DE102009033185A1

DE102009033185A1 - Ladesystem und Ladeverfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs und Fahrzeug mit einem solchen Ladesystem

Info

Publication number: DE102009033185A1
Application number: DE102009033185A
Authority: DE
Inventors: Mathias Dipl.-Ing. Deiml; Konstantin Dipl.-Ing. Walter; Christian Dipl.-Ing. Probst; Thomas Dipl.-Ing. Beiderbeck
Original assignee: AVL Software and Functions GmbH
Current assignee: AVL Software and Functions GmbH
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2029-07-16
Also published as: DE102009033185B4; WO2010130607A2; WO2010130607A3

Abstract

Es ist ein Ladesystem und ein Ladeverfahren zum Laden einer Batterie (1) eines Fahrzeugs sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Ladesystem bereitgestellt. Das Ladesystem umfasst einen Umrichter (2), eine Schalteinheit (4; 15, 16; 17) und mindestens einen Stromnetz-Lade-Anschluss (12). Der Umrichter (2) ist an seiner Gleichspannungsseite an eine Batterie (1) angeschlossen und dient zum Umrichten der von einer Batterie (1) gelieferten Gleichspannung in eine für einen Elektromotor (3) zum Antrieb des Fahrzeugs verwendbare variable Wechselspannung. Die Schalteinheit (4; 15, 16; 17) ist an die Wechselspannungsseite des Umrichters (2) und an den Elektromotor (3) angeschlossen. Der mindestens eine Stromnetz-Lade-Anschluss (12) ist an die Wechselspannungsseite des Umrichters (2) und an die Schalteinheit (4; 15, 16; 17) angeschlossen und dient zum Anschließen eines externen Stromversorgungsnetzes (7) an den Umrichter (2). Hierbei ist die Schalteinheit (4; 15, 16; 17) zum Trennen des Anschlusses zwischen dem Umrichter (2) und dem Elektromotor (3) vorgesehen, wenn der Umrichter (2) als Ladegerät für die Batterie (1) verwendet werden soll.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem und Ladeverfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Ladesystem, wobei die Batterie an einem herkömmlichen Stromversorgungsnetz mit den üblichen Kenngrößen, wie beispielsweise 220 bzw. bis zu 240 V (einphasiges Wechselstromnetz) oder ca. 400 V (Drehstromnetz), aufgeladen werden soll.
Derzeit werden Batterien vorrangig für Elektrofahrzeuge, wie Elektrokraftfahrzeuge, mittels eines separaten Ladegerätes, welches üblicherweise außerhalb des Kraftfahrzeuges angeordnet ist, aufgeladen. Dies erfordert das Vorhandensein eines externen bzw. separaten Ladegerätes, welches zudem die auf den Batterietyp abgestimmten Kennwerte und Kenngrößen, wie beispielsweise Stromstärke, Spannung und dergleichen, aufweist. Häufig ist hierfür das Aufsuchen eines speziellen Ortes, an dem ein derartiges Ladegerät vorhanden ist, oder der Mittransport eines derartigen Ladegerätes notwendig.
Hierfür sind gemäß den bisherigen Ladevorgängen Ladegeräte verwendet worden, deren Funktion in der Umwandlung der Netzspannung des Stromnetzes in eine Gleichspannung sowie der geregelten Einstellung der Ladespannung bzw. des Ladestroms entsprechend dem Ladezustand und den Anforderungen der Batterie besteht.
Gemäß 7 wurde in der Regel hierfür ein Ladegerät 100 zwischen einer Batterie 200 des Elektrofahrzeuges und einem Stromnetzanschluss 300 zwischengeschaltet. Das Ladegerät 100 ist parallel zu einem während des Fahrbetriebs benutzten Umrichter 400, der mit einem Fahrzeugmotor 500 verbunden ist, geschaltet.
DE 102 13 210 A1 offenbart ein batteriebetriebenes Fahrzeug, bei welchem ein in das Fahrzeug eingebautes elektronisches Steuergerät die Ladefunktion für die Batterie des Fahrzeugs regelt. Hierzu ist das Steuergerät mit einem zusätzlichen Wandler versehen. Das Steuergerät und der Wandler sind zwischen einen Netzanschluss und eine Eingangsseite eines Wechselrichter-Leistungsteils geschaltet, welches den Drehstrommotor des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt. Der Netzanschluss dient zum Anschließen an eine normale Steckdose zum Aufladen der Batterie.
Bei diesem Stand der Technik ist jedoch zusätzlich zu den üblicherweise vorhandenen Bauteilen des batteriebetriebenen Fahrzeugs noch der Einbau eines zusätzlichen Wandlers erforderlich.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Ladesystem und Ladeverfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Ladesystem zur Verfügung zu stellen, mit welchen eine Aufladung einer Batterie eines Fahrzeugs ohne externes Ladegerät möglich ist und hierbei in das Fahrzeug so wenige zusätzliche Bauteile wie möglich einzubauen sind.
