DE102011005911A1

DE102011005911A1 - Ladeeinrichtung für eine Hochspannungsbatterie

Info

Publication number: DE102011005911A1
Application number: DE102011005911A
Authority: DE
Inventors: Johannes Reinschke; Norbert Benesch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-09-27
Also published as: WO2012126835A3; WO2012126835A2

Abstract

Ladeeinrichtung (1) für eine Hochspannungsbatterie (2), insbesondere eine Hochspannungsbatterie (2) eines Kraftfahrzeuges, aus einem Wechselspannungsnetz (3) mit einer insbesondere dreiphasig zur Verfügung gestellten Eingangsspannung, umfassend einen Trenntransformator (7) mit wenigstens einer Zwischenspannung als Ausgangsspannung und einen Gleichrichter (10) zur Erzeugung einer Gleichspannung, wobei der Gleichrichter (10) zur Variation der als Ladespannung genutzten Gleichspannung innerhalb eines Gleichspannungsbereichs durch eine Steuereinrichtung (27) ansteuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für eine Hochspannungsbatterie, insbesondere eine Hochspannungsbatterie eines Kraftfahrzeuges, aus einem Wechselspannungsnetz mit einer insbesondere dreiphasig zur Verfügung gestellten Eingangsspannung, umfassend einen Trenntransformator mit wenigstens einer Zwischenspannung als Ausgangsspannung und einen Gleichrichter zur Erzeugung einer Gleichspannung.
Kraftfahrzeuge, die durch eine Hochspannungsbatterie über eine Elektromaschine angetrieben fahren können, sind beispielsweise als Hybridfahrzeuge oder Elektrofahrzeuge („e-Cars”) bekannt. Die Kapazität der Hochspannungsbatterien solcher Kraftfahrzeuge kann beispielsweise zwischen 20 und 40 kWh betragen. Dabei wird der Wunsch laut, ein schnelles Aufladen solcher Hochstrombatterien zu erlauben, beispielsweise in einer Zeitspanne von 15–30 Minuten. Für entsprechende Ladegeräte werden daher Ladeeinrichtungen bzw. Gleichstromnetzteile im Kilowattbereich benötigt. Im beschriebenen Beispiel würde beispielsweise eine Ausgangsleistung des Gleichstromnetzteils der Ladeeinrichtung von 50–100 kW benötigt.
Solche Ladeeinrichtungen müssen zudem für hohe Spannungen und hohe Ströme ausgelegt sein. So liegt eine derzeit von der Automobilindustrie bevorzugte Batteriespannung bei vollem Ladezustand der Hochspannungsbatterie zwischen 400 und 450 V. Als maximaler Ladestrom werden derzeit beispielsweise 210 Ampère, teilweise auch bis zu 280 Ampère, angenommen. Für zukünftige Fahrzeugbatterien sind Endladespannungen von 800 V im Gespräch, mit entsprechend verringertem maximalen Ladestrom.
Gleichstromversorgungen hoher Leistung, also beispielsweise im Bereich von Kilowatt oder Megawatt, sind beispielsweise aus Galvanisierungs- und Lackieranlagen bekannt. Bei derartigen Gleichstromversorgungen werden üblicherweise folgende Hauptkomponenten in der Topologie verwendet. An den Netzanschluss schließt üblicherweise zunächst eine EMV-Filtereinrichtung (EMV = Elektromagnetische Verträglichkeit) an. Derartige Filtereinrichtungen filtern beispielsweise Oberwellen mit einer Frequenz > 100 kHz aus. Hieran schließt sich ein Trenntransformator an, der neben der Erzeugung einer Zwischenspannung auch die Aufgabe haben kann, eine galvanische Trennung zwischen dem Wechselspannungsnetz und den weiteren Komponenten der Gleichstromversorgung herzustellen. Die Zwischenspannung, noch immer eine Wechselspannung, wird dann einem Stromrichter zugeführt, der in den hier diskutierten Anwendungen häufig als sechspulsige Thyristor-Brücke ausgebildet ist. Daran schließt sich ein Gleichstrom-Glättungsfilter, beispielsweise ein LC-Glättungsfilter, an. Eine derartige Thyristor-Brücke weist den Nachteil auf, dass bei niedrigen Frequenzen ein hoher Oberwellengehalt gegeben ist. Beispielsweise werden die fünfte und die siebte harmonische bei einem sechspulsigen Stromrichter verstärkt. Es sind mithin Filter mit hohen Induktivitäten sowohl auf der Eingangs- als auch auf der Ausgangsseite des Stromrichters erforderlich. Diese Induktivitäten, die häufig auch als Glättungsdrosseln bezeichnet werden, sind schwer, voluminös und relativ teuer. Daher wurde von einer Anwendung solcher Gleichstromversorgungen für das schnelle Laden von Hochspannungsbatterien bislang abgesehen.
