DE10151153A1 - Device for charging batteries for electric vehicles has converter containing inverter for producing a.c. voltage from step-up device's D.C. output and rectifier coupled via transformer - Google Patents
Device for charging batteries for electric vehicles has converter containing inverter for producing a.c. voltage from step-up device's D.C. output and rectifier coupled via transformerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden von Batterien für Elektrofahrzeuge, insbesondere zum Schnelladen von Batterien für Personenkraftwagen, EV und NGV (Electric Vehicle und Neighbourhood Electric Vehicle). The invention relates to a device for charging batteries for Electric vehicles, in particular for fast charging batteries for Passenger cars, EV and NGV (Electric Vehicle and Neighborhood Electric Vehicle).
Die Batterien der bekannten Elektrofahrzeuge werden mit Ladegeräten aufgeladen, die an ein Dreh- oder Wechselstromnetz angeschlossen werden. Die bekannten Ladegeräte für Elektrofahrzeuge erlauben entweder einen gesteuerten Ausgangsspannungs- oder einen gesteuerten Ausgangsstrombetrieb, wobei Ausgangsspannung und -strom an den jeweiligen Ladezustand der zu ladenden Batterie angepaßt wird. The batteries of the well-known electric vehicles are equipped with chargers charged, which are connected to a three-phase or alternating current network. The known chargers for electric vehicles either allow a controlled one Output voltage or a controlled output current operation, wherein Output voltage and current to the respective state of charge of the to be charged Battery is adjusted.
Die Regelung von Ausgangsspannung und -strom erfolgt bei den bekannten Ladegeräten mit Leistungshalbleitern, die eine relativ hohe Verlustleistung haben. Daher ist eine massive Kühlung erforderlich, die u. a. Geräusche verursacht. The regulation of output voltage and current takes place in the known Chargers with power semiconductors that have a relatively high power loss. Therefore, massive cooling is required, which u. a. Caused noise.
Da ein Betrieb der Ladegeräte nicht nur an speziellen Ladestationen, beispielsweise Tankstellen, sondern auch zu Hause in der Garage möglich sein sollte, wird ein kompakter und leichter Aufbau angestrebt. Der Einsatz der Ladegeräte muß auch außerhalb geschlossener Räume möglich sein, so dass die Ladegeräte vor äußeren Einflüssen, wie Witterung, tiefen und hohen Temperaturen sowie Feuchtigkeit zu schützen sind. Since the chargers are not only operated at special charging stations, For example, gas stations, but also at home in the garage should be aimed at a compact and lightweight structure. The use of the Chargers must also be possible outside of enclosed spaces, so that the Chargers from external influences, such as weather, low and high Protect temperatures and moisture.
Zum Schutz vor äußeren Einflüssen verfügen die bekannten Ladegeräte über Schutzhauben. Nachteilig ist, dass die Wärme aufgrund der relativ hohen Verlustleistung über die Schutzhaube nur schlecht abgeleitet werden kann. Im Übrigen erweisen sich die Schutzhauben der bekannten Ladegeräte vielfach nicht als spritzwasserfest. The well-known chargers have protection against external influences Protective hoods. The disadvantage is that the heat due to the relatively high It is difficult to dissipate power loss through the protective hood. in the Otherwise, the protective hoods of the known chargers often fail as splashproof.
Die Ladegeräte sind nicht nur gegen Spritzwasser, sondern auch vor einer Kondenswasserbildung in Folge eines Temperatursturzes zu schützen. Eine Kondenswasserbildung kann mit den Schutzhauben der bekannten Ladegeräte aber nicht sicher vermieden werden. The chargers are not only against splash water, but also in front of one Protect condensation from a drop in temperature. A Condensation can form with the protective hoods of the well-known chargers but cannot be avoided with certainty.
Eine wichtige Forderung an die Ladegeräte ist eine galvanische Trennung zwischen Dreh- oder Wechselstromnetz einerseits und Fahrzeugbatterie andererseits. Zur galvanischen Trennung finden im Allgemeinen Transformatoren Verwendung. Der Einsatz eines Transformators sollte aber die Abmessungen und das Gewicht des Ladegeräts nicht entscheidend erhöhen. An important requirement for the chargers is galvanic isolation between three-phase or alternating current network on the one hand and vehicle battery on the other hand. Transformers are generally used for electrical isolation Use. The use of a transformer should, however, the dimensions and do not significantly increase the weight of the charger.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Laden von Batterien für Elektrofahrzeuge zu schaffen, die sich durch einen kompakten Aufbau und eine universelle Einsetzbarkeit auszeichnet. The invention has for its object a device for loading To create batteries for electric vehicles that stand out through a compact Structure and universal applicability.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 10. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. This object is achieved with the features of claims 1 and 10. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Die Schaltung der Ladevorrichtung umfaßt zwei Komponenten, nämlich einen gesteuerten Hochsetzsteller und einem dem Hochsetzsteller nachgeschalteten Umrichter. Der gesteuerte Hochsetzsteller erzeugt eine Gleichspannung aus einer ein- oder mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Wechselspannung, die kleiner als die Gleichspannung ist. Derartige Hochsetzsteller als solche gehören zum Stand der Technik. Sie werden auch als Aufwärtswandler bezeichnet. Die Ansteuerung des gesteuerten Hochsetzsteller kann mit einer Steuerschaltung in bekannter Weise erfolgen. The circuit of the charging device comprises two components, namely one controlled boost converter and one downstream of the boost converter Inverter. The controlled step-up converter generates a DC voltage from a single or multi-phase, especially three-phase AC voltage, the smaller than the DC voltage is. Such step-up converters as such belong to the State of the art. They are also called step-up converters. The The controlled step-up converter can be controlled with a control circuit done in a known manner.
