-
Die Erfindung betrifft ein Ladegerät und ein Verfahren zur Energieübertragung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
-
In Elektro- oder Hybridfahrzeugen wird elektrische Energie zur Energieversorgung eines elektrischen Motors benötigt. Diese elektrische Energie wird in der Regel in einer oder mehreren so genannten Traktionsbatterien gespeichert und im elektrischen Fahrbetrieb aus dieser oder diesen Traktionsbatterien entnommen.
-
Ein Aufladen einer Traktionsbatterie mit elektrischer Energie kann im Wesentlichen mittels zweier Verfahren erfolgen. In einem so genannten Rekuperationsbetrieb wird kinetische Energie des Elektro- oder Hybridfahrzeugs über geeignete Komponenten in elektrische Energie gewandelt, mit welcher die Traktionsbatterie dann geladen wird. Im externen Ladebetrieb wird elektrische Energie einer externen Energiequelle zur Aufladung der Traktionsbatterie verwendet. Hierzu wird die externe Energiequelle über ein Ladegerät mit der Traktionsbatterie elektrisch gekoppelt, so dass eine Übertragung von elektrischer Energie von der externen Energiequelle zur Traktionsbatterie möglich ist.
-
Da die Traktionsbatterie eine so genannte Hochvolt-Batterie ist, die z. B. eine Ausgangsspannung von 400 V aufweist, müssen Ladegeräte derart ausgelegt sein, dass sie eine solche Ladespannung zur Verfügung stellen können. Es existieren im Wesentlichen zwei Varianten für Ladegeräte. In einer ersten Alternative werden Ladegeräte im Elektro- oder Hybridfahrzeug eingebaut sein. Solch eingebaute Ladegeräte werden in der Regel als separate Geräte in ein Elektro- oder Hybridfahrzeug eingebaut. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Bauraumanforderungen bei der Konstruktion des Elektro- oder Hybridfahrzeugs und ein erhöhtes Gewicht. In einer zweiten Alternative sind Ladegeräte in einer externen Ladestation integriert. Hierbei ist nachteilig, dass Elektro- oder Hybridfahrzeuge zum Aufladen der Traktionsbatterie zu der, teilweise weit entfernten, Ladestation gebracht werden müssen.
-
Es gibt verschiedene Ansätze, eine Integration des Ladegeräts in ein Elektro- oder Hybridfahrzeug zu verbessern. Beispielsweise ist aus der
EP 0 593 472 B1 ein Bordladegerät bekannt, bei dem zwei Brückenzweige eines Wechselrichters als Hochsetzsteller geregelt werden, um eine Gleichspannung an einen Kondensator anzulegen, und der weitere Brückenzweig des Wechselrichters als Tiefsetzsteller geregelt wird, um aus dem Kondensator einen Ladestrom für die Fahrbatterie zu erzeugen. Der Wechselrichter ist hierbei ein Wechselrichter zur Erzeugung einer Wechselspannung für den Elektromotor. Dieses Gerät erfordert eine aufwendig ausgelegte Schätzgruppe.
-
Weiter verfügen Elektro- oder Hybridfahrzeuge über eine oder mehrere so genannte Bordnetzbatterien. In dieser oder diesen Bordnetzbatterien wird elektrische Energie zur Energieversorgung von an das Bordnetz angeschlossenen Komponenten gespeichert. An das Bordnetz angeschlossene Komponenten umfassen hierbei z. B. Steuergeräte, Geräte zu Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums und/oder der Traktionsbatterie und weitere Geräte.
-
Eine Bordnetzbatterie kann hierbei z. B. über einen separaten Generator, z. B. eine Lichtmaschine, geladen werden. Für Elektro- oder Hybridfahrzeuge ist auch bekannt, die Bordnetzbatterie mittels elektrische Energie zu laden, die der Traktionsbatterie entnommen wird. Hierfür existiert ein Gleichspannungswandler, ein so genannter DC/DC-Wandler, der eine Ausgangsspannung der Traktionsbatterie auf eine Eingangsspannung der Bordnetzbatterie transformiert. Die Bordnetzbatterie kann z. B. einen Eingangsspannung von 12 V aufweisen. Der DC/DC-Wandler kann hierbei auch einen Transformator umfassen, wobei eine Ausgangsspannung der Traktionsbatterie über einen Wechselrichter in eine Wechselspannung transformiert wird. Diese Wechselspannung wird dann über den Transformator transformiert, wobei die transformierte Wechselspannung mittels eines Gleichrichters gleichgerichtet wird und zum Laden der Bordnetzbatterie dient.
-
Auch sind Ladegeräte bekannt, die ein gleichzeitiges Laden der Traktionsbatterie und der Bordnetzbatterie mit unabhängigen Ladeströmen aus einer externen Energiequelle ermöglichen.