Deutlich höherfrequente Oberwellen mit deutlich geringerer Amplitude und mithin einem deutlich verringerten Filterbedarf erhält man, wenn durch Pulsweitenmodulation gesteuerte Halbleiterbrücken, beispielsweise IGBT-Brücken (insulated gate bipolar transistor, deutsch Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), verwendet werden. Solche Halbleiterbrücken können in AC-AC-Umrichtern, AC-DC-Umrichtern (Gleichrichtern) und DC-DC-Umrichtern verwendet werden. Eine bekannte Topologie für den Leistungsteil der Gleichstromversorgungen auf Basis von über Pulsweitenmodulation gesteuerten Halbleiterbrücken weist wiederum den Netzanschluss mit dem nachgeschalteten Netzfilter (EMV-Filtereinrichtung) und einem Trenntransformator auf. Diesem nachgeschaltet ist ein AC-DC-Umrichter (Gleichrichter) mit wenigstens einer entsprechenden Halbleiterbrücke, dem wiederum ein DC-DC-Tiefsetzsteller nachgeschaltet ist.
Das Problem bei dieser Topologie ist der DC-DC-Tiefsetzsteller, der benötigt wird, um die Ausgangsspannung der Gleichstromversorgung, die als Ladespannung verwendet werden soll, auf die aktuelle Batteriespannung anzupassen. Ist die Hochspannungsbatterie beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, die aus ca. 100 in Reihe geschalteten Zellen zusammengesetzt ist, so können die Ladespannungen in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie beispielsweise bei 350–420 V liegen. Soll die Ladeeinrichtung Batterien mit unterschiedlich vielen in Reihe geschalteten Lithium-Ionen-Zellen laden können, erweitert sich der Spannungsbereich, in dem die Ausgangsspannung der Ladeeinrichtung während des Ladevorgangs nachgeführt werden muss. Problematisch ist jedoch, dass geeignete DC-DC-Tiefsetzsteller nicht immer verfügbar sind und einen großen Kostenfaktor bei der Herstellung einer Gleichstromversorgung bzw. einer Ladeeinrichtung für Hochspannungsbatterien darstellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gleichstromversorgung einer Ladeeinrichtung so auszugestalten, dass sie ohne einen DC-DC-Tiefsetzsteller auskommt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Ladeeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Gleichrichter zur Variation der als Ladespannung genutzten Gleichspannung innerhalb eines Gleichspannungsbereichs durch eine Steuereinrichtung ansteuerbar ist.
Auch die Gleichstromversorgung der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung weist also zunächst die üblich bekannte Komponente eines Trenntransformators auf, der im Übrigen auch zur galvanischen Trennung zwischen den Wechselspannungsnetz und den weiteren Komponenten der Ladeeinrichtung, insbesondere des Umrichters, dient. Auch die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung umfasst einen Gleichrichter zur Erzeugung einer Gleichspannung aus der Zwischenspannung, jedoch sind vorliegend die wenigstens eine Zwischenspannung und der Gleichrichter so gewählt, dass der Gleichrichter aus der Zwischenspannung verschiedene Gleichspannungen, die innerhalb eines Gleichspannungsbereichs liegen, erzeugen kann, die dann unmittelbar – das bedeutet, ohne Verwendung eines DC-DC-Tiefsetzstellers – als Ladespannung genutzt werden können. Dafür umfasst die Ladeeinrichtung eine Steuereinrichtung, über die eine entsprechende Ansteuerung des Gleichrichters möglich ist.
Der größte Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht im Weglassen des DC-DC-Tiefsetzstellers. Hierdurch sinken die Herstellungskosten für die Gleichstromversorgung und mithin die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung. Ferner wird die Energieeffizienz der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung gesteigert, weil der nicht vorhandene DC-DC-Tiefsetzsteller keine Verlustleistung erzeugt.
Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass, nachdem bei der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung die Batteriespannung der zu ladenden Hochspannungsbatterie nicht auf 0 absinken darf, diese besonders vorteilhaft für die in Elektrofahrzeugen verwendeten Lithium-Ionen-Batterien einsetzbar ist, da deren Batteriespannung niemals auf 0 absinkt. Mithin ist die Notwendigkeit einer minimalen Ladespannung bei der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung bei allen Hochspannungsbatterien, deren Spannung (außer bei einer defekten Batterie) niemals auf 0 absinkt, vollkommen unproblematisch.
