DE102011016532A1 - Ladeeinrichtung für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung (1, 1') für ein Kraftfahrzeug, mit einer Ladeeinheit (2), die zum Aufladen einer Batterie des Kraftfahrzeuges ausgebildet ist, einem Wechselstromeingang (L1, N) der Ladeeinheit (2), über den die Ladeeinheit (2) zum Laden der Batterie mit einem außerhalb des Kraftfahrzeuges befindlichen Wechselstromnetz (AC) verbindbar ist, und ggf. einem Diagnosemittel (100, 200) zum Überprüfen einer Funktionsfähigkeit der Ladeeinheit (2). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Diagnosemittel (100, 200) dazu ausgebildet ist, zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit der Ladeeinheit (2) eine Testspannung in den Wechselstromeingang (L1, N) der Ladereinheit (2) einzukoppeln bzw. dass der Eingangsgleichrichter (302) zumindest zwei Thyristoren (gT1, gT2) aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Diagnose einer Ladeeinrichtung (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6 sowie ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Ladeeinrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Diagnose einer Ladeeinrichtung eines Kraftfahrzeuges.
  • Eine derartige Ladeeinrichtung gemäß Anspruch 1 weist zumindest eine Ladeeinheit auf, die zum Aufladen einer Batterie des Kraftfahrzeuges, insbesondere in Form einer Traktionsbatterie, ausgebildet ist und einen Wechselstromeingang (Wechselstromanschluss) aufweist, über den die Ladeeinheit zum Laden der Batterie mit einem außerhalb des Kraftfahrzeuges befindlichen (gewöhnlichen) Wechselstromnetz verbindbar ist, sowie ein Diagnosemittel zum Überprüfen einer Funktionsfähigkeit der Ladeeinrichtung.
  • Eine Traktionsbatterie (auch Antriebsbatterie oder Zyklenbatterie genannt) findet hauptsächlich Anwendung als Energielieferant in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen bzw. Kraftfahrzeugen. Hierfür werden in der Regel zyklenfeste Akkumulatoren verwendet, die wiederaufladbar und mehrfach verwendbar sind (z. B. Nickel-Metall-Hydrid-Akkus, Bleiakkumulatoren, Lithium-Ionen-Akkus etc.).
  • In herkömmlichen Ladeeinrichtungen für Kraftfahrzeuge werden Leistungsschalter nicht aktiv auf ihre Funktion hin überwacht. D. h., eine Fehlfunktion des Leistungsteils (z. B. nicht schaltende Schalter, defekte Dioden etc.) können im Nicht-Ladebetrieb nicht erkannt werden. Dies führt dazu, dass die Ladeeinrichtung nicht funktionsfähig ist und ein Laden der Batterie nicht möglich ist, wobei ein Fahrer darüber erst Kenntnis erlangt, wenn er das Fahrzeug über den Wechselstromeingang (Ladedose) an ein externes Wechselstromnetz hängt, um die Batterie aufzuladen. Im schlimmsten Fall führt dies zum Liegenbleiben des Fahrzeuges bei leerer Batterie.
  • Zur Überprüfung der Ladeeinheit besteht die bekannte Möglichkeit einer UCE-Überwachung. Hierbei können nicht schaltende oder entsättigte Transistoren einer Leistungselektronik der Ladeeinrichtung erkannt werden, indem die Kollektor-Emitter-Spannungen (UCE) der verwendeten Transistoren auf Abweichungen von einem vordefinierbaren Wert bzw. Wertebereich überwacht werden. Eine solche Überwachung muss jedoch für jeden Transistor einzeln ausgeführt werden uns ist daher entsprechend aufwändig.
  • Weiterhin ist aus der DE 2052847 eine Schaltung zur Überwachung des Betriebszustandes eines Gleichstromkreises einer Batterieladeeinrichtung mit einer Siebschaltung zur Glättung des von einer Stromquelle gelieferten Gleichstromes bekannt, wobei in dem Gleichstromkreis eine zusätzliche Stromquelle, die dem geglätteten Gleichstrom einen Wechselstrom geringer Amplitude überlagert, und ein Detektor in Reihe geschaltet sind, der den überlagerten Wechselstrom erfasst und verstärkt und das Verschwinden des Wechselstromes signalisiert.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Ladeeinrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Diagnose einer Ladeeinrichtung zu schaffen, die bzw. das eine effiziente und kostengünstige Überwachung der Funktionsfähigkeit einer Ladeeinheit der Ladeeinrichtung ermöglichen, so dass insbesondere das Risiko, während der Fahrt aufgrund einer leergefahrenen Batterie infolge eines Defektes der Ladeeinheit liegen zu bleiben, verringert ist.
  • Dieses Problem wird (u. a.) durch eine Ladeeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Danach ist vorgesehen, dass das Diagnosemittel dazu ausgebildet ist, zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit der Ladeeinheit eine Testspannung (Testsignal) am Wechselstromeingang (Wechselstromanschluss) der Ladereinheit anzulegen, wobei vorzugsweise die Ladeeinrichtung dazu ausgebildet ist, in einem Kraftfahrzeug stationär angeordnet zu werden. D. h., die Ladeeinrichtung verbleibt im Kraftfahrzeug und wird ggf. lediglich im Service- und/oder Wartungsfall dem Kraftfahrzeug entnommen (so genannte ”on-board”-Ladeeinrichtung).