Der Umrichter weist einen Wechselrichter zur Erzeugung einer Wechselspannung aus der Gleichspannung des Hochsetzstellers und einen Gleichrichter zur Erzeugung einer Gleichspannung aus der Wechselspannung des Wechselrichters auf. Zur galvanischen Trennung sind Wechselrichter und Gleichrichter über einen vorzugsweise Ferrit-Transformator gekoppelt. Der Transformator zur Kopplung von Wechsel- und Gleichrichter braucht eine nur geringe Leistung zu haben. Auch sind die Abmessungen gering. The converter has an inverter for generating an AC voltage from the DC voltage of the step-up converter and a rectifier Generation of a DC voltage from the AC voltage of the inverter on. For electrical isolation, the inverters and rectifiers are connected via one preferably coupled ferrite transformer. The transformer for coupling of inverters and rectifiers need only have a low output. Also the dimensions are small.
Die Kombination von gesteuertem Hochsetzsteller und Umrichter erlaubt sowohl einen gesteuerten Ausgangsspannungs- als auch einen gesteuerten Ausgangsstrombetrieb. Da die Steilfunktion der Ausgangsspannung (Batterieladespannung) nur von dem gesteuerten Hochsetzsteller übernommen wird, ist die Realisierung eines sehr verlustarmen Umrichters möglich. Der Umrichter liefert eine nahezu perfekte Gleichspannung mit minimaler Oberwellenbelastung, während der Hochsetzsteller einen Kosinus φ nahe 1 für Strom und Spannung im Eingang erlaubt. Dabei ist ein sehr niedriges Leistungsgewicht möglich, woraus sich der kompakte Aufbau der Ladevorrichtung ergibt. The combination of controlled step-up converter and converter allows both a controlled output voltage as well as a controlled one Output current operation. Because the slope function of the output voltage (Battery charging voltage) only taken over by the controlled step-up converter a very low-loss converter is possible. The Converter delivers an almost perfect DC voltage with minimal Harmonic load, while the step-up converter has a cosine φ close to 1 for Current and voltage allowed in the entrance. Here is a very low one Power-to-weight ratio possible, which results in the compact structure of the Charger results.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Ladevorrichtung ist im Hochsetzsteller ein Eingangsfilter zur Vermeidung von Netzrückwirkungen mit einer ein- oder mehrphasigen Seriendrossel vorgeschaltet. Die dreiphasige Seriendrossel zeichnet sich bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform durch eine geringe Verlustleistung bei geringen Abmessungen aus. Vorzugsweise ist dem Umrichter zur Glättung der Gleichspannung ein Ausgangsfilter mit einer Seriendrossel und einem Glättungskondensator nachgeschaltet. Vorteilhafterweise weist der Ausgangsfilter einen Überspannungsschutz auf. In a preferred embodiment of the loading device is in Boost converter with an input filter to avoid mains interference upstream of a single or multi-phase series choke. The three-phase Series throttle stands out in a particularly preferred embodiment by a low power loss with small dimensions. Preferably is an inverter with an output filter for smoothing the DC voltage Series choke and a smoothing capacitor. advantageously, the output filter has overvoltage protection.
Der Hochsetzsteller ist vorzugsweise in Drehstrombrückenschaltung mit IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistor) als Leistungshalbleiter ausgeführt. Grundsätzlich können aber auch andere Leistungshalbleiter zum Ein- und Ausschalten der Ströme verwendet werden. The step-up converter is preferably in a three-phase bridge circuit with IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) designed as a power semiconductor. In principle, however, other power semiconductors can be used for input and Turning off the currents can be used.
Der Wechselrichter des Umrichters weist vorzugsweise zwei in Serie geschaltete IGBT's und zwei in Serie geschaltete Kondensatoren auf, wobei die Serienschaltung der IGBT's mit der Serienschaltung der Kondensatoren parallel .geschaltet ist. Der Gleichrichter des Umrichters ist vorzugsweise in bekannter Brückenschaltung aus Dioden ausgeführt. The inverter of the converter preferably has two series connected IGBT's and two capacitors connected in series, the Series connection of the IGBTs in parallel with the series connection of the capacitors is switched. The rectifier of the converter is preferably known Bridge circuit made of diodes.
Neben der besonderen Schaltungstechnik ist der kompakte Aufbau der Ladevorrichtung durch eine Aufteilung des Gehäuses in zwei Gehäuseteile möglich, wobei der eine Gehäuseteil von Kühlluft durchströmt werden kann und der andere Gehäuseteil gegenüber der Umgebung abgeschlossen, vorzugsweise hermetisch abgedichtet ist. Der von Kühlluft durchströmbare Gehäuseteil nimmt die eine höhere Verlustleistung erzeugenden Komponenten der Ladevorrichtung, insbesondere den Hochsetzsteller und den Umrichter mit den Leistungshalbleitern auf, während der gegenüber der Umgebung abgeschlossene Gehäuseteil die eine geringere Verlustleistung erzeugenden Komponenten, beispielsweise die Steuerschaltung, das Bedienungsfeld etc. umschließt. In addition to the special circuit technology, the compact design of the Charging device by dividing the housing into two housing parts possible, the one housing part can be flowed through by cooling air and the other housing part is sealed off from the environment, preferably is hermetically sealed. The housing part through which cooling air can flow takes the components of the charging device which generate a higher power loss, in particular the step-up converter and the converter with the power semiconductors on, while the sealed off from the environment the one lower power-generating components, such as the Control circuit that encloses the control panel etc.