Es kann vorgesehen sein, dass der Gleichrichter wenigstens eine über Pulsweitenmodulation gesteuerte Halbleiterbrücke, insbesondere IGBT-Brücke, umfasst. Bereits einleitend wurden die Vorteile einer solchen Halbleiterbrücke dargestellt. Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode weisen ein gutes Durchlassverhalten, eine hohe Sperrspannung, eine hohe Robustheit und eine nahezu leistungslose Ansteuerung auf. In bevorzugter Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass im Rahmen der Ansteuerung durch die Steuereinrichtung das Pulsweitenmodulations-Muster (PWM-Muster) der IGBT's änderbar ist. Damit ergibt sich eine einfache Möglichkeit, die Gleichspannung innerhalb des Gleichspannungsbereichs zu variieren. Bei einer dreiphasigen Zwischenspannung können beispielsweise drei IGBT-Paare verwendet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass der Gleichrichter als ein Hochsetzsteller ausgebildet ist. Ein derart ausgebildeter Gleichrichter kann auch als ein AC-DC-Hochsetzsteller bezeichnet werden. Konkret bedeutet dies, dass der Spannungsverstärkungsfaktor des Gleichrichters zwischen einem ersten Wert, der größer oder gleich der Quadratwurzel von 2 ist, und einem zweiten Wert, der größer als der erste Wert ist, insbesondere 2 oder 3, wählbar ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der die insbesondere dreiphasige Zwischenspannung U_ac in eine Gleichspannung U_dc umwandelnde Gleichrichter die Gleichspannung U_dc in dem Gleichspannungsbereich variieren kann, wobei die RMS(root mean square)-Werte von U_ac und U_dc sich zueinander gemäß der Formel |U_dc| = f·|U_ac| mit √2 ≤ f₁ ≤ f ≤ f₂ verhalten. Beispielsweise kann der erste Wert f₁ = 1,45 betragen und der zweite Wert f₂ = 2,0 oder 3,0.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass grundsätzlich als Hochsetzsteller ausgebildete Gleichrichter denkbar sind, bei denen hohe Hochsetzfaktoren denkbar sind, beispielsweise solche von 2 bis 4. Das begrenzende Element bei derartigen Auslegungen ist dabei ein Rückkopplungen durch die gleichrichtenden Komponenten in das Wechselspannungsnetz insbesondere durch Kurzschluss vermeidende Filtermodul. In allen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann im Übrigen vorgesehen sein, dass der Gleichrichter ein solches Rückkopplungen durch die gleichrichtenden Komponenten in das Wechselspannungsnetz insbesondere durch Kurzschluss vermeidendes Filtermodul aufweisen. Bei Hochsetzfaktoren (maximalen Verstärkungsfaktoren) größer als 2 ist bei heutigen Filtermodulen nicht sichergestellt, dass die Rückwirkungen tatsächlich in ausreichendem Maße vermieden werden, zum anderen besteht die Gefahr der thermischen Überlastung von Bauteilen des Filtermoduls. Zwar ist es denkbar, ein Filtermodul so anzupassen, dass höhere Verstärkungsfaktoren erreicht werden können, allerdings müsste dieses Filtermodul aufgrund der höheren Belastung größer und teurer ausgeführt werden. Auch eine Variation des Modulationsverfahrens wäre gegebenenfalls notwendig, um die starken Oberschwingungen bei großem Verstärkungsfaktor zu reduzieren. Dies würde sich wiederum ungünstig auf den Wirkungsgrad des Gleichrichters auswirken.
Zur Lösung dieser Problematik und zur weiteren Verbesserung der erfindungsgemäßen Ladereinrichtung kann daher mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass der Trenntransformator wenigstens zwei, insbesondere drei, Ausgänge unterschiedlicher Zwischenspannung aufweist, wobei die Ladeeinrichtung wenigstens ein Zwischenspannungsschaltmittel zur Weiterleitung einer der Zwischenspannungen an den Gleichrichter aufweist. Die grundsätzliche Idee dieser Ausgestaltung ist es also, einen Trenntransformator mit mehreren Ausgängen zu verwenden, an denen jeweils unterschiedliche Zwischenspannungen anliegen, die verwendet werden können. Über die Steuereinrichtung wird automatisch einer dieser Ausgänge mit dem Eingang des Gleichrichters verbunden. Auf diese Weise kann der maximale Verstärkungsfaktor (Hochsetzfaktor) des Gleichrichters niedrig gehalten werden, beispielsweise bei zwei, und es ist dennoch möglich, einen größeren Bereich möglicher Ausgangs-Gleichspannungen zu erreichen. Es werden mithin über die unterschiedlichen Zwischenspannungen mehrere Zwischenspannungsbereiche erreicht, wobei die Wahl der Zwischenspannung und die Auslegung des Gleichrichters mit besonderem Vorteil derart ist, dass die entstehenden Gleichspannungsbereiche sich zu einem vorbestimmten Ladespannungsbereich ergänzen. Um einen möglichst großen Spielraum für einen Umschaltvorgang zwischen unterschiedlichen Zwischenspannungen zu haben, ist es ferner bevorzugt, wenn der Gleichrichter und der Trenntransformator so gelegt sind, dass sich die Gleichspannungsbereiche überlappen. Betrachtet man beispielsweise die mit n und (n + 1) bezeichneten Zwischenspannungs-Ausgänge des Trenntransformators, so bedeutet dies in Formeln: U_ac,n·f₂ > U_ac,n+1·f₁, U_ac,n·f₁ < U_ac,n+1·f₁ und U_ac,n·f₂ < U_ac,n+1·f₂.