  • Bevorzugt ist dabei weiterhin das Diagnosemittel der Ladeeinrichtung dazu ausgebildet, die Funktionsfähigkeit der Ladeeinheit während eines bestimmungsgemäßen Betriebes des Kraftfahrzeuges zu überprüfen, wobei die Ladeeinrichtung die besagte Testspannung insbesondere lediglich dann an den Wechselstromeingang der Ladeeinheit anlegt, wenn dieser nicht mit einem externen Versorgungsnetz (Wechselstromnetz) verbunden ist.
  • Hierdurch kann mit Vorteil eine defekte Ladeeinheit rechtzeitig erkannt werden, und zwar bevor die (Traktions)batterien des Fahrzeuges leer gefahren sind und das Fahrzeug unbedingt zum Aufladen seiner Batterie(n) an das externe Netz muss.
  • In einer Variante der Erfindung handelt es sich bei der Testspannung um eine Wechselspannung bzw. allgemein um eine Spannung mit zeitlich variierender Amplitude und ggf. periodischem Verlauf.
  • Vorzugsweise umfasst die Ladeeinrichtung bzw. das Diagnosemittel der Ladeeinrichtung eine galvanisch vom Wechselstromeingang der Ladeeinheit getrennte Einheit zum Erzeugen der Testspannung. Dabei wird unter einer galvanischen Trennung im Fall von Stromkreisen eine Trennung verstanden, der zufolge es Ladungsträgern nicht möglich ist, von einem Stromkreis in den anderen zu fließen, da keine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen diesen beiden Stromkreisen besteht. Allerdings können über entsprechende Kopplungsglieder jedoch zwischen den Stromkreisen elektrische Leistung oder Signale übertragen werden. Vorliegend wird zur galvanischen Trennung vorzugsweise zumindest ein Transformator verwendet. Dies hat den Vorteil, dass auf der Sekundärseite (Wechselstromeingang der Ladeeinheit) auch dann keine Hochspannung anliegen kann, wenn beispielsweise die Primärwicklung durch einen Defekt unter Überspannung gesetzt werden sollte.
  • Vorzugsweise ist die die Testspannung bereitstellende Einheit bzw. die Ladeeinrichtung dazu ausgebildet, die besagte Testspannung kapazitiv in den Wechselstromeingang einzukoppeln. Hierzu ist zwischen der besagten Einheit und dem Wechselstromeingang ein entsprechender Koppelkondensator geschaltet.
  • Zum Generieren der Testspannung weist die in Rede stehende Einheit der Ladeeinrichtung vorzugsweise einen DC/AC-Wandler auf, der dazu ausgebildet ist, eine durch ein Bordnetz des Kraftfahrzeuges gelieferte Gleichspannung (in der Regel 12 V) auf eine geringere Wechselspannung zu wandeln.
  • Weiterhin ist die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung vorzugsweise dazu ausgebildet, die Testspannung lediglich dann in den Wechselstromeingang der Ladeeinrichtung einzukoppeln, wenn der Wechselstromeingang der Ladeeinheit nicht mit dem Wechselstromnetz verbunden ist.
  • Vorzugsweise umfasst das Diagnosemittel eine Steuereinheit der Ladeeinheit, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist – hierzu kann eine entsprechende Diagnosefunktion in die Steuereinheit implementiert sein –, mittels der Testspannung die Funktionsfähigkeit der Ladeeinrichtung zu überprüfen, indem die Steuereinheit bei an dem Wechselstromeingang anliegender Testspannung feststellt, ob an zumindest einem vordefinierten Referenzpunkt der Schaltung der Ladeeinheit eine vordefinierbare Spannung abfällt. Hierunter wird auch ein vordefinierter zeitlicher Verlauf der betrachteten Spannung oder eine verschwindende Spannung verstanden.
  • Da der Wechselstromeingang der Ladeeinheit z. B. in Form eines Anschlusses (z. B. Steckdose) vorliegen kann bzw. einen solchen aufweist, in den ein Stecker einer entsprechenden, von einem Versorgungsnetz zum Wechselstromeingang geführten Leitung einsteckbar ist, besteht prinzipiell die Möglichkeit, dass eine Person jenen Anschluss berühren kann. Die Testspannung bzw. das Testsignal weist daher eine Amplitude auf, derart, dass die besagte Person nicht gefährdet wird und/oder die Testspannung nicht durch die Person wahrnehmbar ist.
  • Weiterhin wird das der Erfindung zugrundeliegende Problem durch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung sowie durch ein Verfahren zur Diagnose einer Ladeeinrichtung für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges gelöst.