Bei dem die Komponenten mit der höheren Verlustleistung aufnehmendem Gehäuseteil wird von einem "Kamineffekt" Gebrauch gemacht. In der unteren Hälfte des Gehäuseteils ist ein Lufteintritt und in der oberen Hälfte des Gehäuseteils ein Luftaustritt für die Kühlluft vorgesehen. Die Kühlluft kann somit von unten in das Gehäuse ein- und von oben wieder austreten. Vorzugsweise befinden sich die Komponenten mit der höchsten Verlustleistung, insbesondere mit den Leistungshalbleitern, in der unteren Gehäusehälfte. Aufgrund der Erwärmung steigt die Kühlluft in dem Gehäuse auf, so dass sich ein Kühlluftstrom einstellt. Dieser wird vorzugsweise mit einem oder mehreren Lüftern unterstützt. Die Lüfter befinden sich vorzugsweise am Luftaustritt, wo verhältnismäßig viel Platz im Gehäuse ist. In which the components with the higher power dissipation Housing part is made use of a "chimney effect". In the lower one Half of the housing part is an air inlet and in the upper half of the Part of the housing provided an air outlet for the cooling air. The cooling air can thus Enter the housing from below and exit again from above. Preferably are the components with the highest power dissipation, in particular with the power semiconductors, in the lower half of the housing. Due to the Heating rises the cooling air in the housing, so that a cooling air flow established. This is preferably supported by one or more fans. The fans are preferably located at the air outlet, where a relatively large amount There is space in the housing.
Zur Unterstützung des Kamineffekts sollte der von Kühlluft durchströmbare Gehäuseteil möglichst flach nach Art eines Schachts ausgebildet sein. Dadurch wird vermieden, das die in dem Gehäuse aufsteigende und sich abkühlende Luft wieder abfällt. To support the chimney effect, cooling air should flow through it Housing part should be as flat as possible in the manner of a shaft. Thereby is avoided that the rising and cooling air in the housing falls off again.
Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse der Ladevorrichtung für die Wandmontage konzipiert. Um das Gehäuse auch im Freien aufstellen zu können, sind Verschraubungen der Gehäuseplatten vorzugsweise mit zusätzlichen Abdeckungen verschlossen, die nur mit Spezialwerkzeug oder Schlüsseln abgenommen werden können. Auf diese Weise ist die Ladevorrichtung weitgehend gegen Demontage. bzw. Diebstahl geschützt. Zusätzlich besteht noch die Möglichkeit des Betriebs der Ladevorrichtung über einen Inkassoautomaten, der die Vorrichtung für eine bestimmte Zeitdauer gegen Bezahlung oder bargeldlos aktiviert. In a further preferred embodiment, the housing is the Charger designed for wall mounting. To the housing also in To be able to set up outdoors, the housing plates are screwed together preferably closed with additional covers that only with Special tools or keys can be removed. In this way the loading device is largely against disassembly. or theft protected. In addition, there is also the possibility of operating the loading device via a debt collection machine that counteracts the device for a certain period of time Payment or cashless activated.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Ladevorrichtung verfügt über eine Einrichtung zur Druckentlastung, die eine Strömungsverbindung zwischen dem gegenüber der Umgebung abgeschlossenen Gehäuseteil und dem offenen Gehäuseteil bei Aufbau eines Überdrucks in dem abgeschlossenen Gehäuseteil herstellt. Für den Fall, dass es in dem abgeschlossenen Gehäuseteil zu einer Lichtbogenbildung kommen sollte, können die heißen Gase aus dem abgeschlossenen Gehäuseteil durch die Strömungsverbindung über das offene Gehäuseteil gefahrlos nach außen abgeleitet werden. A particularly preferred embodiment of the charging device has a device for pressure relief, which is a flow connection between the closed housing part from the environment and the open Housing part when excess pressure builds up in the closed housing part manufactures. In the event that it is in the closed housing part Should arcing occur, the hot gases can escape from the closed housing part through the flow connection via the open Housing part can be safely discharged to the outside.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Einrichtung zur Druckentlastung einen Durchlaß in der Trennwand zwischen den beiden Gehäuseteilen auf, wobei der Durchlaß von einem Verschlußteil dicht verschlossen ist, das den Durchlaß nur bei Überschreiten eines bestimmten Überdrucks öffnet. Zweckmäßigerweise ist der Verschlußteil eine von der Trennwand lösbare Klappe oder dgl. In a preferred embodiment, the device has pressure relief a passage in the partition between the two housing parts, wherein the passage is tightly closed by a closure member that the passage only opens when a certain overpressure is exceeded. Conveniently, is the closure part a detachable flap or the like from the partition.
Eine starke Abkühlung des Gehäuses hat eine Volumenverringerung der in dem Gehäuse befindlichen Luft zur Folge. Aufgrund der Volumenverringerung der Luft wird in dem gegenüber der Umgebung abgeschlossenen Gehäuseteil ein Unterdruck erzeugt, so dass sich Kondenswasser bilden kann. Die Kondenswasserbildung wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform von einer Einrichtung zum Angleichen der Wasserdampfkonzentration zwischen den beiden Gehäuseteilen verhindert. Die Einrichtung weist vorzugsweise eine Umkehrosmose-Membran auf, über die bei einem Temperatursturz einen Druckausgleich zwischen den beiden Gehäuseteilen hergestellt wird. A strong cooling of the housing has a volume reduction in the Air contained in the housing. Due to the volume reduction of the Air is absorbed in the housing part which is sealed off from the surroundings Vacuum generated so that condensation can form. The Condensation is formed in a particularly preferred embodiment from a device for adjusting the water vapor concentration between the two housing parts prevented. The device preferably has one Reverse osmosis membrane on which a drop in temperature Pressure equalization between the two housing parts is established.