Die Aufgabe wird durch ein Ladesystem zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs nach Patentanspruch 1 gelöst. Das Ladesystem umfasst einen Umrichter, eine Schalteinheit und mindestens einen Stromnetz-Lade-Anschluss. Der Umrichter ist an seiner Gleichspannungsseite an eine Batterie angeschlossen und dient zum Umrichten der von einer Batterie gelieferten Gleichspannung in eine für einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs verwendbare variable Wechselspannung. Die Schalteinheit ist an die Wechselspannungsseite des Umrichters und an den Elektromotor angeschlossen. Der mindestens eine Stromnetz-Lade-Anschluss ist an die Wechselspannungsseite des Umrichters und an die Schalteinheit angeschlossen und dient zum Anschließen eines externen Stromversorgungsnetzes an den Umrichter. Hierbei ist die Schalteinheit zum Trennen des Anschlusses zwischen dem Umrichter und dem Elektromotor vorgesehen, wenn der Umrichter als Ladegerät für die Batterie verwendet werden soll.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Ladesystems sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Vorzugsweise umfasst der Umrichter einen Zwischenkreis zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie und eine Spannungserhöhungseinrichtung zur Erhöhung der Spannung des Zwischenkreises auf eine höhere Spannung als die Spannung des externen Stromversorgungsnetzes, wenn die Schalteinheit den Anschluss zwischen dem Umrichter und dem Elektromotor trennt und der Umrichter als Ladegerät für die Batterie verwendet werden soll.
Der Umrichter kann mindestens einen Inverter zur Wandlung der Gleichspannung der Batterie in eine Wechselspannung für den Elektromotor aufweisen. Hierbei kann der Inverter mindestens zwei Leistungsschalter aufweisen, die jeweils einen Transistor in Parallelschaltung zu einer Diode umfassen. Hierbei können die zwei Leistungsschalter in Reihe geschaltet sein.
Der Inverter hat vorzugsweise drei Reihenschaltungen aus jeweils zwei Leistungsschaltern umfasst, wobei die drei Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind und zu dem Zwischenkreis parallel geschaltet sind. Hierbei kann ein Stromnetz-Lade-Anschluss an einen Knotenpunkt zwischen den zwei Leistungsschaltern des Inverters angeschlossen sein. Ferner kann die Schalteinheit an einen Knotenpunkt zwischen den zwei Leistungsschaltern des Inverters angeschlossen sein.
Es ist denkbar, dass der Elektromotor ein in eine Sternschaltung geschalteter Drehstrommotor ist und die Schalteinheit den Sternpunkt der Sternschaltung auftrennt, wenn der Umrichter als Ladegerät für die Batterie verwendet werden soll.
Der Umrichter ist vorzugsweise ein Doppelumrichter, welcher einen ersten Inverter zur Wandlung der Gleichspannung der Batterie in eine erste Wechselspannung für den Elektromotor und einen zweiten Inverter zur Wandlung der Gleichspannung der Batterie in eine zweite Wechselspannung für den Elektromotor aufweist, wobei der Elektromotor zwischen dem ersten Inverter und dem zweiten Inverter angeschlossen ist, und wobei die Schalteinheit derart zwischen dem ersten und zweiten Inverter angeschlossen ist, dass sie einen Anschluss zwischen dem ersten und zweiten Inverter auftrennen kann.
Es ist möglich, dass die Schalteinheit aus einer ersten Schaltteileinheit und einer zweiten Schaltteileinheit besteht, die jeweils zwischen dem ersten und zweiten Inverter des Doppelumrichters derart angeschlossen sind, dass die erste und die zweite Schaltteileinheit jeweils einen Anschluss zwischen dem ersten und zweiten Inverter auftrennen können.
Die Schalteinheit kann Teil des Elektromotors oder an dem Elektromotor angeordnet sein.
Vorzugsweise umfasst das Ladesystem zudem eine Freigabeschalteinrichtung zum Entsperren einer Tankklappe des Fahrzeugs und zur Entriegelung des mindestens einen Stromnetz-Lade Anschlusses, wenn die Spannungserhöhungseinrichtung die Spannung des Zwischenkreises auf eine höhere Spannung als die Spannung des externen Stromversorgungsnetzes erhöht hat.
Ferner umfasst das Ladesystem vorzugsweise auch eine Auswerfschalteinrichtung zum Auswerfen des mindestens einen Stromnetz-Lade Anschlusses, der als Stecker ausgeführt ist, wenn die Batterie aufgeladen ist.
Die Aufgabe wird zudem durch ein Fahrzeug nach Patentanspruch 12 gelöst, welches einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs, eine Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie, und ein Ladesystem aufweist, wie zuvor beschrieben.
Die Aufgabe wird zudem durch das Ladeverfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs nach Patentanspruch 13 gelöst. Das Ladeverfahren dient zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs mit einem Ladesystem, welches einen Umrichter, der an seiner Gleichspannungsseite an die Batterie angeschlossen ist, zum Umrichten der von einer Batterie gelieferten Gleichspannung in eine für einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs verwendbare variable Wechselspannung, eine Schalteinheit, die an die Wechselspannungsseite des Umrichters und an den Elektromotor angeschlossen ist, und mindestens einen Stromnetz-Lade-Anschluss, der an die Wechselspannungsseite des Umrichters und an die Schalteinheit angeschlossen ist, zum Anschließen eines externen Stromversorgungsnetzes an den Umrichter aufweist, mit den Schritten: Trennen eines Anschlusses zwischen dem Elektromo tor und dem Umrichter; Erhöhen eines Werts der Spannung des Zwischenkreises des Umrichters über einen Wert der Spannung des externen Stromversorgungsnetzes; Anschließen des externen Stromversorgungsnetzes an den Umrichter; Gleichrichten der Wechselspannung des externen Stromversorgungsnetzes; Einstellen der Ladecharakteristika des Ladesystems gemäß den Ladeanforderungen der Batterie mittels eines Spannungsanpassungsmoduls des Umrichters; und Ladender Batterie mit dem Ladesystem.