  • Danach weist das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte auf: automatisches Anlegen einer Testspannung an einen Wechselstromeingang (Wechselstromanschluss) einer Ladeeinheit der Ladeeinrichtung, über den die Ladeeinheit zum Laden der Batterie mit einem außerhalb des Kraftfahrzeuges befindlichen Wechselstromnetz verbindbar ist, wobei zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit der Ladeeinheit automatisch erfasst wird, ob bei an dem Wechselstromeingang anliegender Testspannung an zumindest einem vordefinierten Referenzpunkt der Ladeeinheit eine vordefinierbare Spannung abfällt.
  • Hierbei wird die besagte Testspannung vorzugsweise kapazitiv in den Wechselstromeingang eingekoppelt. Weiterhin wird bevorzugt die Funktionsfähigkeit der Ladeeinheit während einer Fahrt des Kraftfahrzeuges überprüft, wobei vorzugsweise die Testspannung lediglich dann an den Wechselstromeingang angelegt wird, wenn dieser nicht mit einem externen Versorgungsnetz (Wechselstromnetz) verbunden ist.
  • Ein weiterer Gedanke der Erfindung ist die Bereitstellung eines Netzgerätes bzw. einer Ladeeinrichtung (Ladegerät) für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Anspruch 6, das bzw. die auch zur Weiterbildung der oben genannten Gegenstände herangezogen werden kann.
  • Eine derartige Ladeeinrichtung für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges, weist eine Ladeeinheit auf, die zum Aufladen der Batterie des Kraftfahrzeuges ausgebildet ist und einen Zwischenkreiskondensator aufweist, einen Wechselstromeingang der Ladeeinheit, über den die Ladeeinheit zum Laden der Batterie mit einem außerhalb des Kraftfahrzeuges befindlichen Wechselstromnetz verbindbar ist, wobei der Zwischenkreiskondensator aufladbar ist, wenn der Wechselstromeingang mit dem Wechselstromnetz verbunden ist, und einen Eingangsgleichrichter der Ladeeinheit zum Gleichrichten einer am Wechselstromeingang anliegenden Wechselstromspannung des Wechselstromnetzes. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Eingangsgleichrichter zumindest zwei Thyristoren aufweist.
  • Hierdurch ist mit Vorteil der üblicherweise mit dem Zwischenkreiskondensator in Reihe zu schaltende Widerstand zur Begrenzung des Einschalt- bzw. Vorladestromes (auch Inrush-Current genannt) verzichtbar. Dieser Widerstand wird üblicherweise durch einen Schalter nach einem Beenden der Vorladung des Zwischenkondensators überbrückt.
  • Vorzugsweise ist die Ladeeinrichtung in einem Kraftfahrzeug angeordnet bzw. dort anordenbar (”on-board”-Ladeeinrichtung).
  • Bevorzugt weist die Ladeeinrichtung zum Begrenzen des besagten Einschaltstromes eine Steuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die beiden Thyristoren derart anzusteuern, dass beim Laden des Zwischenkreiskondensators ein in der Ladeeinheit bzw. dem Zwischenkreis fließender Einschaltstrom einen vordefinierbaren Grenzwert nicht überschreitet.
  • Vorzugsweise weist die Ladeeinrichtung zur Energieversorgung der Steuereinheit eine Energieversorgungseinheit auf, die eine Versorgungsspannung für die Steuereinheit erzeugt. Dabei ist die Energieversorgungseinheit vorzugsweise galvanisch vom Wechselstromeingang getrennt.
  • Bevorzugt ist die Energieversorgungseinheit zum Generieren der Versorgungsspannung dazu ausgebildet, eine durch ein Bordnetz des Kraftfahrzeuges bereitgestellte Eingangsspannung, die in der Regel +12 V beträgt, in jene Versorgungsspannung umzusetzen, wozu die Energieversorgungseinheit insbesondere einen DC/DC-Wandler aufweist. Alternativ hierzu kann die Energieversorgungseinheit zum Erzeugen der Versorgungsspannung auch dazu ausgebildet sein, die durch das besagte Wechselstromnetz bereitgestellte Wechselstromspannung in jene Versorgungsspannung umzuwandeln.
  • Die Ladeeinrichtung ist vorzugsweise in ein Kraftfahrzeug eingebaut. Es kann sich bei der Ladeeinrichtung jedoch auch allgemein um ein Netzgerät handeln, das eine Netzwechselspannung in eine Gleichspannung transformiert. Für den Fall, dass hierbei kein 12 V-Netz zur Verfügung steht (wie z. B. das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges), kann die Versorgungsspannung, die die Steuereinheit zum Ansteuern der Thyristoren benötigt z. B. aus der Netzwechselspannung gewonnen werden (siehe oben).
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen bei der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figur erläutert werden.
  • Dabei zeigt:
  • 1 eine Schaltung einer erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung; und
  • 2 eine weitere Schaltung einer erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung.
  • 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung 1 für zumindest eine Batterie eines Kraftfahrzeuges. Bei der Batterie handelt es sich insbesondere um eine sogenannte Traktionsbatterie für ein elektrisch bzw. zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Natürlich kann die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung bei allen Fahrzeugen, die die besagten Batterien einsetzen, zur Anwendung kommen.