-
Die
DE 34 17 631 C2 offenbart ein Ladegerät für ein Elektrospeicher-Straßenfahrzeug. Das offenbarte Ladegerät ermöglicht eine gleichzeitige, potentialfreie Aufladung sowohl einer Haupt- als auch einer Hilfsbatterie aus einer externen Energiequelle. Hierzu speist eine externe Wechselspannungsquelle einen Eingangsgleichrichter des Ladegeräts. Ausgangsseitig ist der Eingangsgleichrichter mit einem regelbaren Gleichspannungsumsetzer verbunden. Die Ausgangsspannung des Gleichspannungsumsetzers ist eine Speisespannung eines Wechselrichters. Eine rechteckförmige Ausgangsspannung des Wechselrichters wird über einen Haupttransformator transformiert. Die transformierte Ausgangsspannung des Wechselrichters wird mittels eines Hauptausgangsgleichrichters gleichgerichtet und dient dann zum Aufladen der Hauptbatterie. Der hauptsächliche Energiefluss während der Aufladung ergibt sich durch den Eingangsgleichrichter, den regelbaren Gleichspannungsumsetzer, den Wechselrichter, den Haupttransformator und den Hauptausgangsgleichrichter in die Hauptbatterie. Auch offenbart die Druckschrift, dass die Hauptbatterie die Hilfsbatterie laden oder das Bordnetz speisen kann. Hierbei ergibt sich ein Energiefluss von der Hauptbatterie über den Gleichspannungsumsetzer, den Wechselrichter, einen Hilfstransformator und einen Hilfsgleichrichter in das Bordnetz bzw. die Hilfsbatterie. Hierzu muss die Hauptbatterie also an den Gleichspannungsumsetzer angeschlossen werden. Weiter offenbart die Druckschrift, dass zum Laden der Hilfsbatterie aus der Hauptbatterie das Schließen eines Schalters erforderlich ist.
-
Die
DE 33 05 224 A1 offenbart ein Bord-Batterieladegerät für ein Elektrospeicherfahrzeug, bestehend aus der Reihenschaltung eines Netzgleichrichters in Brückenschaltung, eines Hochsetzgleichstromstellers und eines kapazitiven Zwischenspeichers. Der kapazitive Zwischenspeicher ist hierbei über einen Wechselrichter in Halbbrückenschaltung und einen nachgeschalteten Batteriegleichrichter in Brückenschaltung mit der Hauptbatterie des Fahrzeugs verbindbar. Der hauptsächliche Energiefluss während der Aufladung ergibt sich durch den Netzgleichrichter, den Hochsetzgleichstromstellers, den kapazitiven Zwischenspeicher, den Wechselrichter und den Batteriegleichrichter in die Hauptbatterie. Weiter offenbart die Druckschrift, dass ein Fahrzeug-Bordnetz während der Fahrt aus der Hauptbatterie über den Wechselrichter und den Transformator gespeist wird, wobei gleichzeitig eine Hilfsbatterie dieses Bordnetz ladbar ist. Hierzu wird die Hauptbatterie direkt oder über Eingangsglieder mit dem Eingang des Hochsetzgleichstromstellers verbunden. Hierbei ergibt sich der hauptsächliche Energiefluss aus der Hauptbatterie durch den Hochsetzgleichstromstellers, den kapazitiven Zwischenspeicher, den Wechselrichter, einen Trenntransformator und einen Gleichrichter in die Hilfsbatterie. Hierzu muss die Hauptbatterie also an den Hochsetzgleichstromsteller angeschlossen werden.
-
Es stellt sich das technische Problem, ein Ladegerät und ein Verfahren zur Energieübertragung in Elektro- und oder Hybridfahrzeugen zu schaffen, wobei eine Integration des Ladegeräts in das Elektro- oder Hybridfahrzeug geringe Bauraumanforderungen stellt, wenig Kosten verursacht und eine große Anzahl von Energieübertragungsmöglichkeiten zur Verfügung gestellt wird.
-
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 7.
-
Vorgeschlagen wird ein Ladegerät für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, welches mindestens einen netzseitigen Wechselrichter, mindestens einen Transformator, mindestens einen traktionsnetzseitigen Gleichrichter und mindestens einen bordnetzseitigen Gleichrichter umfasst. Der netzseitige Wechselrichter transformiert hierbei eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung, wobei die Eingangsspannung eine Gleichspannung und die Ausgangsspannung eines Wechselspannung ist. Die Ausgangsspannung des netzseitigen Wechselrichters kann beispielsweise eine Frequenz von 50 kHz bis 100 kHz aufweisen. Weiter kann die Ausgangsspannung des netzseitigen Wechselrichters eine Rechteckspannung sein.