Reparaturarbeiten werden bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform durch ein zweiteiliges Gehäuse erleichtert, das die Komponenten von mehreren Seiten zugänglich macht. Repair work is another particularly preferred Embodiment facilitated by a two-part housing that the Makes components accessible from several sides.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Laden von Batterien für Elektrofahrzeuge unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. The following is an embodiment of the device for loading Batteries for electric vehicles explained in more detail with reference to the figures.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 den Schaltplan mit den wesentlichen Komponenten der Batterieladevorrichtung, Fig. 1 shows the circuit diagram with the main components of the battery loading device,
Fig. 2 die Ladevorrichtung in der Draufsicht, Fig. 2, the loading device in a top view,
Fig. 3 die Ladevorrichtung aus der Ansicht des Pfeils I von Fig. 1, Fig. 3, the charging device from the view of the arrow I of Fig. 1,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Gehäuseunterteils in der Draufsicht, Fig. 4 is a perspective view of the housing lower part in plan view,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des Gehäuseunterteils in der Draufsicht, wobei einzelne Komponenten nicht dargestellt sind, Fig. 5 is a perspective view of the housing lower part in plan view, with individual components are not shown,
Fig. 6 das Gehäuseoberteil in der Unteransicht, Fig. 6, the housing upper part in the bottom view,
Fig. 7 die dreiphasige Drossel des Eingangsfilters der Schaltung der Ladevorrichtung in geschnittener Darstellung und Fig. 7 shows the three-phase choke of the input filter of the circuit of the charging device in a sectional view and
Fig. 8 einen Schnitt durch die Drossel von Fig. 7. Fig. 8 shows a section through the choke of Fig. 7.
Fig. 1 zeigt die wesentlichen Komponenten der Schaltung der Vorrichtung zum Laden von Batterien für Elektrofahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen. Die wesentlichen Komponenten der Schaltung sind ein gesteuerter Hochsetzsteller 1 (Aufwärtswandler) und ein dem Hochsetzsteller nachgeschalteter Resonanz- Umrichter 2. Fig. 1 shows the essential components of the circuit of the device for charging batteries for electric vehicles, in particular passenger cars. The essential components of the circuit are a controlled step-up converter 1 (step-up converter) and a resonance converter 2 connected downstream of the step-up converter.
Der gesteuerte Hochsetzsteller ist in Drehstrombrückenschaltung mit IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistor) 3 als Leistungshalbleiter ausgeführt. Es sind jeweils zwei IGBT's in Serie geschaltet, wobei jeweils drei Serienschaltungen der IGBT's parallel geschaltet sind. Zum Schutz vor Überspannung ist jedem IGBT 3 ist eine Freilauf-Diode 4 gegensinnig parallel geschaltet. Der Hochsetzsteller 1 wird von einer zentralen Steuerschaltung 5 derart angesteuert, dass er aus einer festen dreiphasigen Wechselspannung (L1, L2, L3) eine variable Gleichspannung erzeugt, die größer als die Speisespannung (Netzspannung) ist. Zur Glättung der pulsierenden Gleichspannung weist der Hochsetzsteller 1 einen Spannungszwischenkreis 28 auf, der aus zwei Symmetrierwiderständen 6 und zwei Zwischenkreiskondensatoren 7 besteht. The controlled step-up converter is designed in a three-phase bridge circuit with IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) 3 as power semiconductors. Two IGBTs are connected in series, with three series connections of the IGBTs being connected in parallel. To protect against overvoltage, a free-wheeling diode 4 is connected in parallel in opposite directions to each IGBT 3 . The step-up converter 1 is controlled by a central control circuit 5 in such a way that it generates a variable DC voltage from a fixed three-phase AC voltage (L 1 , L 2 , L 3 ) which is greater than the supply voltage (mains voltage). To smooth the pulsating DC voltage, the step-up converter 1 has a voltage intermediate circuit 28 which consists of two balancing resistors 6 and two intermediate circuit capacitors 7 .
Dem Hochsetzsteller 1 ist ein Eingangsfilter 8 mit einer dreiphasigen Seriendrossel 9 vorgeschaltet. An input filter 8 with a three-phase series choke 9 is connected upstream of the step-up converter 1 .
Der Resonanz-Umrichter 2 weist einen Wechselrichter 10 und einen Gleichrichter 11 auf. Der Wechselrichter 10 formt die Gleichspannung des Hochsetzstellers 1 in eine Wechselspannung um, während der Gleichrichter 11 aus der Wechselspannung des Wechselrichters 10 wieder eine Gleichspannung erzeugt. Zur galvanischen Trennung sind Wechsel- und Gleichrichter 10, 11 mit einem Ferrittransformator 12 gekoppelt. Die Ansteuerung des Resonanz-Umrichters 2 erfolgt mit der Steuerschaltung 5. Der Umrichter 2 wird mit einer Taktfrequenz > 40 kHz betrieben. The resonance converter 2 has an inverter 10 and a rectifier 11 . The inverter 10 converts the DC voltage of the step-up converter 1 into an AC voltage, while the rectifier 11 again generates a DC voltage from the AC voltage of the inverter 10 . For electrical isolation, inverters and rectifiers 10 , 11 are coupled to a ferrite transformer 12 . The resonance converter 2 is controlled by the control circuit 5 . The converter 2 is operated at a clock frequency> 40 kHz.