Mit dem Ladesystem und Ladeverfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs sowie mit dem Fahrzeug, die zuvor beschrieben sind, ist ein externes Ladegerät nicht mehr erforderlich. Aufgrund dessen kann ein komplettes Ladegerät mit Leistungshalbleitern und Steuergerät eingespart werden. Dadurch wird der Betrieb eines batteriebetriebenen Fahrzeugs erheblich vereinfacht, da das Fahrzeug nicht mehr an spezielle Orte gebunden ist, an denen ein für das Fahrzeug passendes Ladegerät vorgehalten wird. Somit wird der Betriebsradius des batteriebetriebenen Fahrzeugs vergrößert.
Zudem ist das zuvor beschriebene Ladesystem, Ladeverfahren und Fahrzeug für eine Aufladung der Batterie bei verschiedensten Ladesituationen, wie verschiedenen Restbatteriespannungen und Stromversorgungsnetzen problemlos einsetzbar.
Ebenso wird bei dem zuvor beschriebenen Ladesystem, Ladeverfahren und Fahrzeug ein Umrichter, der in batteriebetriebenen Fahrzeugen bisher nur als Spannungswandler zwischen Batterie und Elektromotor des Fahrzeugs vorhanden ist, nun auch zur Ausführung der Ladefunktion verwendet. Durch diese Doppelfunktion des Umrichters sind keine oder nur wenige zusätzliche Bauteile zur Ermöglichung einer Ladefunktion erforderlich, wodurch der Bauraum, das Gewicht und die Kosten des zuvor beschriebenen Ladesystems und Fahrzeugs gegenüber einem herkömmlichen batteriebetriebenen Fahrzeug mit Ladefunktion erheblich reduziert bzw. eingespart werden können.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Ladesystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein detailliertes Blockschaltbild eines Ladesystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3A, 3B ein Flussdiagramm, welches den Ablauf eines Ladevorgangs einer Batterie mit dem Ladesystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verdeutlicht;
4 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Ladesystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ein detailliertes Blockschaltbild eines Ladesystems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ein detailliertes Blockschaltbild eines Ladesystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
7 ein Blockschaltbild eines Ladesystems gemäß dem Stand der Technik.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
In 1 ist ein Ladesystem gezeigt, bei welchem eine Batterie 1 direkt mit einem Umrichter 2 verbunden ist, der eine Verbindung mit einem Motor bzw. Elektromotor 3 aufweist, wobei zwischen dem Umrichter 2 und dem Elektromotor 3 eine Schalteinheit 4 angeordnet ist. Diese Schalteinheit 4, welche innerhalb einer kombinierten Leistungselektronik 5 zusammen mit dem Umrichter 2 angeordnet ist, unterbricht dann die Verbindungsleitung zwischen dem Elektromotor 3 und dem Umrichter 2, wenn eine Aufladung der Batterie 1 über den Umrichter 2 mittels Verbindungsleitungen 6 von Seiten eines externen Stromversorgungsnetzes 7 erfolgt. Anschließend wird nach Abschaltung des externen Stromnetzes bzw. nachdem das Fahrzeug vom externen Stromversorgungsnetz 7 abgehängt worden ist, wieder die Schalteinheit 4 derart umgeschaltet, dass eine direkte Verbindung zwischen Elektromotor 3 und dem Umrichter 2 besteht.
Das heißt, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird bei batteriebetriebenen Fahrzeugen, deren Batterie 1 an einem vorhandenen externen Stromversorgungsnetz 7 aufgeladen wer den kann, anstelle eines separaten Ladegerätes, die Funktion des Ladegerätes mit einem bereits ohnehin bei batteriebetriebenen Fahrzeugen vorhandenen Umrichters 2 realisiert. Um hierbei nicht mittels des externen Stromnetzes den Elektromotor 3 mitanzutreiben, kann die Schalteinheit 4 die elektrische Verbindung zwischen dem Elektromotor 3 und dem Umrichter 2 unterbrechen.
Der Umrichter 2 ist ein Stromrichter, der aus Gleichstrom bzw. Gleichspannung eine Ausgangsspannung mit variabler Spannung und Frequenz erzeugt oder aus einer Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt. Das heißt, der Umrichter 2 kann aus dem Gleichstrom bzw. der Gleichspannung der Batterie 1 eine Ausgangsspannung mit variabler Spannung und Frequenz erzeugen, um die Drehrichtung und Drehzahl des Elektromotors 3 zu steuern. Zudem kann der Umrichter 2 aus der 1-phasigen oder 3-phasigen Wechselspannung des Elektromotors 3 eine Gleichspannung für die Batterie erzeugen. Dies geschieht durch Leistungselektronik und damit im Gegensatz zu einem Umformer ohne mechanische Zwischenenergie. Der Elektromotor 3 ist in 2 ein Drehstrommotor.