-
An den netzseitigen Wechselrichter ist somit eingangsseitig mindestens eine externe Gleichspannung anlegbar. Beispielsweise kann eine externe Energiequelle eine Gleichspannungsquelle sein, die eingangsseitig an den netzseitigen Wechselrichter angeschlossen werden kann. Ausgangsseitig ist der netzseitige Wechselrichter elektrisch mit dem Transformator gekoppelt, beispielsweise mit einer Primärwicklung des Transformators. Hierbei ist also die Ausgangsspannung des netzseitigen Wechselrichters eine Eingangsspannung des Transformators. Der Transformator transformiert die Ausgangsspannung des netzseitigen Wechselrichters in eine traktionsnetzseitige Ausgangsspannung des Transformators und eine bordnetzseitige Ausgangsspannung des Transformators. Hierfür kann der Transformator beispielsweise eine traktionsnetzseitige Sekundärwicklung und eine bordnetzseitige Sekundärwicklung aufweisen, an welchen die traktionsnetzseitige Ausgangsspannung und die bordnetzseitige Ausgangsspannung des Transformators abgreifbar ist.
-
Die traktionsnetzseitige Ausgangsspannung dient als eine Eingangsspannung des traktionsnetzseitigen Gleichrichters. Dieser transformiert die traktionsnetzseitige Ausgangsspannung, eine Wechselspannung, beispielsweise mit einer Frequenz von 50 kHz bis 100 kHz, in eine Ausgangsspannung des traktionsnetzseitigen Gleichrichters, eine Gleichspannung. Die Ausgangsspannung des traktionsnetzseitigen Gleichrichters kann zur Versorgung eines Traktionsnetzes verwendet werden, insbesondere zum Laden einer Traktionsbatterie des Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Hierfür ist an den Ausgang des traktionsnetzseitigen Gleichrichters mindestens ein Traktionsnetz mit mindestens einer Traktionsbatterie des Elektro- oder Hybridfahrzeugs anschließbar. Die Ausgangsspannung des traktionsnetzseitigen Gleichrichters beträgt hierbei z. B. 400 V und ist gleich der Ausgangsspannung der Traktionsbatterie.
-
Weiter dient die bordnetzseitige Ausgangsspannung des Transformators als Eingangsspannung des bordnetzseitigen Gleichrichters. Dieser transformiert die bordnetzseitige Ausgangsspannung des Transformators, eine Wechselspannung, in eine Ausgangsspannung des bordnetzseitigen Gleichrichters, eine Gleichspannung. Die Ausgangsspannung des bordnetzseitigen Gleichrichters kann dann zur Versorgung eines Bordnetzes, insbesondere zum Laden einer Bordnetzbatterie, des Elektro- oder Hybridfahrzeugs verwendet werden. Hierfür ist an den bordnetzseitigen Gleichrichter mindestens ein Bordnetz mit mindestens einer Bordnetzbatterie des Elektro- oder Hybridfahrzeugs anschließbar. Die Ausgangsspannung des bordnetzseitigen Gleichrichters beträgt hierbei z. B. 12 V oder 42 V und ist gleich der Ausgangsspannung der Bordnetzbatterie.
-
Natürlich sind auch andere Höhen der Ausgangsspannung des traktionsnetzseitigen Gleichrichters und des bordnetzseitigen Gleichrichters vorstellbar.
-
Der Transformator und der traktionsnetzseitige Gleichrichter sind hierbei derart ausgelegt oder steuerbar, dass die Ausgangsspannung des traktionsnetzseitigen Gleichrichters ein Aufladen der Traktionsbatterie ermöglicht.
-
Zusätzlich ist der Transformator und der bordnetzseitige Gleichrichter derart ausgelegt oder steuerbar, dass die Ausgangsspannung des bordnetzseitigen Gleichrichters ein Aufladen der Bordnetzbatterie ermöglicht.
-
Der Transformator muss daher derart ausgelegt werden, dass er in Kombination mit dem traktionsnetzseitigen Gleichrichter und dem bordnetzseitigen Gleichrichter ein Aufladen der Traktionsbatterie und der Bordnetzbatterie ermöglicht.
-
Auch ist vorstellbar, dass der traktionsnetzseitige Gleichrichter und/oder der bordnetzseitige Gleichrichter derart steuerbar oder regelbar sind, dass diese bei gegebener Auslegung des Transformators eine gewünschte Ausgangsspannung des traktionsnetzseitigen Gleichrichters und/oder des bordnetzseitigen Gleichrichters zur Verfügung stellen. Hierzu kann das Ladegerät beispielsweise eine Einheit zur Steuerung des Ladegeräts umfassen, wobei die Einheit zur Steuerung des Ladegeräts den traktionsnetzseitigen Gleichrichter und/oder den bordnetzseitigen Gleichrichter steuert oder regelt. Hierbei können z. B. Schaltzeitpunkte von schaltenden Elementen des traktionsnetzseitigen Gleichrichters und/oder den bordnetzseitigen Gleichrichters, beispielsweise MOSFET- oder IGBT-Elemente, gesteuert oder geregelt werden.
-
Ein Energiefluss beim Aufladen der Traktionsbatterie und der Bordnetzbatterie aus einer externen Energiequelle erfolgt hierbei aus der externen Energiequelle über den netzseitigen Wechselrichter, den Transformator und den traktionsnetzseitigen Gleichrichter in die Traktionsbatterie und über den netzseitigen Wechselrichter, den Transformator und den bordnetzseitigen Gleichrichter in die Bordnetzbatterie.