  • Die Ladeeinrichtung 1 ist vorliegend in einen Hochvoltteil HV, der insbesondere eine Ladeeinheit 2 zum Aufladen einer Batterie eines Kraftfahrzeuges aufweist, sowie einen Niedervoltteil LV, der insbesondere eine Einheit 200 zum Erzeugen einer Testspannung (siehe unten) aufweist.
  • Die Ladeeinheit 2 weist einen Eingangsgleichrichter 102 mit einem Wechselstromeingang L1, N auf, über den die Ladeeinheit 2 bzw. der Eingangsgleichrichter 102 mit einem externen Versorgungsnetz (Wechselstromnetz) verbindbar ist, um an einem Ausgangsgleichrichter 106 der Ladeeinheit 2 eine Gleichspannung Uaus zum Aufladen der besagten Batterie bereitzustellen. Die Gleichrichtung erfolgt dabei bevorzugt über eine Graetz-Schaltung mit den vier Dioden D1 bis D4.
  • Hinter dem Eingangsgleichrichter 102 ist eine aktive PFC-Stufe 103 (für ”Power Factor Correction”, zu Deutsch: ”Leistungsfaktorkorrektur”) direkt nachgeschaltet, die insbesondere dazu dient, Oberschwingungen von Eingangsströmen zu filtern, die andernfalls Störungen verursachen könnten. Die PFC-Stufe 103 weist dabei einen Aufwärtswandler auf, mit einer Spule L1, über die die PFC-Stufe 103 mit dem Eingangsgleichrichter 102 verbunden ist, einem ersten Transistor T1 – vorliegend handelt es sich bei den dargestellten Transistoren T1 bis T5 der Ladeeinheit 2 insbesondere um normal sperrende n-Kanal MOSFETS –, wobei die besagte Spule L1 mit dem Drain des ersten Transistors T1 verbunden ist. Weiterhin sind Source und Drain des ersten Transistors T1 (dies ist bei allen weiteren gezeigten Transistoren T2 bis T5 der Ladeeinheit 2 ebenfalls der Fall) über eine Diode mit einander verbunden, die von Source zu Drain durchlässig geschaltet ist, und die Source des ersten Transistors T1 ist über einen ersten Widerstand RS1 und einen zweiten Widerstand RS2 mit dem besagten Eingangsgleichrichter 102 verbunden (vgl. 1). Der besagte Aufwärtswandler lädt einen Zwischenkreiskondensator C1 der PFC-Stufe 103 von vergleichsweise hoher Kapazität insbesondere auf eine Spannung oberhalb der Scheitelspannung der am Wechselstromeingang L1, N anliegenden Netzwechselspannung auf und magnetisiert die Spule L1. Das Gate des ersten Transistors T1 wird dabei über eine Steuereinheit 100 und einen entsprechende Treiber bzw. Versorgung 100 angesteuert. Dies gilt auch für die weiteren dargestellten Transistoren T2 bis T5
  • Die besagte Spannung am Kondensator C1 wird über einen hinter der PFC-Stufe 103 geschalteten DC/DC-Wandler 104 mittels der über die Steuereinheit 100, 101 angesteuerten Transistoren T2 bis T5 auf eine transformierbare Spannung gewandelt und mittels eines Transformators 105 auf eine vordefinierbare Spannung transformiert, die mittels eines Ausgangsgleichrichters 106 (vorzugsweise Greatz-Schaltung mit Dioden D6 bis D9) auf die eingangs erwähnte Gleichspannung Uaus am Kraftfahrzeughochvoltbus gleichgerichtet wird und mittels des Kondensators C2 geglättet wird.
  • Um nun die Funktionsfähigkeit der Ladeeinheit 2 laufend überwachen zu können, ist vorliegend vorgesehen, am Wechselstromeingang L1, N der Ladeeinheit 2 eine aus einem 12 V-Fahrzeug-Bordnetz (Batteriespannung Uein) generierte, galvanisch getrennte Hilfs- oder Testspannung kapazitiv einzukoppeln, wenn keine Fremdquelle AC am Wechselstromeingang L1, N angeschlossen ist.
  • Zum Bereitstellen dieser Testspannung ist eine Einheit 200 vorgesehen, die aus dem Bordnetz des Kraftfahrzeuges mit der besagten Eingangsspannung Uein = +12 V versorgt wird und diese über einen DC/AC-Wandler auf ein Wechselspannungssignal wandelt, wobei eine galvanische Trennung z. B. durch einen Transformator der Einheit 200 erzielt wird. Diese Spannung wird als Testspannung über einen Koppelkondensator C3 in den Wechselstromeingang L1, N der Ladeeinheit 2 eingekoppelt. Die Höhe der Testspannung wird dabei so gewählt, dass sie beim Berühren der Kontakte der Ladedose bzw. des Wechselstromeinganges L1, N keine Gefahr darstellt.