2 zeigt eine detailliertere Darstellung des zuvor beschriebenen Ladesystems und insbesondere des Umrichters 2. Die aus dem Umrichter 2 und der Schalteinheit 4 gebildete kombinierte Leistungselektronikeinheit 5 ist an ihrer Eingangsseite, und damit an der Gleichspannungsseite des Umrichters 2, mit der Batterie 1 verbunden. Zudem ist die kombinierte Leistungselektronikeinheit 5 an ihrer Wechselspannungsseite, und damit an der Ausgangsseite der Schalteinheit 4, mit dem Elektromotor 3 verbunden. Die kombinierte Leistungselektronikeinheit 5 weist außerdem eine Spannungsanpassungseinheit 9, einen Zwischenkreis 10, einen Inverter 11 und drei Stromnetz-Ladeanschlüsse 12 auf.
Mittels der Spannungsanpassungseinheit 9 kann eine Anpassung der Spannung der durch den Umrichter 2 gleichgerichteten Wechselspannung des Stromversorgungsnetzes 7 an den jeweiligen Ladezustand der Batterie 1 und die jeweiligen Ladeanforderungen der Batterie 1, wie beispielsweise Ladestrom und Ladespannung, erfolgen. Vorzugsweise ist die Spannungsanpassungseinheit 9 ein Tiefsetzsteller.
Beim Betrieb des Umrichters 2 als Stromrichter muss die elektrische Energie in dem Zwischenkreis 10 gespeichert werden, was in der Regel durch Gleichrichtung und einen nachgeschalteten Zwischenkreiskondensator (Voltage Source Inverter, kurz VSI) oder eine Zwischenkreis-Drossel mit eingeprägtem Strom (Current Source Inverter, kurz CSI) geschieht. Im nächsten Schritt wird der Gleichstrom durch einen Wechselrichter in Wechselstrom der gewünschten Frequenz umgewandelt. In 2 ist der Zwischenkreis 10 ein Kondensator.
Der Inverter 11 ist in 2 aus einer Mehrzahl von Leistungsschaltern 11a gebildet, die jeweils aus einem Transistor 11b und einer zu dem Transistor 11b parallel geschalteten Diode 11c bestehen. Es sind jeweils zwei Leistungsschalter 11a in Reihe geschaltet. Zudem gibt es in 2 drei Reihenschaltungen, die jeweils zwei Leistungsschalter 11a umfassen. Die drei Reihenschaltungen sind in 2 einander parallel geschaltet. Darüber hinaus sind die drei Reihenschaltungen auch parallel zu der Spannungsanpassungseinheit 9 und dem Zwischenkreis 10 geschaltet. Die Reihenschaltungen aus den zwei Leistungsschaltern bilden also drei Halbbrücken. An dem Knotenpunkt jeder Halbbrücke, also zwischen den in Reihe geschalteten zwei Leistungsschaltern 11a, ist jeweils ein Stromnetz-Lade-Anschluss 12 angeschlossen. Zudem ist an diesen Knotenpunkten auch die Schalteinheit 4 angeschlossen.
Die zu dem Stromnetz führenden Stromnetz-Lade-Anschlüsse 12 sind in 2 mit der Schalteinheit 4 verbunden und führen den Strom über die Spannungsanpassungseinheit 9 dem Inverter 11 zur Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom der Batterie 1 zu, wenn die Schalteinheit 4 die Verbindung zu dem Elektromotor 3 unterbricht.
Bevorzugt ist die Schalteinheit 4 am oder direkt bei dem Elektromotor 3 angeordnet, so dass keine separate Unterbrechung der Verbindungskabel 8 zwischen dem Umrichter 2 und dem Elektromotor 3 für den Einbau einer derartigen Schalteinheit 4 erforderlich ist. Bei einem in Stern geschalteten Elektromotor 3 kann die Schalteinheit 4 auch derart integriert sein, dass sie den Sternpunkt auftrennt.
Das heißt, gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Funktion eines Ladegerätes für die Batterie 1 durch den bereits vorhandenen Umrichter 2 des Fahrzeugs realisiert. Zugleich wird der Elektromotor 3 mit Hilfe einer zusätzlich eingebauten Schalteinheit 4 während eines Ladevorganges mittels des externen Stromversorgungsnetzes 7 abgeklemmt.
Hierzu wird der Elektromotor 3, bei einer Ladeabsicht, zunächst durch die Schalteinheit 4 von dem Umrichter 2 abgeklemmt und der Zwischenkreis 10 auf etwa 560 V Spannung gebracht, damit keine hohen Ströme (Inrush) beim Anstecken der Stromnetz-Lade-Anschlüsse 12 an das Stromversorgungsnetz 7 fließen.
Bei einer 3-Phasen (400 V) Ladung wird die Wechselspannung des Stromversorgungsnetzes 7 durch die Freilaufdioden 11c der Leistungsschalter 11a gleichgerichtet. Die geregelte Einstellung der Ladespannung bzw. des Ladestromes erfolgt entsprechend dem Ladezustand und den Anforderungen der Batterie 1 durch das Spannungsanpassungsmodul 9.
Bei einer 1-Phasen (230 V) Ladung erfolgt bei einer Batteriespannung, die unterhalb der durch den Umrichter 2 gleichgerichteten Spannung liegt, das Laden nach dem zuvor beschriebenen Prinzip. Ist der Wert der Spannung der Batterie 1 bzw. Batteriespannung höher als der Wert der gleichgerichteten Spannung (1,4 × 230 V), arbeitet der Inverter 11 als Hochsetzsteller, wobei eine ausreichende Induktivität in der Zuleitung oder als Drossel bereitgestellt werden muss.
Nun wird ein Verfahren zum Verwenden des Umrichters 2 als Ladesystem unter Bezugnahme auf 3A und 3B beschrieben.