Die verschiedenen Zwischenspannungen können dabei in konkreter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung durch unterschiedliche Anzapfpunkte der gleichrichterseitigen Wicklung des Trenntransformators realisiert werden. Entsprechend werden dann Ausgänge des Trenntransformators realisiert.
Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass neben dem Vorteil, günstige und gängige Gleichrichter mit Hochsetzstellcharakter verwenden zu können, ein Trenntransformator mit mehreren Zwischenspannungen nur geringfügig teurer und komplexer zu realisieren ist als ein Trenntransformator, der nur eine einzige Zwischenspannung liefert. Die zusätzlich benötigten Schaltmittel sind ebenso sehr viel preiswerter als ein DC-DC-Tiefsetzsteller, und die Steuereinrichtung benötigt nur sehr wenige zusätzliche digitale Ausgänge, die meist ohnehin verfügbar sind. Hervorgehoben sei auch, dass der Nachteil der kurzzeitig notwendigen Stromunterbrechung beim Umschalten von einer Zwischenspannung auf eine andere beim Laden von Hochspannungsbatterien letztlich keine Rolle spielt, da der Umschaltvorgang maximal wenige Sekunden dauert und gegenüber der Gesamt-Ladezeit von mehreren Minuten nicht ins Gewicht fällt.
Die Zwischenspannungsschaltmittel können bevorzugt als über einen durch die Steuereinrichtung ansteuerbaren Motor betriebene Wechselstrom-Lasttrennschalter ausgebildet sein, wobei angemerkt wird, dass grundsätzlich noch andere Schaltmittel denkbar sind, beispielsweise Schütze oder sonstige Hochspannungsschaltmittel. Die Steuereinrichtung ist dann zur entsprechenden Ansteuerung der Motoren zum Öffnen und Schließen der Zwischenspannungsschaltmittel ausgebildet.
In bevorzugter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein über die Steuereinrichtung ansteuerbares Ausgangsschaltmittel zur Trennung der Hochspannungsbatterie von der Ladespannung vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung bei einem Wechsel der Zwischenspannung zu einem Öffnen des Ausgangsschaltmittels, darauffolgend zum Öffnen des aktuell geschlossenen Zwischenspannungsschaltmittels, darauffolgend zum Schließen des der neuen Zwischenspannung zugeordneten Zwischenspannungsschaltmittels und darauffolgend zum Schließen des Ausgangsschaltmittels ausgebildet ist. Damit ist es möglich, die Hochspannungsbatterie vor beim Umschaltvorgang auftretenden Spannungsschwankungen, die sich negativ auf die Hochspannungsbatterie bzw. auf die Effizienz der Ladeeinrichtung auswirken können, zu schützen. Auch beim Einschalten kann die Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, erst das benötigte Zwischenspannungsschaltmittel zu schließen, um erst danach das Ausgangsschaltmittel zu betätigen. Mit besonderem Vorteil kann dabei vorgesehen sein, dass eine den Gleichrichter nachgeschaltete und dem Ausgangsschaltmittel vorgeschaltete, durch die Steuereinrichtung auslesbare Spannungsmesseinrichtung vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung bei einem Wechsel oder einer ersten Wahl der Zwischenspannung zum Öffnen des Ausgangsschaltmittels in Abhängigkeit eines von der Spannungsmesseinrichtung gemessenen Wertes der Gleichspannung ausgebildet ist. Auf diese Weise ist es also möglich, zu überprüfen, ob sich nach einem Ein- oder Umschaltvorgang, also dem Schließen eines Zwischenspannungsschaltmittels, tatsächlich bereits stabil die eigentlich gewünschte, als Ladespannung zu benutzende Gleichspannung, die gleich der Batteriespannung sein muss, eingestellt hat. Nur dann wird auch das Ausgangsschaltmittel geschlossen, und der Ladevorgang kann begonnen werden.