-
Erfindungsgemäß ist der mindestens eine traktionsnetzseitige Gleichrichter zusätzlich ein Wechselrichter. Dies bedeutet, dass der traktionsnetzseitige Gleichrichter auch als Wechselrichter ausgebildet ist. In einer Gleichrichterfunktion transformiert der traktionsnetzseitige Gleichrichter hierbei eine eingangsseitig anliegende Wechselspannung des traktionsnetzseitigen Gleichrichters in eine ausgangsseitige Gleichspannung. In einer Wechselrichterfunktion transformiert der traktionsnetzseitige Gleichrichter eine ausgangsseitig anliegende Gleichspannung in eine eingangsseitige Wechselspannung. Der traktionsnetzseitige Gleichrichter kann hierbei entweder die Gleichrichterfunktion oder die Wechselrichterfunktion durchführen. Somit kann der traktionsnetzseitige Gleichrichter auch als bidirektionaler, traktionsnetzseitiger Wandler beschrieben werden.
-
Zur Durchführung der Gleichrichter oder Wechselrichterfunktion kann z. B. die Einheit zur Steuerung des Ladegeräts schaltende Elemente des traktionsnetzseitigen Gleichrichters, beispielsweise MOSFET- oder IGBT-Elemente, in einem Gleichrichtermodus oder einem Wechselrichtermodus steuern oder regeln.
-
Im oben beschriebenen Energiefluss von der externen Energiequelle zur Traktionsbatterie führt der traktionsnetzseitige Gleichrichter die Gleichrichterfunktion aus.
-
Durch die beschriebene Ausbildung des traktionsnetzseitigen Gleichrichters als Wechselrichter ist es jedoch auch möglich, elektrische Energie von der Traktionsbatterie über den traktionsnetzseitigen Gleichrichter, den Transformator und den bordnetzseitigen Gleichrichter zur Bordnetzbatterie zu übertragen. Ein Energiefluss erfolgt hierbei aus der Traktionsbatterie über den traktionsnetzseitigen Gleichrichter, der hierbei die Wechselrichterfunktion ausführt, den Transformator und den bordnetzseitigen Gleichrichter in die Bordnetzbatterie.
-
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass das erfindungsgemäße Ladegerät einerseits zum Aufladen von Traktionsbatterie und/oder Bordnetzbatterie aus einer externen Energiequelle und andererseits zur Energieübertragung zwischen Traktionsbatterie und Bordnetzbatterie genutzt werden kann, wobei das Ladegerät als Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) genutzt wird. Im Verhältnis zu individuell ausgebildeten Ladegeräten und DC/DC-Wandlern wird durch die Kombination beider Funktionen in einem Ladegerät in vorteilhafter Weise erforderlicher Bauraum eingespart und Herstellungskosten verringert.
-
Weiter vorteilhaft ist zur Energieübertragung zwischen Traktionsbatterie und Bordnetzbatterie kein Anschließen der Traktionsbatterie einen netzseitigen Wechselrichter oder an einen netzseitigen Gleichrichter notwendig, wie z. B. in der
DE 34 17 631 C2 oder der
DE 33 05 224 A1 beschrieben. Hierdurch können Vorrichtungen zum Anschließen der Traktionsbatterie an einen netzseitigen Wechselrichter oder an einen netzseitigen Gleichrichter, z. B. Schütze, eingespart werden und z. B. Leistungsverluste beim Schalten vermieden werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Ladegerät mindestens einen netzseitigen Gleichrichter. Hierbei ist an den netzseitigen Gleichrichter eingangsseitig eine externe Wechselspannung anschließbar. Eine Ausgangsspannung des netzseitigen Gleichrichters liegt hierbei eingangsseitig an dem netzseitigen Wechselrichter an. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass externe Wechselspannungsquellen zum Aufladen der Traktionsbatterie und/oder der Bordnetzbatterie dienen können.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine netzseitige Wechselrichter zusätzlich ein Gleichrichter. Analog zum traktionsnetzseitigen Gleichrichter kann der netzseitige Wechselrichter somit ebenfalls eine Wechselrichterfunktion oder eine Gleichrichterfunktion durchführen. Wird z. B. der traktionsnetzseitige Gleichrichter in der Wechselrichterfunktion und der netzseitige Wechselrichter in der Gleichrichterfunktion betrieben, so kann Energie aus der Traktionsnetzbatterie über den traktionsnetzseitigen Gleichrichter, den Transformator und den netzseitigen Wechselrichter an eine externe Gleichspannungsquelle übertragen werden. Der netzseitige Wechselrichter kann somit auch als erster, netzseitiger bidirektionaler Wandler beschrieben werden.