Damit die Batterie 1 wieder aufgeladen werden kann, muss, wie bei einem herkömmlichen Fahrzeug, ein mit der Batterie 1, dem zuvor beschriebenen Ladesystem und dem Elektromotor 3 ausgestattete Fahrzeug geparkt und abgeschaltet sein, zudem darf der Stromnetz-Lade-Anschluss 12 bzw. ein Netzstecker nicht mit dem Stromnetz 7 verbunden sein, es muss die Netzsteckerverrieglung aktiv sein und es muss die Tankklappe geschlossen sein, wie bei Schritt S1 von 3A angegeben.
Wenn ein solcher Zustand erreicht ist, kann der Fahrer eine nicht dargestellte Netzladetaste betätigen oder drücken (Schritt S2). Als Folge davon wird bei Schritt S3 das Netzladesystem bzw. das zuvor beschriebene Ladesystem eingeschaltet und der Zwischenkreis 10 wird auf die maximale Spannung aufgeladen. Aufgrund dessen ist ein Fahrbetrieb des Fahrzeugs in diesem Zustand nicht mehr möglich.
Bei Schritt S4 wird es überprüft, ob das Ladesystem die Zielspannung bzw. die maximale Spannung des Zwischenkreises 10 erreicht hat. Solange dies nicht der Fall ist (Antwort Nein bei Schritt S4), geht der Fluss zu Schritt S4 zurück, um erneut zu prüfen, ob die Zielspannung erreicht ist. Sobald jedoch die Zielspannung erreicht ist (Antwort Ja bei Schritt S4), geht der Fluss zu Schritt S5, bei welchem sich die Tankklappe des Fahrzeugs öffnet und die Netzsteckerverriegelung geöffnet bzw. deaktiviert wird. Die Öffnung der Tankklappe des Fahrzeugs und die Aktivierung und Deaktivierung der Netzsteckerverriegelung kann mit einer nicht dargestellten elektrischen Schaltung realisiert sein, die in den Ansprüchen als Freigabeschalteinrichtung bezeichnet ist.
Daraufhin kann der Fahrer bei Schritt S6 den Netzstecker in eine Steckvorrichtung bzw. Steckbuchse des Stromnetzes 7 einstecken. Als Folge davon startet bei Schritt S7 die Ladung der Batterie 1 mittels des zuvor beschriebenen Ladesystems. Hierbei ist der Inverter 11 im Passivbetrieb und die Laderegelung erfolgt über die Spannungsanpassungseinheit 9.
Wie in 3B gezeigt, wird während des Ladevorgangs der Batterie 1 mittels des zuvor beschriebenen Ladesystems bei Schritt S8 überprüft, ob die Spannung des Zwischenkreises 10 unter die Spannung der Batterie 1 fällt, da die Netzspannung zu klein für einen Passivbetrieb des Inverters 11 ist.
Lautet die Antwort bei Schritt S8 ja, geht der Fluss zu Schritt S9 weiter, bei welchem der Inverter 11 in den aktiven Betrieb umgeschaltet wird, um die Spannung des Zwischenkreises 10 anzuheben. Sobald die Spannung des Zwischenkreises 10 wieder weit genug über der Batteriespannung liegt, kann der Fluss mit Schritt S10 fortgesetzt werden, bei welchem die Batterie 1 gemäß der Batterie-Lade-Charakteristik mit passender Spannung des Zwischenkreises 10 weitergeladen wird. Lautet die Antwort bei Schritt S8 nein, geht der Fluss direkt zu Schritt S10 weiter.
Bei Schritt S11 wird überprüft, ob das Laden der Batterie 1 beendet ist oder nicht. Solange die Antwort bei Schritt S11 nein lautet, geht der Fluss zu Schritt S10 zurück, bei welchem die Batterie 1 gemäß der Batterie-Lade-Charakteristik mit passender Spannung des Zwischenkreises 10 weitergeladen wird. Andernfalls, das heißt, wenn die Antwort bei Schritt S11 ja lautet, geht der Fluss zu Schritt S12 weiter, bei welchem das Ladesystem ausgeschaltet wird und der Netzstecker ausgeworfen wird. Das Auswerfen des Netzsteckers kann ebenfalls mit einer nicht dargestellten elektrischen Schaltung realisiert sein, die in den Ansprüchen als Auswerfschalteinrichtung bezeichnet ist.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Das zweite Ausführungsbeispiel ist bis auf die Ausgestaltung des Umrichters 2 identisch zu dem ersten Ausführungsbeispiel. Daher werden im Folgenden nur die von dem ersten Ausführungsbeispiel verschiedenen Teile des zweiten Ausführungsbeispiels beschrieben. Gleich und gleich bedeutende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 4 ist ein Ladesystem mit einem Doppelumrichter 2a bzw. Inverter/Charger veranschaulicht, wie er für das vorliegende Ausführungsbeispiel Verwendung finden kann. Das heißt, bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird anstelle des Umrichters 2 des ersten Ausführungsbeispiels ein Doppelumrichter 2a verwendet.
Der Doppelumrichter 2a hat zusätzlich zu den drei Halbbrücken des Umrichters 2 noch drei weitere Halbbrücken, wie in 5 genauer angegeben.