In diesem Zusammenhang, aber auch allgemein, ist es zweckmäßig, wenn ein Batteriespannungsmessmittel zur Messung der an der Hochspannungsbatterie anliegenden Batteriespannung vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Gleichrichters und/oder der Zwischenspannungsschaltmittel in Abhängigkeit der gemessenen Batteriespannung ausgebildet, insbesondere zur Angleichung der Gleichspannung an die Batteriespannung. Die Ladeeinrichtung umfasst mithin eine Messvorrichtung zur Erfassung der Batteriespannung. Dieses Spannungssignal wird an die zentrale Steuereinrichtung der Ladeeinrichtung gesendet, welche dann, falls keine mehreren Zwischenspannungen gegeben sind, den Gleichrichter entsprechend ansteuert, ansonsten aber den dazu passenden Gleichspannungsbereich, also eine geeignete Zwischenspannung auswählt, um dann das zugehörige Zwischenspannungsschaltmittel zu schließen. Danach kann auf die gemessene Batteriespannung als Ladespannung geregelt werden. Erst wenn dies geschehen ist, was beispielsweise durch die Spannungsmesseinrichtung überprüft werden kann, wird das Ausgangsschaltmittel geschlossen und der Ladevorgang kann beginnen.
Während des Ladevorgangs wird die Ausgangsspannung der Ladeeinrichtung so geregelt, dass sich der gewünschte Ladestom einstellt. Im statischen Fall und bei Vernachlässigung der Impedanz der elektrischen Komponenten zwischen Gleichrichter und Batterie muss die Gleichrichter-Ausgangsspannung gleich der Batteriespannung plus dem Produkt aus Ladestrom und Batterieimpedanz sein. Betragen beispielsweise die Batterieimpedanz 0,1 Ohm und der Ladestrom 100 A, so muss die Gleichrichter-Ausgangsspannung um 10 V größer sein als die Batteriespannung.
Im Laufe des Ladevorgangs steigt dann die Spannung der Hochspannungsbatterie an. Hier ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Überlapp zwischen den verschiedenen Gleichspannungsbereichen vorliegt, denn dann kann, wenn die Batteriespannung in den Überlappbereich zu dem der nächsten Zwischenspannung des Trenntransformators zugeordneten Gleichspannungsbereich gelangt, das Ausgangsschaltmittel geöffnet werden. Danach wird das entsprechende Zwischenspannungsschaltmittel, welches bislang geschlossen war, geöffnet. Sonach wird das Zwischenspannungsschaltmittel für die nächst höhere Zwischenspannung geschlossen und der Gleichrichter wird entsprechend auf die Batteriespannung geregelt. Daraufhin wird das Ausgangsschaltmittel wieder geschlossen und der Ladevorgang kann fortgesetzt werden.
Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass der Ladevorgang selbstverständlich endet, wenn die Hochspannungsbatterie ihre maximale Ladespannung erreicht hat; allgemein kann die Steuereinrichtung die Messwerte des Batteriespannungsmessmittels nutzen, um dies zu überprüfen und gegebenenfalls den Ladevorgang automatisch zu beenden.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass dem Gleichrichter nachgeschaltet eine Filterschaltung zur Glättung des Gleichstroms vorgesehen ist. Derartige Filterschaltungen sind grundsätzlich bekannt, wobei bevorzugt ein LC-Tiefpassfilter verwendet werden kann. Selbstverständlich sind auch andere Tiefpassfilter zur Glättung einsetzbar.
Wird in der Filterschaltung ein Kondensator verwendet, so kann ferner vorgesehen sein, dass der Filterschaltung ein Entladungswiderstand und ein Entladungsschaltmittel zur Entladung eines in der Filterschaltung vorgesehenen Kondensators zugeordnet sind. Auf diese Weise können auf dem Kondensator noch verbleibende Ladungen beseitig werden. Der Entladewiderstand hat typischerweise einen Wert zwischen 50 Ω und 500 Ω. Der Wert wird abhängig von der Kapazität des zu entladenden Kondensators, der maximalen Kondensatorspannung, der gewünschten Entlade-Endspannung und der gewünschten Entladezeit gewählt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass eine Hilfsspannungserzeugungseinheit zur Erzeugung einer Betriebsspannung der Steuereinrichtung aus dem Wechselspannungsnetz vorgesehen ist. Eine solche Hilfsspannungserzeugungseinrichtung kann wiederum einen Trenntransformator umfassen, der beispielsweise eine übliche, einphasige 230 V Wechselspannung erzeugt, so dass ein übliches Netzteil für die Steuereinrichtung verwendet werden kann, welches die 230 V-Spannung auf eine niedrigere Gleichspannung zur Versorgung der Steuereinrichtung, beispielsweise 24 V, umsetzen kann.
Zweckmäßig ist es, wenn die Ladeeinrichtung einen manuell betätigbaren Hauptschalter zur Trennung der Ladeeinrichtung von dem Wechselspannungsnetz aufweist. Hierzu kann beispielsweise an einem Gehäuse der Ladeeinrichtung ein entsprechendes Bedienelement vorgesehen werden, welches mechanisch oder auf andere Weise eine Betätigung des Hauptschalters ermöglicht.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass eine Isolationsüberwachungseinrichtung an einem batterieseitigen Ausgang vorgesehen ist. Neben einer derartigen, grundsätzlich bekannten Isolationsüberwachungseinrichtung, die aus Sicherheitsgründen bei einer mit Starkstrom zu ladenden Hochspannungsbatterie vorgesehen ist, können selbstverständlich auch weitere Sicherheitsvorkehrungen grundsätzlich bekannter Art bei der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung realisiert sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung.