  • Vorzugsweise können dann mit insgesamt vier verschiedenen Tests die vier verschiedenen, vorstehend beschriebenen Baugruppen der ”on-board”-Ladeeinheit 2 geprüft werden. Nämlich, die Diodenstrecken (Dioden D1 bis D4) des Eingangsgleichrichters 102, der Schalter T1 der Gleichrichterbrücke (PFC-Stufe 103), die H-Brücke des DC/DC-Wandlers 104 und der Ausgangsgleichrichter 106.
  • Zum Testen der besagten Diodenstrecken (Test 1) wird die Testspannung, wie bereits dargelegt, am Wechselstromeingang L1, N der Ladeeinheit 2 angelegt – dies erfolgt durch eine kapazitive Einkopplung über den Koppelkondensator C3.
  • Die Testspannung wird sodann durch den Eingangsgleichrichter 102 in bekannter Weise gleichgerichtet und ist als pulsierende Spannung an einem dritten bzw. vierten Referenzpunkt 3, 4 der Schaltung bzw. Ladeeinrichtung 1 messbar. Über die Diode D5 wird der interne Zwischenkreiskondensator C1 aufgeladen. Diese Spannung ist wiederum an einem ersten bzw. fünften Referenzpunkt 1, 5 messbar. Sind alle Spannungen innerhalb eines gewissen Toleranzbereichs messbar, sind die Strompfade über D1, D2, D3, D4, D5 als funktionsfähig zu betrachten. Anderenfalls liegt ein Fehler vor (z. B. fehlt eine Halbwelle, oder es ist gar keine Spannung messbar oder zu gering).
  • Zum Testen des PFC-Schalters T1 (PFC-Stufe 103) (Test 2) wird überprüft, ob die Testspannung wie an den in Test 1 beschriebenen Punkten anliegt. Wird dann der besagte Schalter bzw. erste Transistor T1 angesteuert, muss die Spannung am dritten bzw. vierten Referenzpunkt 3, 4 einbrechen, die Spannung am ersten Referenzpunkt 1 bzw. am fünften Referenzpunkt 5 bleibt allerdings bestehen. Bricht die Spannung am dritten Referenzpunkt 3 bzw. am vierten Referenzpunkt 4 bei durchgeschaltetem ersten Transistor T1 ein und baut sich bei gesperrtem Transistor T1 wieder auf, ist die Funktionsfähigkeit dieses Transistors T1 gesichert. Bricht auch die Spannung am ersten Referenzpunkt 1 bzw. am fünften Referenzpunkt 5 ein, ist die Diode D5 der PFC-Stufe 103 fehlerhaft.
  • Zum Testen des DC/DC-Wandlers 104 (Test 3) wird wiederum überprüft, ob die Testspannung wie an den im Test 1 beschriebenen Referenzpunkten anliegt. Werden dann die Transistoren T1 und T5 (erster und fünfter Transistor) eingeschaltet, muss die Spannung am ersten Referenzpunkt 1 bzw. am fünften Referenzpunkt 5 einbrechen, bzw. baut sich wieder auf, sobald einer der beiden besagten Transistoren T1 oder T5 wieder sperrt. Gleiches gilt für die Transistoren T3 und T4 (dritter und vierter Transistor).
  • Schließlich wird zum Testen des Ausgangsgleichrichters 106 (Test 4) überprüft, ob die Testspannung an den in Test 1 beschriebenen Punkten anliegt. Betreibt man dann den DC/DC-Wandler als so genannten ”Flyback” (zu Deutsch: Rücklauf) (d. h. der zweite Transistor T2 ist dauernd an und der fünfte Transistor T5 ist getaktet, oder der dritte Transistor T3 ist dauernd an und der vierte Transistor T4 ist getaktet) ist am sechsten Referenzpunkt 6 eine Spannung messbar. Liegt (im Fahrbetrieb) am sechsten Referenzpunkt 6 eine Gegenspannung an, muss ein Stromfluss im dritten Widerstand RS3 des Ausgangsgleichrichters 106 messbar sein. Sind diese Kriterien erfüllt, ist der Ausgangsgleichrichter 106 funktionsfähig.
  • Die vorgenannten Tests sind vorzugsweise als Diagnosefunktion in der Steuereinheit 100 implementiert, die zum Abfühlen der jeweiligen Spannungen an den Referenzpunkten 1 bis 6 der Schaltung der Ladeeinheit 2 vorzugsweise mit entsprechenden Sensoren zusammenwirkt.
  • Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung 1 mit Diagnosemittel 100, 200 liegt im Ergebnis insbesondere darin, dass eine defekte ”on-board”-Ladeeinheit 2 rechtzeitig erkannt werden kann, bevor die mittels der Ladeeinrichtung 1 aufzuladenden Traktionsbatterien des betreffenden Fahrzeuges leer gefahren sind und das Fahrzeug unbedingt an das externe Netz AC muss.
  • Dabei kann insbesondere mit vergleichsweise geringem Schaltungsaufwand die Funktionsfähigkeit der Ladeeinheit (oder allgemein einer Leistungselektronik) geprüft werden, ohne dass eine Fremdspannung anliegen muss.