Genauer gesagt, der Doppelumrichter 2a hat einen ersten Inverter 13 und einen zweiten Inverter 14. Der erste Inverter 13 ist aus mehreren Leistungsschaltern 13a, die jeweils aus einem Transistor 13b und einer dazu parallel geschalteten Diode 13c gebildet sind, aufgebaut. Die Leistungsschalter 13a sind hierbei in der gleichen Weise in drei Halbbrücken geschaltet, wie zuvor für den Inverter 11 des Umrichters 2 beschrieben. Der zweite Inverter 14 ist aus Leistungsschaltern 14a, die jeweils aus einem Transistor 14b und einer dazu parallel geschalteten Diode 14c gebildet sind, aufgebaut. Die Leistungsschalter 14a sind ebenfalls in der gleichen Weise in drei Halbbrücken geschaltet, wie zuvor für den Inverter 11 des Umrichters 2 beschrieben.
Zwischen den ersten Inverter 13 und den zweiten Inverter 14 ist eine erste Schaltteileinheit 15 geschaltet bzw. angeschlossen. Das heißt, die erste Schaltteileinheit 15 ist zwischen einen Knotenpunkt, an welchem die drei Reihenschaltungen aus zwei Leistungsschaltern 13a miteinander verbunden sind, und einen Knotenpunkt, an welchem die drei Reihenschaltungen aus zwei Leistungsschaltern 14a miteinander verbunden sind, geschaltet, wie in 5 gezeigt.
Darüber hinaus ist zwischen den ersten Inverter 13 und den zweiten Inverter 14 eine zweite Schaltteileinheit 16 geschaltet bzw. angeschlossen. Das heißt, die zweite Schaltteileinheit 16 ist zwischen den anderen Knotenpunkt, an welchem die drei Reihenschaltungen aus zwei Leistungsschaltern 13a miteinander verbunden sind, und dem anderen Knotenpunkt, an welchem die drei Reihenschaltungen aus zwei Leistungsschaltern 14a miteinander verbunden sind, geschaltet, wie in 5 gezeigt.
Die erste und zweite Schaltteileinheit 15, 16 bilden eine Schalteinheit zum Abschalten des Elektromotors 3 von dem Doppelumrichter 2a, wenn es eine Ladeabsicht zum Laden der Batterie 1 gibt.
An dem Knotenpunkt jeder Halbbrücke des ersten Inverters 13, also zwischen den in Reihe geschalteten zwei Leistungsschaltern 13a, ist jeweils ein Stromnetz-Lade-Anschluss 12 angeschlossen. Zudem ist an diesen Knotenpunkten auch der Elektromotor 3 angeschlossen. Der Elektromotor 3 ist außerdem an den Knotenpunkt jeder Halbbrücke des zweiten Inverters 14, also zwischen den in Reihe geschalteten zwei Leistungsschaltern 14a angeschlossen, wie in 5 gezeigt.
Die übrige Anordnung des Doppelumrichters 2a bezüglich der Spannungsanpassungseinheit 9, des Zwischenkreises 10 und der Batterie 1 ist in 5 analog zu der in 2 gezeigten Anordnung des Umrichters 2.
Der Doppelumrichter 2a mit sechs Halbbrücken des zweiten Ausführungsbeispiels kann wie der Umrichter 2 mit drei Halbbrücken des ersten Ausführungsbeispiels als Ladesystem für die Batterie 1 verwendet werden. Hierfür werden bei dem Doppelumrichter 2a mittels der ersten Schaltteileinheit 15 und/oder der zweiten Schaltteileinheit 16 drei Halbbrücken von dem Stromversorgungsnetz 7 abgetrennt, und die verbleibenden Halbbrücken werden für den Ladevorgang verwendet. Das heißt, mittels der Schaltteileinheiten 15, 16 findet eine Abschaltung des Elektromotors 3 statt, sobald auf den Netzanschlussverbindungen 12 Spannung angelegt worden ist und Strom fließt. Dann findet eine Aufladung der Batterie 1 unter zuvoriger Spannungsanpassung mittels des Zwischenkreises 10 statt.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Das dritte Ausführungsbeispiel ist bis auf die Ausgestaltung der Schalteinheit 4 identisch zu dem zweiten Ausführungsbeispiel. Daher werden im Folgenden nur die von dem zweiten Ausführungsbeispiel verschiedenen Teile des dritten Ausführungsbeispiels beschrieben. Gleich und gleich bedeutende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Alternativ zu dem zweiten Ausführungsbeispiel, wie in 5 gezeigt, kann der Doppelumrichter anstelle von zwei Schaltteileinheiten 15, 16 lediglich eine Schalteinheit 17 aufweisen. Dies ist in 6 wiedergegeben.
Das heißt, zwischen den ersten Inverter 13 und den zweiten Inverter 14 ist eine Schalteinheit 17 geschaltet bzw. angeschlossen. Das heißt, die Schalteinheit 17 ist zwischen den einen Knotenpunkt, an welchem die drei Reihenschaltungen aus zwei Leistungsschaltern 13a miteinander verbunden sind, und den einen Knotenpunkt, an welchem die drei Reihenschaltungen aus zwei Leistungsschaltern 14a miteinander verbunden sind, geschaltet, wie in 6 gezeigt.
Nachteil ist allerdings, dass während des Ladens der Batterie 1 ein Strom durch den Elektromotor 3 fließen kann.