Der einphasige Wechselrichter 10 des Umrichters 2 weist zwei in Serie geschaltete IGBT's 13 mit Freilaufdioden 25 und zwei in Serie geschaltete Kondensatoren 14 auf, wobei die Serienschaltung der IGBT's mit der Serienschaltung der Kondensatoren parallel geschaltet ist. Der Gleichrichter 11 ist in Brückenschaltung mit Dioden 26 ausgeführt. Die beiden Eingangsanschlüsse des Transformators 12 sind jeweils mit den Mittelpunkten der Serienschaltung der Kondensatoren 14 bzw. IGBT's 13 verbunden, während die Ausgangsanschlüsse des Transformators mit den Mittelpunkten der Serienschaltungen der Diode 26 verbunden sind. The single-phase inverter 10 of the converter 2 has two IGBTs 13 connected in series with free-wheeling diodes 25 and two capacitors 14 connected in series, the series connection of the IGBTs being connected in parallel with the series connection of the capacitors. The rectifier 11 is designed in a bridge circuit with diodes 26 . The two input connections of the transformer 12 are each connected to the center points of the series connection of the capacitors 14 or IGBTs 13 , while the output connections of the transformer are connected to the center points of the series connection of the diode 26 .
Dem Resonanz-Umrichter 2 ist ein Ausgangsfilter 15 nachgeschaltet. Zur Glättung der pulsierenden Gleichspannung weist der Ausgangsfilter eine Seriendrossel 16 und einen Glättungskondensator 17 auf. Darüber hinaus verfügt der Ausgangsfilter 15 über einen Überspannungsschutz 18, der einen Leistungshalbleiter 19, beispielsweise Triac, und einen Widerstand 20 sowie eine Diode 27 als Verpolungsschutz aufweist. Der Überspannungsschutz reduziert die Ausgangsspannung im Bedarfsfall schlagartig auf 0. Am Ausgang des Ausgangsfilters 15 liegt eine Ausgangsspannung (Ladespannung) von bis zu 500 V, DC an (15 kW). An output filter 15 is connected downstream of the resonance converter 2 . To smooth the pulsating DC voltage, the output filter has a series choke 16 and a smoothing capacitor 17 . In addition, the output filter 15 has an overvoltage protection 18 , which has a power semiconductor 19 , for example a triac, and a resistor 20 and a diode 27 as reverse polarity protection. The overvoltage protection reduces the output voltage in case of need abruptly to 0. At the output of the output filter 15 an output voltage (charge voltage) is up to 500 V DC at (15 kW).
Der gesteuerte Hochsetzsteller 1 in Verbindung mit dem Resonanz-Umrichter 2 erlaubt sowohl die Einstellung einer konstanten Ausgangsspannung (Ladespannung) bei geregeltem Ausgangsstrom (Ladestrom) als auch die Einstellung eines konstanten Ladestroms bei geregelter Ausgangsspannung. The controlled step-up converter 1 in connection with the resonance converter 2 allows both the setting of a constant output voltage (charging voltage) with regulated output current (charging current) and the setting of a constant charging current with regulated output voltage.
Neben den obigen Komponenten weist die Ladevorrichtung noch eine Steuereinrichtung 21 zur Kommunikation zwischen der Steuerschaltung 5 der Ladevorrichtung und dem Batteriemanagement des Elektrofahrzeugs auf. Die Steuereinrichtung 21 kommuniziert mit der Steuerschaltung 5 über Optokoppler 22. Die Bedienung der Ladevorrichtung erfolgt über ein Bedienungsfeld 23 mit einer Tastatur, wobei die Funktionen der Ladevorrichtung auf einem Display 24 angezeigt werden. Die Stromversorgung der Ladevorrichtung übernimmt ein Netzteil 29. Alternativ kann das Batteriemanagement in der Steuereinrichtung integriert werden. In addition to the above components, the charging device also has a control device 21 for communication between the control circuit 5 of the charging device and the battery management of the electric vehicle. The control device 21 communicates with the control circuit 5 via optocouplers 22 . The charging device is operated via a control panel 23 with a keyboard, the functions of the charging device being shown on a display 24 . A power supply 29 takes over the power supply of the charging device. Alternatively, the battery management can be integrated in the control device.
Die Komponenten der Ladevorrichtung nimmt ein Gehäuse 40 auf, das zur Wandmontage bestimmt ist. Das Gehäuse 40 weist eine in der Gebrauchslage vertikale Rückwand 41, eine Vorderwand 42 und eine horizontale Bodenplatte 43 und Deckplatte 44 sowie Seitenwände 45, 46 auf, die aus Blech gefertigt sind. Es besteht aus einem Gehäuseunterteil 47 und einem aufklappbaren Gehäuseoberteil 48, das dicht auf dem Gehäuseunterteil 47 mit einer aufgesteckten Druck- und EMV-Dichtung sitzt. The components of the charging device accommodate a housing 40 which is intended for wall mounting. The housing 40 has a vertical rear wall 41 in the position of use, a front wall 42 and a horizontal base plate 43 and cover plate 44 as well as side walls 45 , 46 which are made of sheet metal. It consists of a lower housing part 47 and a hinged upper housing part 48 which sits tightly on the lower housing part 47 with an attached pressure and EMC seal.
An der Bodenplatte 43 des Gehäuses 1 ist mittig eine Buchse 49 zum Anschluß eines Verbindungskabels 50 vorgesehen, mit dem die Ladevorrichtung an das Elektrofahrzeug angeschlossen wird. Ebenso befindet sich an der Gehäuseunterseite der Austritt für das Netzkabel 51 zum Anschluß der Ladevorrichtung an ein Drehstromnetz, welcher bei der Installation herumgezogen werden kann und bei montiertem Kabel -geführt- eingeschoben und verschraubt wird. A socket 49 is provided in the center of the base plate 43 of the housing 1 for connecting a connecting cable 50 with which the charging device is connected to the electric vehicle. Also located on the underside of the housing is the outlet for the mains cable 51 for connecting the charging device to a three-phase network, which can be pulled around during installation and inserted and screwed in with the cable installed.