Dabei zeigt die einzige Figur einen Stromlaufplan einer erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung.
Die Figur zeigt einen Stromlaufplan und die verschiedenen Komponenten einer erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung 1, die zum Laden einer Hochspannungsbatterie 2 eines hier nicht näher gezeigten Elektrofahrzeuges aus einem schematisch bei 3 angedeuteten Wechselspannungsnetz, welches dreiphasig Strom zur Verfügung stellt, ausgebildet ist. Die hier dargestellte Ladeeinrichtung wurde so ausgelegt, dass die DC-Ausgangsspannung, also die Ladespannung, im Bereich von 250–550 V variiert werden kann, wobei ein maximaler Strom von 125 Ampere Gleichstrom vorgesehen sein kann.
Unmittelbar anschließend an den Anschluss 4 für das Wechselspannungsnetz 3 umfasst die Ladeeinrichtung 1 einen manuell betätigbaren Hauptschalter 5, über den die Ladeeinrichtung 1 von dem Wechselspannungsnetz 3 getrennt werden kann.
Dem Hauptschalter 5 nachgeschaltet ist eine EMV-Filtereinrichtung 6 vorgesehen, die Oberwellen einer Frequenz oberhalb von 100 kHz ausfiltert. Von dort gelangt der Wechselstrom zu einem Trenntransformator 7, der zwei galvanisch voneinander getrennte Wicklungen 8, 9 aufweist. Ersichtlich sind an der Wicklung 9 drei verschiedene Anzapfpunkte vorgesehen, so dass der Trenntransformator 7 drei verschiedene Anschlüsse aufweist, an denen jeweils unterschiedliche Zwischenspannungen abgegriffen werden können, hier Zwischenspannungen von 170 V, 220 V und 275 V, wie in der Figur dargestellt. Es handelt sich weiterhin um dreiphasigen Wechselstrom. Um nur eine dieser Zwischenspannungen an einen dem Trenntransformator 7 nachgeschalteten Gleichrichter 10, der im Folgenden noch näher diskutiert werden wird, zuzuführen, ist jeder Zwischenspannung ein Zwischenspannungsschaltmittel 11 zugeordnet, wobei die Zwischenspannungsschaltmittel 11 hier als durch Motoren 12 betriebene Wechselstrom-Lasttrennschalter ausgebildet sind.
Die entsprechend ausgewählte Zwischenspannung wird nun einem Gleichrichter 10 zugeführt, der hier als Hochsetzsteller ausgebildet ist (mithin als AC-DC-Hochsetzsteller) und eine IGBT-Halbleiterbrücke 13 aufweist, die pulsweitenmoduliert gesteuert ist. Sie weist für die drei Phasen jeweils ein Paar von IGBT's 14 auf. Mittels Pulsweitenmodulation ist die an den Ausgängen 15 des Gleichrichters 10 erhaltene Gleichspannung in einem Gleichspannungsbereich variierbar, wobei dieser Gleichspannungsbereich von der als Eingangsspannung gewählten Zwischenspannung abhängt. Vorliegend ist der Gleichrichter 10 so ausgebildet, dass der minimale Verstärkungsfaktor (f₁) bei 1,45 liegt, der maximale Verstärkungsfaktor (f₂) bei 2,0. Damit ergeben sich abhängig von der Zwischenspannung U_ac folgende Gleichspannungsbereiche für die Gleichspannung U_dc:

Zwischenspannung Gleichspannungsbereich

170 V 250...340 V

220 V 320...440 V

275 V 400...550 V
Es ergeben sich mithin drei Gleichspannungsbereiche, die sich gegenseitig überlappen und insgesamt Ausgangs-Gleichspannungen in einem Ladespannungsbereich von 250–550 V ermöglichen. Abhängig von der Auswahl der Zwischenspannung und der Einstellung der IGBT's 14 des Gleichrichters 10 können folglich alle Spannungen zwischen 250 und 550 V eingestellt werden.
Dem Gleichrichter 10 ist eine zur Glättung vorgesehene Filteranordnung nachgeschaltet, die hier als ein DC-Tiefpassfilter mit einem Kondensator 16 und einer Induktivität 17 ausgebildet ist, wobei jedoch auch andere Tiefpassfilter, insbesondere LC-Tiefpassfilter, vorgesehen werden können. Um eine Entladung des Kondensators 16 zu ermöglichen, ist ferner eine Entladungsschaltung 18 mit einem Shuntwiderstand 19, hier 300 Ω, und einem Entladungsschaltmittel 20 vorgesehen, welches wiederum ein über einen Motor 21 betriebener DC-Lasttrennschalter oder -Schütz sein kann.