(Allgemeines)
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen des Ladesystems, des Ladeverfahrens und des Fahrzeugs können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Hierbei sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
Die Schalteinheit 4, die erste und zweite Schaltteileinheit 15, 16 und die Schalteinheit 17 können durch einen Benutzer bedienbare Schalteinheiten sein. Hier kann eine Sicherheit derart eingebaut sein, dass sich die Stromnetz-Lade-Anschlüsse 12 erst an das Stromversorgungsnetz 7 anschließen lassen, wenn die Schalteinheit 4 oder die erste und/oder zweite Schaltteileinheit 15, 16 oder die Schalteinheit 17 den Elektromotor 3 von einer elektrischen Verbindung mit dem Umrichter 2 bzw. Doppelumrichter 2a getrennt hat/haben. Die Trennung der elektrischen Verbindung zwischen Elektromotor 3 und Umrichter 2 bzw. Doppelumrichter 2a kann beispielsweise durch Steuerung durch eine Steuereinheit des Fahrzeugs erfolgen.
Die Schalteinheit 4, die erste und zweite Schaltteileinheit 15, 16 und die Schalteinheit 17 können als Leistungsschütz ausgeführt sein, welches ein mechanische Schütz oder auch ein Halbleiterschütz sein kann. Ein mechanisches Schütz kann hierbei vorteilhaft sein, da es keinen zusätzlichen Kühlkörper benötigt. Das Schütz kann auch in eine Selbsthalteschaltung verschaltet sein. Zudem kann das Schütz entweder mechanisch durch einen Benutzer betätigt werden oder über die Steuerschaltung des Fahrzeugs.
Der Zwischenkreis 10 kann einen oder mehrere Frequenzfilter und einen Tiefpass umfassen. Hierbei minimieren die Frequenzfilter ein Übertragen der Wechselstromfrequenz des externen Stromversorgungsnetzes 7 an die Batterie 1, und der Tiefpass dämpft hochfrequentes Rauschen und die Tastfrequenz des Umrichters 2.
Die Transistoren 11b können MOSFETs (engl. Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor), Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (engl. insulated-gate bipolar transistor), die hier auch als IGBT-Transistoren bezeichnet sind, oder Thyristor-Leistungshalbleiter sein. Bei Verwendung von MOSFETs ergibt sich ein Spannungsbereich von 12–200 V bei Verwendung einer Stromstärke von bis zu 1000 A. Bei den IGBT-Transistoren ist ein Spannungsbereich von 150–1700 V und eine Stromstärke von bis zu 800 A vorgesehen. Hierbei können mehrere Einzeltransistoren parallel geschalten werden.
Auch wenn in allen Ausführungsbeispielen als Beispiel für ein Stromversorgungsnetz 7 ein Drehstromversorgungsnetz mit einer Spannung von ca. 400 V und ein einphasiges Stromversorgungsnetz mit einer Spannung von ca. 230 V angegeben ist, können auch andere Werte für das Drehstromversorgungsnetz und das einphasige Stromversorgungsnetz mit einer Spannung gelten, die außerhalb beispielsweise Europas für solche Stromversorgungsnetze üblich sind. Als nicht einschränkendes Beispiel sei hierzu ein Drehstromversorgungsnetz mit einer Spannung von ca. 230 V und ein einphasiges Stromversorgungsnetz mit einer Spannung von ca. 110 V genannt, wie es in den Vereinigten Staaten von Amerika (USA) üblich ist.

1: Batterie
2: Umrichter
2a: Doppelumrichter
3: Elektromotor
4: Schalteinheit
5: kombinierte Leistungselektronikeinheit
6: Verbindungsleitung
7: Stromnetz
8: Verbindungskabel zwischen Umrichter und Elektromotor
9: Spannungsanpassungseinheit
10: Zwischenkreis
11: Inverter
11a: Leistungsschalter
11b: Transistor
11c: Diode
12: Stromnetz-Lade-Anschluss
13: erster Inverter
13a: Leistungsschalter
13b: Transistor
13c: Diode
14: zweiter Inverter
14a: Leistungsschalter
14b: Transistor
14c: Diode
15: Schaltteileinheit
16: Schaltteileinheit
17: Schalteinheit
100: Ladegerät
200: Batterie
300: Stromnetzanschluss
400: Umrichter
500: Fahrzeugmotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10213210 A1 [0005]

Claims

Ladesystem zum Laden einer Batterie (1) eines Fahrzeugs, mit einem Umrichter (2), der an seiner Gleichspannungsseite an eine Batterie (1) angeschlossen ist, zum Umrichten der von einer Batterie (1) gelieferten Gleichspannung in eine für einen Elektromotor (3) zum Antrieb des Fahrzeugs verwendbare variable Wechselspannung, einer Schalteinheit (4; 15, 16; 17), die an die Wechselspannungsseite des Umrichters (2) und an den Elektromotor (3) angeschlossen ist, und mindestens einem Stromnetz-Lade Anschluss (12), der an die Wechselspannungsseite des Umrichters (2) und an die Schalteinheit (4; 15, 16; 17) angeschlossen sind, zum Anschließen eines externen Stromversorgungsnetzes (7) an den Umrichter (2), wobei die Schalteinheit (4; 15, 16; 17) zum Trennen des Anschlusses zwischen dem Umrichter (2) und dem Elektromotor (3) vorgesehen ist, bevor der Umrichter (2) als Ladegerät für die Batterie (1) verwendet wird.