  • Dem Fahrer kann so bei einer fehlerhafter Leistungselektronik (Ladeeinheit) auch im Fahrbetrieb signalisiert werden, dass ein Fehler vorliegt und nicht erst beim Anschließen an eine Fremdquelle AC (Ladestation). Der Fahrer wird auf diese Weise frühzeitig auf einen Defekt der Ladeeinrichtung 1 aufmerksam und kann rechtzeitig eine Werkstatt anfahren. Ein Liegenbleiben kann somit verhindert werden (E-Fahrzeug).
  • Die vorliegende zusammenhängende Beschreibung von Merkmalen eines Ausführungsbeispiels der Erfindung soll dahingehend verstanden werden, dass hierdurch nicht nur lediglich ein einheitliches Ausführungsbeispiel der Erfindung charakterisiert wird, sondern vielmehr dahingehend, dass auch die einzelnen dargestellten Merkmale jeweils für sich zur Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung herangezogen werden können.
  • Weitere Unteransprüche, die sich z. B. an die Ansprüche 1 bis 5 der vorliegenden Anmeldung anschließen können bzw. auf diese beziehen können, können z. B. auf eine Ladeeinrichtung gerichtet werden, bei der das Diagnosemittel 100, 200 eine galvanisch vom Wechselstromeingang L1, N getrennte Einheit 200 zum Erzeugen der Testspannung umfasst, wobei bevorzugt jene Einheit 200 zur galvanischen Trennung vom Wechselstromeingang L1, N der Ladeeinheit 2 einen Transformator aufweist, wobei bevorzugt die Einheit 200 zum kapazitiven Einkoppeln der Testspannung in den Wechselstromeingang L1, N der Ladeeinheit 2 über zumindest einen Koppelkondensator C3 mit dem Wechselstromeingang L1, N der Ladeeinheit 2 verbunden ist, wobei bevorzugt die Einheit 200 zum Erzeugen der Testspannung einen DC/AC-Wandler aufweist, wobei bevorzugt die Einheit 200 zum Erzeugen der Testspannung dazu eingerichtet und vorgesehen ist, eine durch ein Bordnetz des Kraftfahrzeuges bereit gestellte Eingangsspannung, insbesondere in Höhe von +12 V, in jene Testspannung umzuwandeln, wobei bevorzugt das Diagnosemittel 100, 200 eine Steuereinheit 100 der Ladeeinheit 2 umfasst, die dazu ausgebildet ist, mittels der Testspannung die Funktionsfähigkeit der Ladeeinrichtung 1 zu überprüfen, indem die Steuereinheit 100 bei an dem Wechselstromeingang L1, N anliegender Testspannung erfasst, ob an zumindest einem vordefinierten Referenzpunkt 1, 2, 3, 4, 5, 6 der Ladeeinheit 2 eine vordefinierbare Spannung anliegt, und wobei bevorzugt die Testspannung eine Amplitude aufweist, derart, dass die Testspannung eine Person nicht gefährdet und/oder nicht durch eine Person wahrnehmbar ist, die den Wechselstromeingang L1, N der Ladeeinheit 2 berührt oder leitend mit diesem verbunden ist.
  • Auf die vorgenannten Gegenstände kann natürlich auch die Ladeeinrichtung gemäß Anspruch 6 rückbezogen werden.
  • Weiterhin kann ein nebengeordneter Anspruch auf ein Kraftfahrzeug, mit einer Ladeeinrichtung 1 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 bzw. gemäß einem der vorstehenden Gegenstände betreffend eine Ladeeinrichtung, gerichtet werden.
  • Weiterhin kann ein nebengeordneter Anspruch auf ein Verfahren zur Diagnose einer Ladeeinrichtung 1 für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges, insbesondere unter Verwendung einer Ladeeinrichtung 1 nach einem der Ansprüche 1 bis 10 bzw. gemäß einem der vorstehenden Gegenstände betreffend eine Ladeeinrichtung, gerichtet werden, aufweisend die Schritte: automatisches Einkoppeln einer Testspannung in einen Wechselstromeingang L1, N einer Ladeeinheit 2 der Ladeeinrichtung 1, über den die Ladeeinheit 2 zum Laden der Batterie des Kraftfahrzeuges mit einem außerhalb des Kraftfahrzeuges befindlichen Wechselstromnetz AC verbindbar ist, und wobei zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit der Ladeeinheit 2 automatisch erfasst wird, ob bei an dem Wechselstromeingang L1, N anliegender Testspannung an zumindest einem vordefinierten Referenzpunkt 1, 2, 3, 4, 5, 6 der Ladeeinheit eine vordefinierbare Spannung anliegt. Hierbei wird bevorzugt die Testspannung kapazitiv in den Wechselstromeingang L1, N eingekoppelt. Weiterhin wird bevorzugt die Funktionsfähigkeit der Ladeeinheit 2 während einer Fahrt des Kraftfahrzeuges überprüft. Weiterhin wird bevorzugt die Testspannung lediglich dann in den Wechselstromeingang L1, N der Ladeeinheit 2 eingekoppelt, wenn dieser nicht mit einem Wechselstromnetz AC verbunden ist.