Das Verbindungskabel 50 weist an seinem einen Ende einen gehäuseseitigen Stecker 52 auf, der passend in die Buchse 49 gesteckt werden kann, und an seinem anderen Ende einen fahrzeugseitigen Stecker 53, der passend in eine nicht dargestellte Buchse des Fahrzeuges gesteckt werden kann. Der fahrzeugseitige Stecker 53 weist einen Verriegelungsmechanismus 54 auf, mit dem sich der Stecker in der Buchse des Fahrzeugs fest verriegeln läßt. Die Verriegelung erfolgt durch Schwenkrastung des Hebels 55. The connecting cable 50 has at one end a housing-side plug 52 , which can be inserted into the socket 49 , and at its other end a vehicle-side plug 53 , which can be inserted into a socket, not shown, of the vehicle. The vehicle-side connector 53 has a locking mechanism 54 with which the connector can be locked firmly in the socket of the vehicle. The locking takes place by pivoting the lever 55 .
An der einen Seitenwand 46 des Gehäuseunterteils 47 ist eine Halterung 56 vorgesehen, in der sich der Stecker dann in Parkstellung verriegeln läßt, wenn die Ladevorrichtung nicht in Betrieb ist. Die Halterung 56 für den Stecker 53 ist eine Buchse, die der Buchse des Fahrzeugs entspricht. On one side wall 46 of the lower housing part 47 , a holder 56 is provided, in which the plug can be locked in the park position when the charging device is not in operation. The holder 56 for the plug 53 is a socket which corresponds to the socket of the vehicle.
An der Vorderwand 42 des Gehäuses 1 befindet sich das Bedienungsfeld 23 mit der Tastatur und das Display 24 (Fig. 1). The control panel 23 with the keyboard and the display 24 ( FIG. 1) are located on the front wall 42 of the housing 1 .
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Draufsicht auf das Gehäuseunterteil 47 und Fig. 6 zeigt eine Unteransicht des Gehäuseoberteils 48. Das Gehäuse 1 ist durch eine Trennwand 57 im Gehäuseunterteil 47 in einen ersten Gehäuseteil 58 und einen zweiten Gehäuseteil 59 getrennt. Der erste Gehäuseteil 58 wird von der Trennwand 57 sowie den Seitenwänden 45 und 46 sowie der Rückwand 41 des Gehäuses umschlossen, während der zweite Gehäuseteil 59 von der Trennwand 57 und der Vorderwand 42 sowie den Seitenwänden 45, 46 des Gehäuses umschlossen wird. FIGS. 4 and 5 show a plan view of the lower housing part 47, and Fig. 6 shows a bottom view of the upper housing part 48. The housing 1 is separated by a partition 57 in the lower housing part 47 into a first housing part 58 and a second housing part 59 . The first housing part 58 is enclosed by the partition 57 and the side walls 45 and 46 and the rear wall 41 of the housing, while the second housing part 59 is enclosed by the partition 57 and the front wall 42 and the side walls 45 , 46 of the housing.
Der erste Gehäuseteil 58 nimmt die eine höhere Verlustleistung erzeugenden Komponenten der Ladevorrichtung auf. Zu diesen Komponenten zählen insbesondere der Hochsetzsteller 1 und der Resonanz-Umrichter 2 mit den Leistungshalbleitern. Dem gegenüber nimmt der zweite Gehäuseteil 59 die eine geringere Verlustleistung erzeugenden Komponenten der Ladevorrichtung auf, zu denen beispielsweise das Bedienungsfeld 23 mit der Tastatur und das Display 24 zählen. Die einzelnen Komponenten sind in den Figuren nur andeutungsweise dargestellt. Allein entscheidend ist die Anordnung der Komponenten in Abhängigkeit von der Verlustleistung in den beiden Gehäuseteilen. The first housing part 58 accommodates the components of the charging device which generate a higher power loss. These components include in particular the step-up converter 1 and the resonance converter 2 with the power semiconductors. In contrast, the second housing part 59 accommodates the components of the charging device which generate less power loss, which include, for example, the control panel 23 with the keyboard and the display 24 . The individual components are only hinted at in the figures. The only decisive factor is the arrangement of the components depending on the power loss in the two housing parts.
An der Bodenplatte 43 und den Seitenwänden 45, 46 befinden sich in der unteren Hälfte des ersten Gehäusteils 58 Lufteintrittsöffnungen 60. Luftaustrittsöffnungen 61 befinden sich an der Deckplatte 44 und den Seitenwänden 45, 46 in der oberen Hälfte des ersten Gehäusteils 58. Das erste Gehäuseteil 47 wird von Kühlluft durchströmt, die von unten durch die Lufteintrittsöffnungen 60 in das Gehäuse eintritt und von oben aus den Luftaustrittsöffnungen 63 aus dem Gehäuse ausströmt. Diese Luftströmung ist darauf zurückzuführen, dass die sich aufgrund der Verlustleistung der Komponenten erwärmende Luft nach oben steigt. Dieser Kamineffekt wird dadurch verstärkt, dass die Komponenten, die die höchste Verlustleistung erzeugen, am Gehäuseboden angeordnet sind. Zur Unterstützung der Luftströmung befinden sich an den oberen Gehäuseseiten jeweils ein Lüfter 62, der mit einem abnehmbaren Luftgrill 63 abgedeckt ist. Air inlet openings 60 are located on the bottom plate 43 and the side walls 45 , 46 in the lower half of the first housing part 58 . Air outlet openings 61 are located on the cover plate 44 and the side walls 45 , 46 in the upper half of the first housing part 58 . Cooling air flows through the first housing part 47 , which enters the housing from below through the air inlet openings 60 and flows out of the housing from the air outlet openings 63 from above. This air flow is due to the fact that the air that heats up due to the power loss of the components rises. This chimney effect is reinforced by the fact that the components that generate the highest power loss are arranged on the housing base. To support the air flow, there is a fan 62 on the upper housing sides, which is covered with a removable air grill 63 .