Ladesystem nach Anspruch 1, wobei der Umrichter (2) aufweist einen Zwischenkreis (10) zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie, und eine Spannungserhöhungseinrichtung zur Erhöhung der Spannung des Zwischenkreises (10) auf eine höhere Spannung als die Spannung des externen Stromversorgungsnetzes (7), wenn die Schalteinheit (4; 15, 16; 17) den Anschluss zwischen dem Umrichter (2) und dem Elektromotor (3) trennt und bevor der Umrichter (2) als Ladegerät für die Batterie (1) verwendet wird.
Ladesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Umrichter (2) mindestens einen Inverter (11) zur Wandlung der Gleichspannung der Batterie (1) in eine Wechselspannung für den Elektromotor (3) aufweist, wobei der Inverter mindestens zwei Leistungsschalter (11a) aufweist, die jeweils einen Transistor (11b) in Parallelschaltung zu einer Diode (11c) umfassen, und wobei die zwei Leistungsschalter (11a) in Reihe geschaltet sind.
Ladesystem nach Anspruch 3, wobei der Inverter (11) drei Reihenschaltungen aus jeweils zwei Leistungsschaltern (11a) umfasst, wobei die drei Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind und zu dem Zwischenkreis (10) parallel geschaltet sind.
Ladesystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein Stromnetz-Lade-Anschluss (12) an einen Knotenpunkt zwischen den zwei Leistungsschaltern (11a) des Inverters (11) angeschlossen ist.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Schalteinheit (4) an einen Knotenpunkt zwischen den zwei Leistungsschaltern (11a) des Inverters (11) angeschlossen ist.
Ladesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (3) ein in eine Sternschaltung geschalteter Drehstrommotor ist und die Schalteinheit (4) den Sternpunkt der Sternschaltung auftrennt, bevor der Umrichter (2) als Ladegerät für die Batterie (1) verwendet wird.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Umrichter (2) ein Doppelumrichter (2a) ist, welcher aufweist einen ersten Inverter (13) zur Wandlung der Gleichspannung der Batterie (1) in eine erste Wechselspannung für den Elektromotor (3), und einen zweiten Inverter (14) zur Wandlung der Gleichspannung der Batterie (1) in eine zweite Wechselspannung für den Elektromotor (3), wobei der Elektromotor (3) zwischen dem ersten Inverter (13) und dem zweiten Inverter (14) angeschlossen ist, und wobei die Schalteinheit (15, 16; 17) derart zwischen dem ersten und zweiten Inverter (13, 14) angeschlossen ist, dass sie einen Anschluss zwischen dem ersten und zweiten Inverter (13, 14) auftrennen kann.
Ladesystem nach Anspruch 8, wobei die Schalteinheit aus einer ersten Schaltteileinheit (15) und einer zweiten Schaltteileinheit (16) besteht, die jeweils zwischen dem ersten und zweiten Inverter (13, 14) derart angeschlossen sind, dass die erste und die zweite Schaltteileinheit (15, 16) jeweils einen Anschluss zwischen dem ersten und zweiten Inverter (13, 14) auftrennen können.
Ladesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schalteinheit (4; 15, 16; 17) Teil des Elektromotors (3) ist.
Ladesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schalteinheit (4; 15, 16; 17) an dem Elektromotor (3) angeordnet ist.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 2 bis 11, zudem mit einer Freigabeschalteinrichtung zum Entsperren einer Tankklappe des Fahrzeugs und zur Entriegelung des mindestens einen Stromnetz-Lade Anschlusses (12), wenn die Spannungserhöhungseinrichtung die Spannung des Zwischenkreises (10) auf eine höhere Spannung als die Spannung des externen Stromversorgungsnetzes (7) erhöht hat.
Ladesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem mit einer Auswerfschalteinrichtung zum Auswerfen des mindestens einen Stromnetz-Lade Anschlusses (12), der als Stecker ausgeführt ist, wenn die Batterie (1) aufgeladen ist.
Fahrzeug, mit einem Elektromotor (3) zum Antrieb des Fahrzeugs, einer Batterie (1) zur Speicherung von elektrischer Energie, und einem Ladesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Ladeverfahren zum Laden einer Batterie (1) eines Fahrzeugs mit einem Ladesystem, welches einen Umrichter (2), der an seiner Gleichspannungsseite an die Batterie (1) angeschlossen ist, zum Umrichten der von einer Batterie (1) gelieferten Gleichspannung in eine für einen Elektromotor (3) zum Antrieb des Fahrzeugs verwendbare variable Wechselspannung, eine Schalteinheit (4; 15, 16; 17), die an die Wechselspannungsseite des Umrichters (2) und an den Elektromotor (3) angeschlossen ist, und mindestens einen Stromnetz-Lade-Anschluss (12), der an die Wechselspannungssei te des Umrichters (2) und an die Schalteinheit (4; 15, 16; 17) angeschlossen ist, zum Anschließen eines externen Stromversorgungsnetzes (7) an den Umrichter (2) aufweist, mit den Schritten Trennen eines Anschlusses zwischen dem Elektromotor (3) und dem Umrichter (2), Erhöhen eines Werts der Spannung des Zwischenkreises (11) des Umrichters (2) über einen Wert der Spannung des externen Stromversorgungsnetzes (7), Anschließen des externen Stromversorgungsnetzes (7) an den Umrichter (2), Gleichrichten der Wechselspannung des externen Stromversorgungsnetzes (7), Einstellen der Ladecharakteristika des Ladesystems gemäß den Ladeanforderungen der Batterie mittels eines Spannungsanpassungsmoduls des Umrichters (2), und Laden der Batterie (1) mit dem Ladesystem.