control, the drive system comprises a control and regulation unit 69a. The control unit 69a comprises at least one control unit with a processor unit, which is intended for control and regulation. In principle, the control and regulation unit 69a can also have a plurality of structurally separated control units which are provided for different functions of the control and regulation unit 69a. The control and regulation unit 69a is provided in particular for controlling the charging device 10a. It controls the actively controllable switching elements of the power factor correction circuit 25a and the separating element 19a of the charging device 10a. In addition, the control and regulation unit 69a is provided for the monitoring unit 26a, ie an electronic evaluation of the monitoring unit 26a is performed by the control and regulation unit 69a. Furthermore, the control and regulation unit 69a is provided for controlling the power electronics 22a, ie in particular for switching the switching elements of the inverter 23a. In addition, the control unit 69a is provided for controlling the switching unit 27a. For this purpose, the control and regulation unit 69a determines, by means of the monitoring unit 26a, the voltages present between the phase inputs 38a, 39a, 40a and the neutral conductor input 44a and switches the switching element 68a of the switching unit 27a as a function of the detected voltages.
In der Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bleibender Bauteile, Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung der ersten Ausführungsbeispiels der Figuren 1 und 2 verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den Figuren 1 und 2 durch den Buchstaben b in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels der Figur 3 ersetzt. Bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, kann grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels in den Figuren 1 und 2 verwiesen werden. FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the invention. The following descriptions are essentially limited to the differences between the exemplary embodiments, reference being made to the description of the first exemplary embodiment of FIGS. 1 and 2 with regard to components, features and functions remaining the same. To distinguish the embodiments, the letter a in the reference numerals of the embodiment in Figures 1 and 2 by the letter b in the reference numerals of the embodiment of Figure 3 is replaced. With regard to identically named components, in particular with regard to components having the same reference numerals, reference may in principle also be made to the drawings and / or the description of the first exemplary embodiment in FIGS. 1 and 2.
In Figur 3 ist eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems dargestellt. Das Antriebssystem umfasst eine Ladevorrichtung 10b, eine elektrische Antriebsmaschine 13b und eine Leistungselektronik 22b. Zudem umfasst das Antriebssystem eine Akkuvorrichtung 11 b. FIG. 3 shows an alternative embodiment of a drive system according to the invention. The drive system comprises a charging device 10b, an electric drive machine 13b and a power electronics 22b. In addition, the drive system comprises a battery device 11 b.
Die Ladevorrichtung 10b ist analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel ausgestaltet. Die Ladevorrichtung 10b umfasst eine Filtereinheit 59b und eine Überwachungseinheit 26b. Weiter umfasst die Ladevorrichtung 10b eine Gleichrichtschaltung 12b mit angebundener Leistungsfaktorkorrekturschaltung 25b und eine Umschalteinheit 27b zum Umschalten zwischen einem einphasigen Ladebetrieb und einem mehrphasigen La- debetrieb. Zudem umfasst die Ladevorrichtung 10b eine Entstöreinheit 60b mit einem Netz-Ableitkondensator 21 b und einen Tiefsetzsteller 20b. Die Leistungselektronik 22b umfasst analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel zwei weitere Netz- Ableitkondensatoren 24b, 66b. Die Ladevorrichtung 10b ist in einem Ladebetriebsmodus an einen Sternpunkt 14b der Antriebsmaschine 13b angebunden, über den drei Motorspulen 15b, 16b, 17b der Antriebmaschine 13b miteinander verbunden sind. Ein Leiter 18b der Ladevorrichtung 10b ist elektrisch mit dem Sternpunkt 14b der Antriebsmaschine 13b verbunden. In den Leiter 18b ist ein Trennelement 19b eingebunden, das dazu vorgesehen ist, die Gleichrichtschaltung 12b und die Antriebsmaschine 13b in einem Fahrbe- triebsmodus elektrisch voneinander zu trennen The charging device 10b is configured analogously to the preceding embodiment. The charging device 10b comprises a filter unit 59b and a monitoring unit 26b. Furthermore, the charging device 10b comprises a rectification circuit 12b with connected power factor correction circuit 25b and a switching unit 27b for switching between a single-phase charging operation and a multi-phase charging operation. debetrieb. In addition, the charging device 10b comprises a suppression unit 60b with a mains dissipation capacitor 21b and a step-down converter 20b. The power electronics 22b comprise, analogously to the preceding exemplary embodiment, two further network leakage capacitors 24b, 66b. The charging device 10b is connected in a loading mode to a star point 14b of the engine 13b, via which three motor coils 15b, 16b, 17b of the drive machine 13b are connected to each other. A conductor 18b of the charger 10b is electrically connected to the star point 14b of the engine 13b. In the conductor 18b, a separator 19b is included, which is provided to electrically separate the rectifying circuit 12b and the engine 13b in a driving mode of operation