  • 2 zeigt eine weitere Ladeeinrichtung 1 mit einer Ladeeinheit 2 auf, die über einen Eingangsgleichrichter 302 mit einem Wechselstromeingang L1, N und ggf. einem dem Eingangsgleichrichter 302 vorgeschalteten Netzfilter F verfügt. Über den Eingang L1, N ist die Ladeeinheit 2 bzw. der Eingangsgleichrichter 302 mit einem externen Versorgungsnetz (Wechselstromnetz) AC verbindbar, um an einem Ausgangsgleichrichter (DC/DC-Wandler) 304 der Ladeeinheit 2 eine Gleichspannung Uaus abzuliefern, z. B. zum Aufladen Batterie eines Kraftfahrzeuges.
  • Bei derartigen Ladeeinrichtungen 1' muss der interne Zwischenkreiskondensator C der PFC-Stufe 303 vorgeladen werden. Die PFC-Stufe 303 ist wie zuvor einem Eingangsgleichrichter 302 nachgeschaltet, und filtert Oberschwingungen von Eingangsströmen, die andernfalls Störungen verursachen könnten. Die PFC-Stufe 103 weist dabei wiederum einen Aufwärtswandler auf, mit einer Spule L, über die die PFC-Stufe 303 mit dem Eingangsgleichrichter 302 verbunden ist, einen Schalter S' und einer Diode D.
  • Der beim Vorladen des Zwischenkreiskondensators C in der Ladeeinheit 2 fließende Vorladestrom (Einschaltstrom) muss begrenzt werden, da dieser sonst unzulässig hohe Werte erreichen kann.
  • Eine herkömmliche Möglichkeit zur Begrenzung des Vorladestromes sieht einen in Reihe mit dem besagten Kondensator C geschalteten Widerstand Rvor vor. Dieser Widerstand Rvor wird durch einen Schalter S nach Beendigung der Vorladung überbrückt. Nachteilig ist hieran, dass notwendigerweise der zusätzliche Schalter S vorgesehen werden muss, und dass der Widerstand Rvor als Leistungswiderstand entsprechend dimensioniert werden muss.
  • Diese Vorladeschaltung 300 (in der 2 gestrichelt dargestellt) kann nun erfindungsgemäß entfallen. Im Gegensatz zu konventionellen Netzgeräten steht im Kraftfahrzeug ständig eine 12 V-Versorgungsspannung Uein des Kraftfahrzeug-Bordnetzes zur Verfügung (Niedervoltteil LV).
  • Ersetzt man die oberen Dioden im Eingangsgleichrichter 302 mit gesteuerten Thyristoren gT1, gT2, lässt sich eine Phasenanschnittsteuerung realisieren.
  • Die beiden Thyristoren gT1, gT2 weisen dabei drei pn-Übergänge in der Reihenfolge pnpn auf. Ähnlich einer Diode weisen sie hierbei jeweils eine Anode (erste p-Schicht) und eine Kathode auf (letzte n-Schicht), verfügen jedoch zusätzlich jeweils über einen Gate-Anschluss g1, g2 (dritte p-Schicht). Im Grundzustand sind die beiden Thyristoren gT1, gT2 in beiden Richtungen sperrend, wobei sie in der Durchlassrichtung bis zu einer Zündspannung sperren. Durch einen positiven Stromimpuls am Gate-Anschluss g1, g2 (d. h., Strominjektion in die dritte p-Schicht) können die beiden Thyristoren gT1, gT2 jedoch in einen leitenden Zustand geschaltet werden. In Sperrrichtung sperren sie dabei den Strom wie gewöhnliche Dioden. Durch Unterschreiten eines Haltestroms (z. B. Stromnulldurchgang im Gleichrichter 302) werden die Thyristoren gT1, gT2 wieder gelöscht, d. h., in den Sperrzustand versetzt.
  • Bei der vorliegenden Phasenanschnittsteuerung wird der Strom verzögert nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung eingeschaltet und fließt bis zum nächsten Nulldurchgang.
  • Im Einzelnen liegt die Anode des einen Thyristors gT1 an L1 an, die des anderen Thyristors gT2 an N. Die beiden Kathoden der Thyristoren gT1, gT2 sind über die Induktivität (Spule) L mit dem Zwischenkreiskondensator C verbunden. Weiterhin sind die Anoden der beiden Thyristoren gT1, gT2 mit den unteren Dioden D1, D2 des Eingangsgleichrichters 302 in der üblichen Weise verbunden (Brückengleichrichtung).
  • Durch entsprechende Variation des Austeuerungsgrades der Phasenanschnittsteuerung mittels der Steuereinheit K, die entsprechende Stromsignale an die Gate-Anschlüsse g1, g2 sendet, kann der Zwischenkreis mit dem Zwischenkreiskondensator C geladen werden, ohne dass ein überhöhter Einschaltstrom fließt.