-
Weiter kann der mindestens eine netzseitige Gleichrichter zusätzlich ein Wechselrichter sein, wobei der netzseitige Gleichrichter in diesem Fall eine Gleichrichterfunktion oder eine Wechselrichterfunktion durchführen kann. Der netzseitige Gleichrichter kann somit auch als zweiter, netzseitiger bidirektionaler Wandler beschrieben werden. Wird z. B. der traktionsnetzseitige Gleichrichter in der Wechselrichterfunktion, der netzseitige Wechselrichter in der Gleichrichterfunktion und der netzseitige Gleichrichter in der Wechselrichterfunktion betrieben so kann Energie aus der Traktionsnetzbatterie über den traktionsnetzseitigen Gleichrichter, den Transformator, den netzseitigen Wechselrichter und den netzseitigen Gleichrichter an eine externe Wechselspannungsquelle übertragen werden. Hierdurch können z. B. mehrere Elektro- oder Hybridfahrzeuge, die über ihre Ladegeräte an ein externes Stromnetz, beispielsweise das öffentliche Stromnetz, angeschlossen sind, ein virtuelles Speicherkraftwerk aufbauen, aus welchem z. B. Strombedarfspitzen abgepuffert werden können.
-
Auch der bordnetzseitige Gleichrichter kann zusätzlich ein Wechselrichter sein. Der bordnetzseitige Gleichrichter kann somit auch als bordnetzseitiger, bidirektionaler Wandler beschrieben werden. Analog zum traktionsnetzseitigen Gleichrichter kann der bordnetzseitige Gleichrichter somit ebenfalls eine Gleichrichterfunktion oder Wechselrichterfunktion durchführen. Analog zu den vorhergehenden Ausführungen kann somit Energie aus der Bordnetzbatterie über den bordnetzseitigen Gleichrichter, den Transformator, den netzseitigen Wechselrichter an eine externe Gleichspannungsquelle übertragen werden. Ist ein zusätzlicher netzseitiger Gleichrichter vorhanden, so kann Energie auch an eine externe Wechselspannungsquelle übertragen werden. Weiter kann Energie aus der Bordnetzbatterie über den bordnetzseitigen Gleichrichter, den Transformator, den traktionsnetzseitigen Gleichrichter an die Traktionsbatterie übertragen werden. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass z. B. bei einer tiefentladenen Traktionsbatterie, die ein Starten des Elektro- oder Hybridfahrzeug nicht erlaubt, so viel Energie von der Bordnetzbatterie in die Traktionsbatterie übertragen werden kann, dass ein Starten des Elektro- oder Hybridfahrzeugs wieder möglich ist.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Primärwicklung des Transformators an einen Ausgang des netzseitigen Wechselrichter anschließbar. Weiter ist eine traktionsnetzseitige Sekundärwicklung des Transformators an einen Eingang des traktionsnetzseitigen Gleichrichters und eine bordnetzseitige Sekundärwicklung des Transformators an einen Eingang des bordnetzseitigen Gleichrichters anschließbar. Der Transformator weist also in diesem Fall drei Wicklungen auf, die Primär- und zwei Sekundärwicklungen. Vorstellbar ist hierbei, dass alle Wicklungen um einen gemeinsamen Kern des Transformators gewickelt sind. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise Bauraum eingespart werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist der netzseitigen Gleichrichter ein Gleichrichter für eine einphasige Wechselspannung oder eine zweiphasige Wechselspannung oder eine dreiphasige Wechselspannung. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass das Ladegerät für verschiedene externe Energiequellen ausgelegt werden kann.
-
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Übertragung von elektrischer Energie in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, wobei mittels eines Ladegeräts in einer ersten Ladekonfiguration elektrische Energie von mindestens einer externen elektrischen Energiequelle über mindestens einen netzseitigen Wechselrichter, mindestens einen Transformator und mindestens einen traktionsnetzseitigen Gleichrichter in mindestens ein Traktionsnetz und/oder über mindestens einen netzseitigen Wechselrichter, mindestens einen Transformator und mindestens einen bordnetzseitigen Gleichrichter in mindestens ein Bordnetz übertragen wird. Das Traktionsnetz kann hierbei mindestens eine Traktionsbatterie und das Bordnetz mindestens eine Bordnetzbatterie umfassen.
-
In einer zweiten Ladekonfiguration des erfindungsgemäßen Verfahrens wird elektrische Energie von der Traktionsbatterie über den traktionsnetzseitigen Gleichrichter, den Transformator und den bordnetzseitigen Gleichrichter zur Bordnetzbatterie übertragen, wobei der traktionsnetzseitige Gleichrichter zusätzlich ein Wechselrichter ist und eine Wechselrichterfunktion durchführt.
-
Weiter kann in der zweiten Ladekonfiguration zusätzlich elektrische Energie von der Traktionsbatterie über den traktionsnetzseitigen Gleichrichter, den Transformator und den netzseitigen Wechselrichter zu mindestens einer externen Energie- oder Spannungsquelle übertragen werden, wobei der netzseitige Wechselrichter zusätzlich ein Gleichrichter ist und eine Gleichrichterfunktion durchführt.