Im Unterschied zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel umfasst die Leistungselektronik 22b eine Inverterschaltung 23b, die als eine Drei-Level-Inverterschaltung ausgebildet ist. Die Inverterschaltung 23b umfasst insgesamt sechs Halbbrücken 35b, 35b', 36b, 36b', 37b, 37b'. Jeweils zwei der Halbbrücken 35b, 35b', 36b, 36b', 37b, 37b' sind für eine Phase 28b, 29b, 30b der Antriebsmaschine 13b vorgesehen. Die jeweils paarweise angeordneten Halbbrücken 35b, 35b', 36b, 36b', 37b, 37b', die für eine der Phasen 28b, 29b, 30b vorgesehen sind, sind zwischen zwei Leiter 33b, 34b der Inverterschaltung 23b geschaltet. Die Phasen 28b, 29b, 30b sind jeweils an einen Punkt zwischen den beiden entsprechenden Halbbrücken 35b, 35b', 36b, 36b', 37b, 37b' angebunden. Brückenpunkte aller sechs Halbbrücken 35b, 35b', 36b, 36b', 37b, 37b' sind jeweils über eine Diode an einen Leiter 48b der Ladevorrichtung 10b angebunden, der in die Inverterschaltung 23b hineingeführt ist. Ein Zwischenkreis 65b der Leistungselektronik 22b weist zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren auf. Der Leiter 48b, an den die zusätzlichen Dioden der Inverterschaltung 23b angebunden sind, ist an einem Punkt zwischen den beiden Kondensatoren des Zwischenkreises 65b angebunden. Der Leiter 48b der Ladevorrichtung und die beiden Leiter 33b, 34b der Interverschaltung bilden drei unterschiedliche Potentiale für die Drei-Level-Inverterschaltung aus. Der Leiter 48b der Ladevorrichtung definiert dabei ein Mitten- oder Nullpotential, gegen das Potentiale der beiden Leiter 33b, 34b verschoben sind. Unlike the previous embodiment, the power electronics 22b includes an inverter circuit 23b formed as a three-level inverter circuit. The inverter circuit 23b comprises a total of six half-bridges 35b, 35b ', 36b, 36b', 37b, 37b '. In each case two of the half bridges 35b, 35b ', 36b, 36b', 37b, 37b 'are provided for a phase 28b, 29b, 30b of the drive machine 13b. The paired half-bridges 35b, 35b ', 36b, 36b', 37b, 37b ', which are provided for one of the phases 28b, 29b, 30b, are connected between two conductors 33b, 34b of the inverter circuit 23b. The phases 28b, 29b, 30b are each connected to a point between the two corresponding half-bridges 35b, 35b ', 36b, 36b', 37b, 37b '. Bridge points of all six half bridges 35b, 35b ', 36b, 36b', 37b, 37b 'are each connected via a diode to a conductor 48b of the charging device 10b, which is led into the inverter circuit 23b. An intermediate circuit 65b of the power electronics 22b has two capacitors connected in series. The conductor 48b, to which the additional diodes of the inverter circuit 23b are connected, is connected at a point between the two capacitors of the intermediate circuit 65b. The charging conductor 48b and the two interconnectors 33b, 34b of the interconnection circuit constitute three different potentials for the three-level inverter circuit. The conductor 48b of the charging device defines a center or zero potential against which potentials of the two conductors 33b, 34b are displaced.

Claims

Daimler AG Patentansprüche Daimler AG claims
1. Kraftfahrzeugantriebssystem mit einer Ladevorrichtung (10a; 10b), die zum Laden einer Akkuvorrichtung (11a; 11 b) mittels eines externen Stromnetzes vorgesehen ist und die wenigstens eine mehrphasige Gleichrichtschaltung (12a; 12b) aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine Wechselspannung des externen Stromnetzes in eine Gleichspannung umzuwandeln, und mit einer elektrischen Antriebsmaschine (13a; 13b), die wenigstens zwei an einem Sternpunkt (14a; 14b) zusammengeführte Motorspulen (15a, 16a, 17a; 15b, 16b, 17b) aufweist, A motor vehicle drive system comprising a charging device (10a, 10b) for charging a rechargeable battery device (11a, 11b) by means of an external power supply and having at least one multi-phase rectifying circuit (12a, 12b) provided with an AC voltage of the with an electric drive machine (13a, 13b), which has at least two motor coils (15a, 16a, 17a, 15b, 16b, 17b) connected together at a star point (14a, 14b),
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Gleichrichtschaltung (12a; 12b) in wenigstens einem Betriebsmodus elektrisch an den Sternpunkt (14a; 14b) der Antriebsmaschine (13a; 13b) angebunden ist.  in at least one operating mode, the rectification circuit (12a, 12b) is electrically connected to the star point (14a, 14b) of the drive machine (13a, 13b).
2. Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 1 , 2. Motor vehicle drive system according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Ladevorrichtung (10a; 0b) wenigstens einen Leiter ( 8a; 8b) aufweist, der elektrisch mit dem Sternpunkt (14a; 14b) verbunden ist.  the charging device (10a; 0b) has at least one conductor (8a; 8b) which is electrically connected to the neutral point (14a; 14b).
3. Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, 3. Motor vehicle drive system according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Ladevorrichtung (10a; 10b) ein Trennelement (19a; 19b) aufweist, das dazu vorgesehen ist, die Gleichrichtschaltung (12a; 12b) und die Antriebsmaschine (13a; 13b) in wenigstens einem Betriebsmodus zumindest teilweise elektrisch voneinander zu trennen. the charging device (10a, 10b) has a separating element (19a, 19b) which is provided to at least partially electrically separate the rectifying circuit (12a, 12b) and the driving machine (13a, 13b) from each other in at least one operating mode.
4. Kraftfahrzeugantriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 4. Motor vehicle drive system according to one of the preceding claims, characterized in that
die Ladevorrichtung (10a; 10b) zumindest einen Tiefsetzsteller (20a; 20b) aufweist, der dazu vorgesehen ist, die Gleichspannung der Gleichrichtschaltung (12a; 12b) in eine Ladespannung umzuwandeln.  the charging device (10a; 10b) has at least one step-down converter (20a; 20b) which is provided to convert the DC voltage of the rectification circuit (12a; 12b) into a charging voltage.
5. Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 4, 5. Motor vehicle drive system according to claim 4,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Tiefsetzsteller (20a; 20b) elektrisch zwischen der Gleichrichtschaltung (12a; 12b) und der Antriebsmaschine (13a; 13b) angeordnet ist.  the step-down converter (20a; 20b) is electrically arranged between the rectifying circuit (12a; 12b) and the driving machine (13a; 13b).
6. Kraftfahrzeugantriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. Motor vehicle drive system according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Ladevorrichtung (10a; 10b) wenigstens einen Netz-Ableitkondensator (21a; 21 b) aufweist.  the charging device (10a, 10b) has at least one power dissipation capacitor (21a, 21b).
7. Kraftfahrzeugantriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. Motor vehicle drive system according to one of the preceding claims,
gekennzeichnet durch  marked by
eine Leistungselektronik (22a; 22b), die wenigstens eine in Reihe mit der Gleichrichtschaltung (12a; 12b) geschaltete Inverterschaltung (23a; 23b) aufweist.  power electronics (22a, 22b) having at least one inverter circuit (23a, 23b) connected in series with the rectifying circuit (12a, 12b).
8. Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 7, 8. Motor vehicle drive system according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Inverterschaltung (23b) zumindest eine 3-Level-lnverterschaltung ausbildet.  the inverter circuit (23b) forms at least a 3-level inverter circuit.
9. Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 7 oder 8, 9. Motor vehicle drive system according to claim 7 or 8,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Leistungselektronik (22a; 22b) wenigstens einen Netz-Ableitkondensator (24a, 66a; 24b, 66b) aufweist.  the power electronics (22a, 22b) has at least one network bypass capacitor (24a, 66a, 24b, 66b).
10. Kraftfahrzeugantriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 10. Motor vehicle drive system according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Ladevorrichtung (10a; 10b) zumindest eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung (25a; 25b) aufweist, die dazu vorgesehen ist, einen Leistungsfaktor anzupassen. the charging device (10a; 10b) comprises at least one power factor correction circuit (25a; 25b) adapted to adjust a power factor.
11. Kraftfahrzeugantriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 11. Motor vehicle drive system according to one of the preceding claims, characterized in that
die Ladevorrichtung (10a; 10b) eine Überwachungseinheit (26a; 26b) aufweist, die dazu vorgesehen ist, wenigstens eine elektrische Versorgungs- und/oder Vorrichtungskenngröße zu überwachen.  the charging device (10a; 10b) has a monitoring unit (26a; 26b) which is provided to monitor at least one electrical supply and / or device parameter.
12. Kraftfahrzeugantriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 12. Motor vehicle drive system according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Ladevorrichtung (10a; 10b) eine Umschalteinheit (27a; 27b) aufweist, die dazu vorgesehen ist, wahlweise einen einphasigen Ladebetriebsmodus oder einen mehrphasigen Ladebetriebsmodus zu schalten.  the charging device (10a; 10b) has a switching unit (27a; 27b) which is designed to selectively switch a single-phase charging operating mode or a multi-phase charging operating mode.
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