  • Die Steuereinheit K ist dabei insbesondere über Elemente I, I' mit den Gate-Anschlüssen g1, g2 verbunden, die eine galvanische Trennung des Niedervoltteils LV vom Hochvoltteil HV realisieren (z. B. Trenntransformatoren).
  • Die ständig vorhandene Bordnetzspannung (Eingangsspannung Uein) des Bordnetzes des Kraftfahrzeuges (Niedervoltteil LV) liefert über die Energieversorgungseinheit 400, die die Eingangsspannung Uein mittels eines DC/DC-Wandlers 401 geeignet wandelt, die notwendige Energie zur Ansteuerung der Thyristoren gT1, gT2 mittels der Steuereinheit K. Diese Spannung Uein, ist bei üblichen Netzteilen nicht vorhanden, könnte aber alternativ ebenfalls aus der AC-Spannung an L1, N erzeugt werden. Die aus der Bordnetzspannung Uein erzeugte, galvanisch getrennte Hilfsversorgung ist bei Ladegeräten hingegen üblicherweise schon vorhanden.
  • Im Ergebnis kann somit mit Vorteil die diskrete Vorladeschaltung 300 entfallen, was sich günstig auf den Bauraum und auf die Herstellungskosten der Ladeeinrichtung 1 auswirkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 2052847 [0006]

Claims (10)

  1. Ladeeinrichtung für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges, mit: – einer Ladeeinheit (2), die zum Aufladen der Batterie des Kraftfahrzeuges ausgebildet ist, – einem Wechselstromeingang (L1, N) der Ladeeinheit (2), über den die Ladeeinheit (2) zum Laden der Batterie mit einem außerhalb des Kraftfahrzeuges befindlichen Wechselstromnetz (AC) verbindbar ist, und – einem Diagnosemittel (100, 200) zum Überprüfen einer Funktionsfähigkeit der Ladeeinheit (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Diagnosemittel (100, 200) dazu ausgebildet ist, zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit der Ladeeinheit (2) eine Testspannung in den Wechselstromeingang (L1, N) der Ladereinheit (2) einzukoppeln.
  2. Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung (1) dazu eingerichtet und vorgesehen ist, in einem Kraftfahrzeug angeordnet zu werden.
  3. Ladeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Diagnosemittel (100, 200) dazu eingerichtet und vorgesehen ist, die Funktionsfähigkeit der Ladeeinheit (2) während einer Fahrt des Kraftfahrzeuges zu überprüfen.
  4. Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung (1) dazu eingerichtet und vorgesehen ist, die Testspannung lediglich dann in den Wechselstromeingang (L1, N) der Ladeeinheit (2) einzukoppeln, wenn dieser nicht mit einem Wechselstromnetz (AC) verbunden ist.
  5. Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Testspannung ein Wechselspannungssignal ist.
  6. Ladeeinrichtung für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit: – einer Ladeeinheit (2), die zum Aufladen der Batterie des Kraftfahrzeuges ausgebildet ist und einen Zwischenkreiskondensator (C) aufweist, – einem Wechselstromeingang (L1, N) der Ladeeinheit (2), über den die Ladeeinheit (2) zum Laden der Batterie mit einem außerhalb des Kraftfahrzeuges befindlichen Wechselstromnetz (AC) verbindbar ist, wobei der Zwischenkreiskondensator (C) aufladbar ist, wenn der Wechselstromeingang (L1, N) mit dem Wechselstromnetz (AC) verbunden ist, und – einem Eingangsgleichrichter (302) der Ladeeinheit (2) zum Gleichrichten einer am Wechselstromeingang (L1, N) anliegenden Wechselstromspannung des Wechselstromnetzes (AC), dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsgleichrichter (302) zumindest zwei Thyristoren (gT1, gT2) aufweist.
  7. Ladeeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung (1') eine Steuereinheit (K) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die beiden Thyristoren (gT1, gT2) derart anzusteuern, dass beim Laden des Zwischenkreiskondensators (C) ein in der Ladeeinheit (2) fließender Einschaltstrom einen vordefinierbaren Grenzwert nicht überschreitet.
  8. Ladeeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung (1') zur Energieversorgung der Steuereinheit (K) eine Energieversorgungseinheit (400) aufweist, die eine Versorgungsspannung für die Steuereinheit (K) bereitstellt, wobei die Energieversorgungseinheit (400) insbesondere galvanisch vom Wechselstromeingang (L1, N) getrennt ist.
  9. Ladeeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinheit (400) zum Erzeugen der Versorgungsspannung dazu eingerichtet und vorgesehen ist, eine durch ein Bordnetz des Kraftfahrzeuges bereitgestellte Eingangsspannung (Uein), insbesondere in Höhe von +12 V, in jene Versorgungsspannung umzuwandeln.
  10. Ladeeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinheit (400) zum Erzeugen der Versorgungsspannung dazu eingerichtet und vorgesehen ist, die durch das besagte Wechselstromnetz (AC) bereitgestellte Wechselstromspannung in jene Versorgungsspannung umzuwandeln.
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