Der Filterschaltung nachgeschaltet ist eine Spannungsmesseinrichtung 22 vorgesehen, über die die von dem Gleichrichter 10 gelieferte Gleichspannung vermessen werden kann. Deren Funktion wird mit Hinblick auf die Funktionsweise der Ladeeinrichtung 1 noch näher erläutert. Ferner ist ein Ausgangsschaltmittel 23 vorgesehen, über das die Hochspannungsbatterie 2 vom DC-Tiefpassfilter und von dem Gleichrichter 10 getrennt werden kann. Auch das Ausgangsschaltmittel 23 wird über einen Motor 24 betätigt. Schließlich ist noch ein Batteriespannungsmessmittel 25 vorgesehen, zusätzlich können eine Isolationsüberwachungseinrichtung 26 und/oder weitere Sicherheitseinrichtungen vorhanden sein.
Der Betrieb der Ladeeinrichtung 1 wird durch eine zentrale Steuereinrichtung 27 gesteuert, welcher eine Hilfsspannungserzeugungseinheit 28 zur Erzeugung einer Betriebsspannung aus dem Wechselspannungsnetz zugeordnet ist. Diese umfasst ebenfalls einen Trenntransformator 29, um im vorliegenden Fall eine Wechselspannung mit 230 V zu erzeugen, die dann zum Betrieb eines handelsüblichen Netzteils 30 genutzt werden kann, welches die 24 V-Gleichspannung zum Betrieb der Steuereinrichtung 27 liefert.
Der Gleichrichter 10 weist ferner ein Rückkopplungen durch die gleichrichtenden Komponenten in das Wechselspannungsnetz 3 vermeidendes Filtermodul 31 auf, welches vorliegend die reflektierten Anteile durch Bildung eines Kurzschlusses vernichtet.
Die Steuerungseinrichtung 27 ist nun zur Ansteuerung sämtlicher genannter Komponenten, insbesondere der Motoren 12, 21 und 24 und des Gleichrichters 10 sowie zum Empfang von Messwerten durch die Spannungsmesseinrichtung 22 und das Batteriespannungsmessmittel 25 ausgebildet. Dabei ist die Steuereinrichtung 27 zur Steuerung des Betriebs der Ladeeinrichtung wie im Folgenden dargestellt ausgebildet, um die im Übrigen als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildete Hochspannungsbatterie 2 zu laden. Zunächst wird das Signal des Batteriespannungsmessmittels 25 an die Steuereinrichtung 27 gesendet. Die Steuereinrichtung 27 wählt nun den passenden Gleichspannungsbereich, mithin eine der Zwischenspannungen aus und schließt das zugehörige Zwischenspannungsschaltmittel. Dann ist der Gleichrichter 10 betriebsbereit und eine Ausgangsspannung kann auf die gemessene Batteriespannung geregelt werden. Ob diese bereits erreicht ist, kann mittels der Spannungsmesseinrichtung 23 überprüft werden. Erst dann, wenn die vom Gleichrichter 10 als Ladespannung gelieferte Gleichspannung gleich der gemessenen Batteriespannung ist, wird das als DC-Lasttrenner ausgebildete Ausgangsschaltmittel 23 durch die Steuereinrichtung 27 geschlossen. Der Ladevorgang kann beginnen. Während des eigentlichen Ladevorgangs wird der Gleichrichter 10 stromgeregelt betrieben, d. h. die Gleichrichter-Ausgangsspannung wird so geregelt, dass sich der gewünschte Ladestrom einstellt.
Im Laufe des Ladevorgangs erhöht sich nun die Batteriespannung. Sie wird weiterhin durch das Batteriespannungsmessmittel 25 nachverfolgt. Stellt die Steuerungseinrichtung 27 fest, dass die Batteriespannung in dem Überlappbereich zur nächsten Zwischenspannung als Eingangsspannung des Gleichrichters gelangt, wird das Ausgangsschaltmittel 23 geöffnet und danach das bislang geschlossene Zwischenspannungsschaltmittel 11. Dann kann das Zwischenspannungsschaltmittel 11 für den nächst höheren Gleichspannungsbereich geschlossen werden und der Gleichrichter 10 entsprechend angesteuert werden, um wiederum die Batteriespannung als Ladespannung einzuregeln, welche in diesem Fall noch immer dieselbe, im Überlappbereich liegende Spannung ist. Erst wenn die Signale der Spannungsmesseinrichtung 22 ergeben, dass die Batteriespannung erreicht ist, wird das Ausgangsschaltmittel 23 wieder geschlossen und der Ladevorgang kann fortgesetzt werden.