-
In einer dritten Ladekonfiguration kann elektrische Energie von der Bordnetzbatterie über den bordnetzseitigen Gleichrichter, den Transformator und den netzseitigen Wechselrichter zu mindestens einer externen Energie- oder Spannungsquelle und/oder über den bordnetzseitigen Gleichrichter, den Transformator und den traktionsnetzseitigen Gleichrichter zu der Traktionsbatterie übertragen werden, wobei der bordnetzseitige Gleichrichter zusätzlich ein Wechselrichter ist und eine Wechselrichterfunktion durchführt.
-
Die erste, zweite oder dritte Ladekonfiguration kann beispielsweise mittels einer Einheit zur Steuerung des Ladegeräts ausgeführt werden. Beispielsweise können die Wechsel- und Gleichrichter des Ladegeräts schaltende Elemente umfassen, wobei die Einheit zur Steuerung des Ladegeräts Schaltzeitpunkte von einem, mehreren oder allen schaltenden Elementen der Wechsel- und Gleichrichter steuert oder regelt. Mittels der Steuerung oder Regelung kann hierbei je nach Ladekonfiguration ein Gleich- oder Wechselrichter in einem Gleichrichtermodus oder in einem Wechselrichtermodus betrieben werden, wobei der Gleich- oder Wechselrichter entweder eine Gleichrichterfunktion oder eine Wechselrichterfunktion durchführt.
-
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Ladegerät auch für jeden einzelnen Gleich- und Wechselrichter individuelle Einheiten zur Steuerung aufweisen, wobei die Einheiten zur Steuerung die jeweiligen Gleich- oder Wechselrichter je nach Ladekonfiguration in einem Wechselrichtermodus und/oder einem Gleichrichtermodus steuern oder regeln.
-
Weiter kann mittels der vorhergehend beschriebenen Ladegeräte und Verfahren in jeder Ladekonfiguration eine Leistungsaufteilung eingestellt werden. In der ersten Ladekonfiguration kann hierbei z. B. ein erster vorbestimmter Anteil einer netzseitigen Eingangsleistung an das Traktionsnetz zum Aufladen der Traktionsbatterie und ein verbleibender Anteil der netzseitigen Eingangsleistung an das Bordnetz übertragen werden. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass z. B. während einer Aufladung der Traktionsbatterie das Bordnetz weiter mit Energie versorgt werden kann. Hierdurch kann z. B. ein Ausfall von Steuergeräten, die an das Bordnetz angeschlossen sind, während des Ladevorgangs vermieden werden. Dies ist inbesondere von Bedeutung, wenn ein Steuergerät, welches den Ladevorgang der Traktionsbatterie steuert oder regelt, beispielsweise die Einheit zur Steuerung des Ladegeräts, an das Bordnetz angeschlossen ist. Neben der reinen Versorgung des Bordnetzes während des Aufladens der Traktionsbatterie ist zusätzlich oder alternativ vorstellbar, dass auch die Bordnetzbatterie geladen wird.
-
Wird z. B. bei einer einphasigen Netzspannung mit einem Netzstrom von 16 A und einer Amplitude von 110 V oder 220 V eine Leistung von 3 kW vom Netz in das Ladegerät eingespeist, so können 2 kW für das Aufladen der Traktionsbatterie und 1 kW für die Versorgung des Bordnetzes und/oder das Aufladen der Bordnetzbatterie verwendet werden.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
-
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Traktions- und Bordnetzes (Stand der Technik),
-
2 ein schematisches Blockschaltbild eines Traktions- und Bordnetzes mit einem erfindungsgemäßen Ladegerät,
-
3 ein schematisches Blockschaltbild eines Ladegerätes und
-
4 ein weiteres schematisches Blockschaltbild eines Ladegerätes.
-
Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Eigenschaften.
-
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Traktionsnetzes 10 und eines Bordnetzes 20 eines nicht dargestellten Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Das Traktionsnetz 10 umfasst eine Traktionsbatterie 11 die als Hochvolt-Batterie mit einer Ausgangsspannung von 400 V ausgebildet ist. Weiter umfasst das Traktionsnetz 10 eine Einheit 12 zur Leistungsversorgung. Über die Einheit 12 zur Leistungsversorgung sind verschiedene weitere Komponenten des Traktionsnetzes 10 an die Traktionsbatterie 11 energietechnisch angeschlossen. Beispielhaft dargestellt ist ein über drei Leitungen angeschlossener Elektromotor 13 und ein über zwei Leitungen angeschlossener Klimakompressor 14 zum Betrieb einer nicht dargestellten Klimaanlage des Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
-
Das Bordnetz 20 umfasst eine Bordnetzbatterie 21, die z. B. eine Ausgangsspannung von 12 V aufweist. Die Bordnetzbatterie 21 ist energietechnisch mit Steuergeräten 22, 23, 24 gekoppelt, wobei die Bordnetzbatterie 21 die Steuergeräte 22, 23, 24 mit Energie versorgt.
