Electric Vehicle Powertrain Integrated Charging

Batterieelektrische Fahrzeuge benötigen ein im Fahrzeug eingebautes Ladegerät, um die Energie aus dem Wechselstromnetz für die Gleichstrom- Batterie aufzubereiten. Integriertes Laden ist eine Methode der Integration von Ladefunktionalität in die Antriebsstrangkomponenten, welche während des Parkens außer Betrieb sind, mit dem Ziel, Kosten, Gewicht und Volumen des Ladegerät zu sparen. Das Laden ohne die Sicherheitsmaßnahme einer galvanischen Trennung im Ladegerät ist möglich mit zusätzlichen Maßnahmen gegen elektrischen Schlag, z.B. mit einer Fehlerstromerkennung und entsprechenden Trenneinrichtung. ... mehrIm Stand der Technik wurden 33 integrierte Ladekonzepte gefunden und bezüglich Antriebsstrangnutzung, benötigte Komponenten, Drehmoment der elektrischen Maschine und Wirkungsgrad verglichen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neues galvanisch getrenntes integriertes Ladekonzept beschrieben, mit dem Ziel, die Effizienz zu verbessern und gleichzeitig auftretendes Drehmoment in der Maschine zu vermeiden. Der Antriebsstrang wird als DC/DC-Wandler mit der elektrischen Maschine als Transformator im Stillstand genutzt. Berechnungen zeigen eine maximale Effizienz von 88%. Ansätze zur Verbesserung des Wirkungsgrads und zur Integration des Energieflusses im Bordnetz werden in dieser Arbeit vorgeschlagen und diskutiert. Allerdings muss der Rotorkäfig geöffnet werden, um ein Drehmoment während des Laden zu vermeiden. Dies stellt einen ähnlichen Aufwand dar wie die Darstellung eines separaten Ladegeräts. Somit ist dieses Konzept aus heutiger Sicht wegen niedriger Effizienz und hoher Kosten gegenüber einem separaten Ladegerät nicht konkurrenzfähig.
Zwei Ladekonzepte ohne galvanische Trennung, die eine sechsphasige elektrische Maschine als in Serie geschaltete Hoch- und Tiefsetzsteller nutzen, werden im Rahmen der Arbeit vorgestellt und bezüglich der benötigten Komponenten, der Effizienz und des Drehmoments des Maschine ausgearbeitet. Die Antriebsstrangverluste werden für die Ladebedingungen mit Gleichströmen analysiert, basierend auf neuen Materialcharakterisierungen für die angewendete Belastung. Es wurden Wirkungsgrade bis zu 93% demonstriert und auch in theoretischen Berechnungen mit einer maximalen Abweichung von ±1% zum experimentellen Befund bestätigt. Zum Schutz gegen elektrischen Schlag bei nicht isolierten Ladekonzepten werden drei Konzepte für eine Fehlerstrommessung präsentiert und anhand von Messergebnissen analysiert. Siliziumkarbid-Inverter-Technologien zeigen in Kombination mit diesen Ladekonzepten Wirkungsgrade, die vergleichbar zu herkömmlichen separaten Ladegeräten sind, und weisen dabei deutlich geringere Kosten auf.

Battery electric vehicles require an AC charger, which is usually located onboard the vehicle, to supply the battery with energy when the vehicle is parked. Integrated charging is a method that aims to minimize charger weight, cost, and volume by integration of the charging functionality into other powertrain components that are not used when the vehicle is parked. Charging can be galvanically isolated, or non-isolated if other safety measures e.g. detection and interruption of supply are used to avoid electrical shock. Thirty three state of the art integrated charging methods are found and compared in terms of powertrain use, required components, shaft torque of the e-drive, and efficiency. ... mehr
A new isolated integrated charger concept is described and aims to improve efficiency while avoiding shaft rotation. The drive system is used as a DC/DC converter with the electrical machine as a transformer at standstill. The rotor needs to be opened to prevent shaft rotation during charging, which is as expensive as a dedicated charger. Theoretical analysis indicates a maximum charger efficiency of 88%. Novel methods for efficiency improvements and integration of energy supply to the board net are proposed and reviewed. The low efficiency and high cost make this concept unsuitable.
In order to avoid these drawbacks, two novel non-isolated charger concepts using a six-phase e-drive as a series connected boost-buck converter are proposed and analyzed in terms of extra components, efficiency, and shaft torque during charging. Drivetrain losses are assessed under charging conditions with DC currents and are based on new material characterizations for the used load conditions. Efficiencies up to 93% are measured and are well within a ±1% deviation of the calculations and simulations. Three concepts for fault current measurements are presented and reviewed with experimental results in order to provide protection against electrical shock for these charger concepts. Silicon carbide inverter technology shows charging efficiencies on par with dedicated chargers at a significantly lower cost level.