Stellt die Steuereinrichtung 27 dann fest, dass die Hochspannungsbatterie 2 ihre maximale Batteriespannung erreicht hat, wird der Ladevorgang von der Steuereinheit 27 automatisch beendet.
Es sei an dieser Stelle nochmals hervorgehoben, dass die vorliegende erfindungsgemäße Ladeeinrichtung ohne einen DC-DC-Tiefsetzsteller auskommt.

Claims

Ladeeinrichtung (1) für eine Hochspannungsbatterie (2), insbesondere eine Hochspannungsbatterie (2) eines Kraftfahrzeuges, aus einem Wechselspannungsnetz (3) mit einer insbesondere dreiphasig zur Verfügung gestellten Eingangsspannung, umfassend einen Trenntransformator (7) mit wenigstens einer Zwischenspannung als Ausgangsspannung und einen Gleichrichter (10) zur Erzeugung einer Gleichspannung, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (10) zur Variation der als Ladespannung genutzten Gleichspannung innerhalb eines Gleichspannungsbereichs durch eine Steuereinrichtung (27) ansteuerbar ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (10) als ein Hochsetzsteller ausgebildet ist und/oder wenigstens eine über Pulsweitenmodulation gesteuerte Halbleiterbrücke, insbesondere IGBT-Brücke (13), umfasst.
Ladeneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsverstärkungsfaktor zwischen AC-Eingangsspannung und DC-Ausgangsspannung des Gleichrichters (10) zwischen einem ersten Wert und einem zweiten Wert, der größer als der erste Wert ist, wählbar ist.
Ladeeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trenntransformator (7) wenigstens zwei, insbesondere drei, Ausgänge unterschiedlicher Zwischenspannung aufweist, wobei die Ladeeinrichtung (1) wenigstens ein Zwischenspannungsschaltmittel (11) zur Weiterleitung einer der Zwischenspannungen an den Gleichrichter (10) aufweist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Zwischenspannungen durch unterschiedliche Anzapfpunkte der gleichrichterseitigen Wicklung (9) des Trenntransformators (7) realisiert sind.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahl der Zwischenspannungen und die Auslegung des Gleichrichters (10) derart ist, dass die entstehenden Gleichspannungsbereiche sich zu einem vorbestimmten Ladespannungsbereich ergänzen.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (10) und der Trenntransformator (7) so ausgelegt sind, dass sich die Gleichspannungsbereiche überlappen.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenspannungsschaltmittel (11) als über einen durch die Steuereinrichtung (27) ansteuerbaren Motor (12) betriebene Wechselstrom-Lasttrennschalter oder Schütze ausgebildet sind.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein über die Steuereinrichtung (27) ansteuerbares Ausgangsschaltmittel (23) zur Trennung der Hochspannungsbatterie (2) von der Ladespannung vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung (27) bei einem Wechsel der Zwischenspannung zu einem Öffnen des Ausgangsschaltmittels (23), darauf folgend zum Öffnen des aktuell geschlossenen Zwischenspannungsschaltmittels (11), darauf folgend zum Schließen des der neuen Zwischenspannung zugeordneten Zwischenspannungsschaltmittels (11) und darauf folgend zum Schließen des Ausgangsschaltmittels (23) ausgebildet ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Gleichrichter (10) nachgeschaltete und dem Ausgangsschaltmittel (23) vorgeschaltete, durch die Steuereinrichtung (27) auslesbare Spannungsmesseinrichtung (22) vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung (27) bei einem Wechsel oder einer ersten Wahl der Zwischenspannung zum Öffnen des Ausgangsschaltmittels (23) in Abhängigkeit eines von der Spannungsmesseinrichtung (22) gemessenen Wertes der Gleichspannung ausgebildet ist.
Ladeeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Batteriespannungsmessmittel (25) zur Messung der an der Hochspannungsbatterie (2) anliegenden Batteriespannung vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung (27) zur Ansteuerung des Gleichrichters (10) und/oder der Zwischenspannungsschaltmittel (11) in Abhängigkeit der gemessenen Batteriespannung ausgebildet ist, insbesondere zur Angleichung der Gleichspannung an die Batteriespannung.
Ladeeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (10) ein Filtermodul (31) aufweist, das Rückkopplungen durch die gleichrichtenden Komponenten in das Wechselspannungsnetz (3) verringert.
Ladeeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gleichrichter (10) nachgeschaltet eine Filterschaltung zur Glättung des Gleichstroms vorgesehen ist, insbesondere ein LC-Tiefpassfilter.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterschaltung ein Entladewiderstand (19) und ein Entladungsschaltmittel (20) zur Entladung eines in der Filterschaltung vorgesehenen Kondensators (16) zugeordnet ist.
Ladeeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hilfsspannungserzeugungseinheit (28) zur Erzeugung einer Betriebsspannung der Steuereinrichtung (27) aus dem Wechselspannungsnetz (3) vorgesehen ist.