Das die eine geringere Verlustenergie erzeugenden Komponenten aufnehmende zweite Gehäuseteil 59 ist über die Trennwand 57 hermetisch dicht gegenüber dem offenen ersten Gehäuseteil 58 abgedichtet. Die Trennwand erstreckt sich im Wesentlichen in der halben Höhe des Gehäuseunterteils 4R. Sie dient gleichzeitig der Aufnahme und Befestigung der einzelnen Komponenten in den beiden Gehäuseteilen. The second housing part 59 , which receives the components that generate less loss energy, is hermetically sealed against the open first housing part 58 via the partition 57 . The partition extends essentially half the height of the lower housing part 4 R. It also serves to receive and fasten the individual components in the two housing parts.
Zur Druckentlastung weist die Ladevorrichtung eine Einrichtung 64 auf, die eine Strömungsverbindung zwischen dem ersten und zweiten Gehäuseteil 58, 59 herstellt, wenn sich in dem gegenüber der Umgebung dicht verschlossenen zweiten Gehäuseteil 59 ein Überdruck aufbaut. Dies kann beispielsweise bei einer Lichtbogenbildung der Fall sein. Die Einrichtung 64 zur Druckentlastung weist einen Durchlaß 65 in Form von zwei Durchbrüchen 66 in einem vorspringenden Teil 67 der Trennwand 57 auf. Die beiden Durchbrüche 66 sind jeweils mit einer dünnen Blechklappe 68 dicht verschlossen. Die Verbindung zwischen Trennwand 57 und Blechplatten 68 ist derart beschaffen, dass sich die Blechplatten bei einem geringen Überdruck in dem zweiten Gehäuseteil 59 lösen, so dass die heißen Gase aus dem ersten Gehäuseteil 59 über die Durchbrüche 68 in der Trennwand 57 in den zweiten Gehäuseteil 58 und über dessen Lufteintritts- und -austrittsöffnungen 60, 61 nach außen strömen können. Da sich die Einrichtung 64 zur Druckentlastung in der unteren Hälfte des Gehäuseunterteils 47 befindet, in der die Komponenten, insbesondere Metallteile, angeordnet sind, die eine besonders große Wärmespeicherkapazität haben, wird über die Luftein- und -austrittsöffnungen bei einer Lichtbogenbildung Luft mit einer verhältnismäßig geringen Temperatur abgeführt. Die heißen Gase: können an den Komponenten mit der besonders hohen Wärmespeicherkapazität schon im Gehäuseinneren abkühlen, was einen besonders guten Personenschutz auch im Falle eines unwahrscheinlichen aber nie ganz auszuschließenden elektrischen Defekts bedeutet. To relieve pressure, the charging device has a device 64 which establishes a flow connection between the first and second housing parts 58 , 59 when an overpressure builds up in the second housing part 59, which is sealed off from the environment. This can be the case, for example, in the event of arcing. The device 64 for pressure relief has a passage 65 in the form of two openings 66 in a projecting part 67 of the partition 57 . The two openings 66 are each sealed with a thin sheet metal flap 68 . The connection between the partition wall 57 and the sheet metal plates 68 is such that the sheet metal plates come loose in the second housing part 59 at a slight overpressure, so that the hot gases from the first housing part 59 via the openings 68 in the partition wall 57 into the second housing part 58 and can flow to the outside via its air inlet and outlet openings 60 , 61 . Since the device 64 for pressure relief is located in the lower half of the lower housing part 47 , in which the components, in particular metal parts, are arranged, which have a particularly large heat storage capacity, air with a relatively small amount is generated via the air inlet and outlet openings during arcing Dissipated temperature. The hot gases: can cool down inside the housing on the components with the particularly high heat storage capacity, which means particularly good personal protection even in the event of an unlikely but never completely impossible electrical defect.
Zur Vermeidung einer Kondenswasserbildung in dem Gehäuse 1 bei einem starken Temperatursturz ist eine Einrichtung 69 zum, Angleichen der Wasserdampfkonzentration in den beiden Gehäuseteilen 58, 59 vorgesehen. Die Einrichtung 69 umfaßt einen Durchlaß 70 in Form von Bohrungen 71 in der Trennwand 57, der mit einer in der perspektivischen Darstellung nicht erkennbaren Umkehrosmose-Filter verschlossen ist. Zum einen wird die Volumenverringerung der in dem zweiten Gehäuseteil 59 eingeschlossenen Luft bei einem Temperatursturz über den Umkehrosmose-Filter ausgeglichen, zum anderen kann in Gegenrichtung Wasserdampf nach außen entweichen, so dass eine Kondenswasserbildung vermieden wird. Der Umkehrosmose-Filter ist in beide Richtungen für Luft und Wasserdampf durchlässig, nämlich von dem abgeschlossenen zweiten Gehäuseteil 59 in den offenen ersten Gehäuseteil 58 und umgekehrt. In order to avoid condensation in the housing 1 in the event of a sharp drop in temperature, a device 69 for equalizing the water vapor concentration in the two housing parts 58 , 59 is provided. The device 69 comprises a passage 70 in the form of bores 71 in the partition 57 , which is closed with a reverse osmosis filter which cannot be seen in the perspective view. On the one hand, the reduction in volume of the air enclosed in the second housing part 59 is compensated for in the event of a drop in temperature via the reverse osmosis filter, on the other hand, water vapor can escape to the outside in the opposite direction, so that condensation is avoided. The reverse osmosis filter is permeable to air and water vapor in both directions, namely from the closed second housing part 59 into the open first housing part 58 and vice versa.