-
Weiter zeigt 1 eine externe Spannungsquelle 1, die als Wechselspannungsquelle ausgeführt ist. Die Spannungsquelle 1 ist über einen Gleichrichter 2 energietechnisch mit der Traktionsbatterie 11 gekoppelt. Mittels des Gleichrichters 2 kann die Traktionsbatterie 11 durch die Wechselspannungsquelle 1 geladen werden. Zwischen dem Traktionsnetz 10 und dem Bordnetz 20 ist ein Gleichspannungswandler 3 angeordnet. Über den Gleichspannungswandler 3 ist die Traktionsbatterie 11 mit der Bordnetzbatterie 21 energietechnisch gekoppelt. Hierbei kann mittels des Gleichspannungswandlers 3 Energie von der Traktionsbatterie 11 zur Bordnetzbatterie 21 übertragen werden. Der Gleichspannungswandler 3 transformiert hierbei die Ausgangsspannung der Traktionsbatterie 11 von 400 V auf eine Spannung von 12 V, was der Spannung des Bordnetzes 20 entspricht.
-
Die Steuergeräte 22, 23, 24 dienen als Steuergeräte für Komponenten des Traktionsnetzes 20 und des Gleichspannungswandlers 3. Beispielhaft ist dargestellt, dass die Steuergeräte 22, 23, 24 als Steuergeräte der Einheit 12 zur Leistungsversorgung, der Traktionsbatterie 11 und des Gleichspannungswandlers 3 dienen. Hierzu sind die Steuergeräte 22, 23, 24 über ein gestrichelt dargestelltes Bussystem 4, beispielsweise einen CAN-Bus, mit dem Gleichspannungswandler 3, der Einheit 12 zur Leistungsversorgung und der Traktionsbatterie 11 datentechnisch verbunden. Selbstverständlich können noch weitere Steuereinheiten zur Steuerung weiterer Komponenten, beispielsweise des Elektromotors 13 oder des Gleichrichters 2, im Bordnetz 20 angeordnet sein. Dies ist jedoch der Einfachheit halber nicht dargestellt.
-
In 2 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Traktions- und Bordnetzes 10, 20 mit einem erfindungsgemäßen Ladegerät 30 dargestellt. Das Ladegerät 30 ist hierbei zwischen einer externen Spannungsquelle 1, einem Traktionsnetz 10 und einem Bordnetz 20 angeordnet. Das Ladegerät 30 dient hierbei der energietechnischen Kopplung zwischen der externen Spannungsquelle 1, der Traktionsbatterie 11 und der Bordnetzbatterie 21. Mittels des Ladegeräts 30 kann Energie von der externen Spannungsquelle 1 in das Traktionsnetz 10, also auch in die Traktionsbatterie 11, übertragen werden. Weiter kann Energie mittels des Ladegeräts 30 von der externen Spannungsquelle 1 in das Bordnetz 20, also auch in die Bordnetzbatterie 21, übertragen werden. Auch kann mittels des Ladegeräts 30 Energie von der Traktionsbatterie 11 in die Bordnetzbatterie 21 und/oder an die externe Spannungsquelle 1 übertragen werden. Auch kann Energie von der Bordnetzbatterie 21 mittels des Ladegeräts 30 in die Traktionsbatterie 11 und/oder an die externe Spannungsquelle 1 übertragen werden.
-
3 zeigt eine detaillierteres Blockschaltbild eines Ladegeräts 30. Das Ladegerät 30 umfasst hierbei einen netzseitigen Wechselrichter 31, einen netzseitigen Gleichrichter 32, einen traktionsnetzseitigen Gleichrichter 33 und einen bordnetzseitigen Gleichrichter 34. Weiter umfasst das Ladegerät 30 einen Transformator 40. Hierbei ist dargestellt, dass der Transformator 40 eine Primärwicklung 41, eine traktionsnetzseitige Sekundärwicklung 42, eine bordnetzseitige Sekundärwicklung 43 und einen gemeinsamen Kern 44 umfasst.
-
An den netzseitigen Gleichrichter 32 ist eingangsseitig eine externe Wechselsspannung, beispielsweise eine Ausgangsspannung einer externen Spannungsquelle 1, anlegbar. Hierbei richtet der netzseitigen Gleichrichter 32 die externe Wechselspannung gleich. Ausgangsseitig ist der netzseitige Gleichrichter 32 mit einer Eingangsseite des netzseitigen Wechselrichters 31 verbunden. Der netzseitige Wechselrichter 31 erzeugt ausgangsseitig eine rechteckförmige Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 kHz. Ausgangsseitig ist an den netzseitigen Wechselrichter 31 die Primärwicklung 41 angeschlossen. Aufgrund des gemeinsamen Kerns 44 liegt eine rechteckförmige Wechselspannung dann über der traktionsnetzseitigen Sekundärwicklung 42 und über der bordnetzseitigen Sekundärwicklung 43 an. Je nach Windungsverhältnis der Primärwicklung 41 zu den Sekundärwicklungen 42, 43 weist die an den Sekundärwicklungen 42, 43 anliegende Spannung eine veränderte Amplitude auf.
-
Die traktionsnetzseitige Sekundärwicklung 42 ist mit einem Eingang des traktionsnetzseitigen Gleichrichters 33 verbunden. Der traktionsnetzseitige Gleichrichter 33 richtet die an der traktionsnetzseitigen Sekundärwicklung 42 anliegende rechteckförmige Spannung gleich. Ausgangsseitig ist der traktionsnetzseitige Gleichrichter 33 mit dem Traktionsnetz 10, insbesondere mit der Traktionsbatterie 11 verbunden. Die Traktionsbatterie 11 speist über die Einheit 12 zur Leistungsversorgung einen Elektromotor 13. Die Einheit 12 zur Leistungsversorgung kann hierbei beispielsweise eine so genannten B6-Brücke sein.
-
Die bordnetzseitige Sekundärwicklung 43 ist mit einem Eingang des bordnetzseitigen Gleichrichters 34 verbunden. Der bordnetzseitige Gleichrichter 34 richtet die an der bordnetzseitigen Sekundärwicklung 43 anliegende rechteckförmige Spannung gleich. Ausgangsseitig ist der bordnetzseitige Gleichrichter 34 mit dem Bordnetz 20, insbesondere mit der Bordnetzbatterie 21, verbunden.
-
4 zeigt ein weiteres schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ladegerätes 30. Hierbei ist dargestellt, dass eine Filtereinheit 5 zur Spannungsfilterung, beispielsweise Tiefpassfilter, zwischen einer externen Spannungsquelle 1 und einem netzseitigen Gleichrichter 32 angeordnet ist. Auch ist eine Filtereinheit 15 zwischen einem traktionsnetzseitigen Gleichrichter 33 und einer Traktionsbatterie 11 angeordnet. Weiter ist eine Filtereinheit 25 zwischen einem bordnetzseitigen Gleichrichter 34 und einer Bordnetzbatterie 21 angeordnet. Schematisch ist dargestellt, dass ein netzseitiger Wechselrichter 31 und der traktionsnetzseitige Gleichrichter 33 jeweils Schaltelemente 35 umfassen, wobei die Schaltelemente 35 als MOSFET-Elemente ausgebildet sind. Schaltzeitpunkte der einzelnen Schaltelemente sind beispielsweise über eine nicht dargestellte Einheit zur Steuerung des Ladegeräts steuerbar oder regelbar.
-
Der in 4 und 5 dargestellte traktionsnetzseitige Gleichrichter kann hierbei eine Gleichrichterfunktion oder eine Wechselrichterfunktion durchführen. Hierdurch kann eine Energieübertragung z. B. von der externen Spannungsquelle 1 in die Traktionsbatterie 11 und/oder die Bordnetzbatterie 21 erfolgen. Hierbei führt der traktionsnetzseitige Gleichrichter 33 eine Gleichrichterfunktion durch. Alternativ kann eine Energieübertragung von der Traktionsbatterie 11 zur Bordnetzbatterie 21 erfolgen. Hierbei führt der traktionsnetzseitige Gleichrichter 33 eine Wechselrichterfunktion durch.
-
Um eine Gleich- oder Wechselrichterfunktion durchzuführen werden hierbei Schaltzeitpunkte der Schaltelemente 35 traktionsnetzseitigen Gleichrichters 33 z. B. mittels der Einheit zur Steuerung des Ladegeräts gesteuert oder geregelt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- externe Spannungsquelle
- 2
- Gleichrichter
- 3
- Gleichspannungswandler
- 4
- Bussystem
- 5
- Filtereinheit
- 10
- Traktionsnetz
- 11
- Traktionsbatterie
- 12
- Einheit zur Leistungsversorgung
- 13
- elektrischer Motor
- 14
- Klimakompressor
- 15
- Filtereinheit
- 20
- Bordnetz
- 21
- Bordnetzbatterie
- 22
- Steuergerät
- 23
- Steuergerät
- 24
- Steuergerät
- 25
- Filtereinheit
- 30
- Ladegerät
- 31
- netzseitiger Wechselrichter
- 32
- netzseitiger Gleichrichter
- 33
- traktionsnetzseitiger Gleichrichter
- 34
- bordnetzseitiger Gleichrichter
- 35
- Schaltelement
- 40
- Transformator
- 41
- Primärwicklung
- 42
- traktionsnetzseitige Sekundärwicklung
- 43
- bordnetzseitige Sekundärwicklung
- 44
- Kern
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 0593472 B1 [0005]
- DE 3417631 C2 [0009, 0028]
- DE 3305224 A1 [0010, 0028]