Das Gehäuseoberteil 52 nimmt mehrere Glättungskondensatoren 71 auf, die mittels Stromschienen 72 in Serie und parallel geschaltet sind. Die Glättungskondensatoren 71 halten die Welligkeit des Ladestroms klein, so dass die zu ladende Fahrzeugbatterie und die Motoren der Lüfter geschont werden. Neben den Kondensatoren 71 sind in dem Gehäuseoberteil die eine geringere Verlustleistung erzeugenden Komponenten 73 zusammen mit einem weiteren Lüfter 74 angeordnet, der im sogenannten Reinraum die Luft umwälzt. The upper housing part 52 accommodates a plurality of smoothing capacitors 71 , which are connected in series and in parallel by means of busbars 72 . The smoothing capacitors 71 keep the ripple of the charging current small, so that the vehicle battery to be charged and the motors of the fans are protected. In addition to the capacitors 71 , the components 73 that generate a lower power loss are arranged in the upper part of the housing together with a further fan 74 , which circulates the air in the so-called clean room.
Die dreiphasige Seriendrossel 9 in der Eingangsstufe 8 zur Begrenzung der Netzrückwirkungen (Fig. 1) ist unterhalb der Einrichtung 64 zur Druckentlastung in dem offenen ersten Gehäuseteil 58 angeordnet. Die Fig. 7 und 8 zeigen die Seriendrossel in geschnittener Darstellung. Für jede Phase weist die Seriendrossel einen zylindrischem Schalen-Spulenkörper 75 mit einer zylindrischen Ausnehmung 76 auf, in dem eine zylindrische Spule 77 sitzt. Die Cu- Anschlußleiter 80 sind jeweils seitlich aus dem Spulenkörper 75 herausgeführt. Die Spulenkörper bestehen aus einem weichmagnetischen Pulverwerkstoff hoher Dichte und spezifischem Gewicht, der in Kunststoff eingebunden ist. The three-phase series choke 9 in the input stage 8 for limiting the network perturbations ( FIG. 1) is arranged below the device 64 for pressure relief in the open first housing part 58 . FIGS. 7 and 8 show the series inductor in a sectional view. For each phase, the series choke has a cylindrical shell coil body 75 with a cylindrical recess 76 , in which a cylindrical coil 77 is seated. The Cu connecting conductors 80 are each led out laterally from the coil body 75 . The coil formers consist of a soft magnetic powder material of high density and specific weight, which is integrated in plastic.
Die Spulenkörper 75 der Seriendrossel 9 sind gepreßt nebeneinander angeordnet, wobei der obere Spulenkörper mit einer Abdeckplatte 79 abgedeckt ist. Die Spulenkörper sind gemeinsam mit einem elektrisch isolierenden Gießharz zu einem festen Verbund vergossen. Hierzu sind die Spulen 77 in den Spulenkörpern 75 durch 120° Bohrungen 78 verbunden, die sich jeweils an der Seite eines Spulenkörpers befinden, die an den benachbarten Spulenkörper angrenzt. Die Abdeckplatte 78 des oberen Spulenkörpers weist ebenfalls eine Bohrung 78 auf. Das Gießharz wird von oben durch die obere Bohrung 78 in die Spalte zwischen Spule und Spulenkörper 75, 76 gegossen, so dass das Gießharz durch die Bohrungen von einem Spulenkörper zu dem anderen fließt, bis sämtliche Spalte vollständig ausgefüllt und die Spulenkörper zu einer einzigen 3-phasen Drossel vergossen sind, der die Spulen spaltfrei umhüllt und so eine relativ gute Wärmeableitung ermöglicht. The coil form 75 of the series choke 9 are pressed next to one another, the upper coil form being covered with a cover plate 79 . The coil formers are cast together with an electrically insulating casting resin to form a firm bond. For this purpose, the coils 77 in the bobbins 75 are connected by 120 ° bores 78 , which are each on the side of a bobbin that is adjacent to the adjacent bobbin. The cover plate 78 of the upper coil former also has a bore 78 . The casting resin is poured from above through the upper bore 78 into the gap between the coil and the coil body 75 , 76 , so that the casting resin flows through the holes from one coil body to the other until all the gaps are completely filled and the coil bodies form a single 3- phase choke are cast, which envelops the coils without a gap and thus enables relatively good heat dissipation.
Da Spulenkörper mit Blechen, die aufgrund von Wirbelstromverlusten zu starken Erwärmungen führen, nicht vorhanden sind, hat die Seriendrossel eine sehr geringe Verlustleistung. Die Verlustleistung ist etwa um den Faktor 5-6 geringer als bei konventionellen Drosseln mit schon dünnen Blechen. Auch sind die Abmessungen deutlich geringer. Because bobbins with sheets that are too strong due to eddy current losses Cause warming, are not present, the series choke has a very low power dissipation. The power loss is about a factor of 5-6 less than with conventional chokes with thin sheets. They are too Dimensions significantly smaller.
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