DE102011017369A1 - Charging system for charging the traction battery of an electrically driven motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Ladesystem zum Laden der Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen ersten Gleichrichter, der eingangsseitig mit einem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz galvanisch verbindbar ist und der ausgangsseitig über einen zur Stabilisierung der erzeugten Gleichspannung vorgesehenen Zwischenkreis mit dem Eingang einer ausgangsseitig mit der Traktionsbatterie verbundenen Laderegelschaltung verbunden ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des ersten Gleichrichters wahlweise auch mit dem Ausgang eines zweiten Gleichrichters verbindbar ist, der eingangsseitig mit einer fahrzeugseitigen elektrischen Wicklung verbunden ist, über die elektrische Energie aus einer an einem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz angeschlossenen Ladestation mit einer an das Kraftfahrzeug anfügbaren, eine stationäre elektrische Wicklung umfassenden Ankoppelvorrichtung induktiv auf das Kraftfahrzeug übertragen werden kann.Charging system for charging the traction battery of an electrically driven motor vehicle, comprising a first rectifier which can be galvanically connected on the input side to an AC voltage or three-phase supply network and which on the output side via an intermediate circuit provided for stabilizing the generated DC voltage to the input of a charge control circuit connected on the output side to the traction battery is connected, according to the invention, characterized in that the input of the first rectifier can optionally also be connected to the output of a second rectifier, which is connected on the input side to a vehicle-side electrical winding, via which electrical energy from an AC or three-phase supply network is connected Charging station with an attachable to the motor vehicle, comprising a stationary electrical winding coupling device can be transmitted inductively to the motor vehicle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum Laden der Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen ersten Gleichrichter, der eingangsseitig mit einem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz galvanisch verbindbar ist, und der ausgangsseitig über einen zur Stabilisierung der erzeugten Gleichspannung vorgesehenen Zwischenkreis mit dem Eingang einer ausgangsseitig mit der Traktionsbatterie verbundenen Laderegelschaltung verbunden ist.The invention relates to a charging system for charging the traction battery of an electrically driven motor vehicle, comprising a first rectifier, the input side is electrically connected to an AC or three-phase supply network, and the output side via a provided for stabilizing the DC voltage generated intermediate circuit with the input of an output side connected to the traction battery charging control circuit is connected.

Bei derartigen Ladesystemen wird die galvanische Verbindung zwischen dem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz und dem Gleichrichter in der Regel durch Steckverbinder hergestellt. Wenn die Traktionsbatterie des Fahrzeugs geladen werden soll, wird dazu ein mit einem entsprechenden Steckverbinderteil versehenes Ladekabel einer stationären Ladestation mit einem an dem Kraftfahrzeug vorhandenen Gegensteckverbinderteil manuell verbunden.In such charging systems, the electrical connection between the AC or three-phase supply network and the rectifier is usually made by connectors. When the traction battery of the vehicle is to be loaded, a charge cable of a stationary charging station provided with a corresponding connector part is manually connected to a mating connector part provided on the motor vehicle.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ladesystem zum Laden der Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs so auszubilden, dass es möglichst einfach, universell und komfortabel verwendbar ist.The present invention has for its object to form a charging system for charging the traction battery of an electrically driven motor vehicle so that it is as simple as possible, universal and comfortable usable.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Eingang des ersten Gleichrichters wahlweise auch mit dem Ausgang eines zweiten Gleichrichters verbindbar ist, der eingangsseitig mit einer fahrzeugseitigen elektrischen Wicklung verbunden ist, über die elektrische Energie aus einer an einem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz angeschlossenen Ladestation mit einer an das Kraftfahrzeug anfügbaren, eine stationäre elektrische Wicklung umfassenden Ankoppelvorrichtung induktiv auf das Kraftfahrzeug übertragen werden kann.This object is achieved in that the input of the first rectifier is optionally also connectable to the output of a second rectifier, which is connected on the input side to a vehicle-side electrical winding, via the electrical energy from a connected to an AC or three-phase supply network charging station can be inductively transmitted to the motor vehicle with an attachable to the motor vehicle, a stationary electric winding coupling device.

Wenn die Ankoppelvorrichtung an das Kraftfahrzeug angefügt ist, bilden die stationäre elektrische Wicklung der Ladestation und die fahrzeugseitige elektrische Wicklung gemeinsam einen Transformator aus, wobei die stationäre elektrische Wicklung die Funktion der Primärwicklung und die fahrzeugseitige elektrische Wicklung die Funktion der Sekundärwicklung des Transformators erfüllen. Die elektrischen Wicklungen können dabei beispielsweise als Luftspulen und/oder als Spulen mit magnetischem Kern ausgeführt sein, wobei Form und Querschnitt sowohl der Spulen als auch der ggf. vorhandenen Kerne an die jeweiligen Erfordernisse bezüglich Bauraum, möglicher Abstände der Spulen zueinander sowie zu übertragender elektrischer Leistung angepasst werden können.When the coupling device is attached to the motor vehicle, the stationary electrical winding of the charging station and the vehicle-side electrical winding together form a transformer, wherein the stationary electrical winding, the function of the primary winding and the vehicle-side electrical winding perform the function of the secondary winding of the transformer. The electrical windings can be embodied, for example, as air coils and / or as coils with a magnetic core, wherein the shape and cross section of both the coils and the possibly present cores to the respective requirements in terms of space, possible distances of the coils to each other and to be transmitted electrical power can be adjusted.

Die Komponenten des erfindungsgemäßen Ladesystems sind vorzugsweise zu einem Gerät zusammengefasst und von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben. Dabei können z. B. der erste Gleichrichter, der Zwischenkreis und die Laderegelschaltung in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen sein, das mit einer ersten Steckverbindung zur elektrischen Kontaktierung mit dem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz und mit einer zweiten Steckverbindung zur elektrischen Kontaktierung mit dem zweiten Gleichrichter versehen ist.The components of the charging system according to the invention are preferably combined to form a device and surrounded by a common housing. This z. B. the first rectifier, the intermediate circuit and the charge control circuit be accommodated in a common housing, which is provided with a first connector for making electrical contact with the AC or three-phase supply network and with a second connector for making electrical contact with the second rectifier.

Da hier von unterschiedlichen Seiten hohe Spannungen eingespeist werden können, ist es zur Gewährleistung einer sicheren Handhabung vorteilhaft, diese beiden Steckverbindungen so zu gestalten, dass sowohl die stecker- als auch die buchsenseitigen Steckverbinderteile mit Schutzvorrichtungen gegen unbeabsichtigte Berührung versehen sind.Since high voltages can be fed from different sides, it is advantageous to ensure safe handling, to make these two connectors so that both the male and the female connector parts are provided with protection against accidental contact.

Bei dem erfindungsgemäßen Ladesystem ist es einfach möglich, die fahrzeugseitigen Komponenten zur induktiven Energieübertragung als Nachrüstlösung vorzusehen.In the charging system according to the invention, it is easily possible to provide the vehicle-side components for inductive energy transmission as a retrofit solution.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ladesystems ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden anhand der Zeichnung erläutert.Further advantageous embodiments and further developments of the charging system according to the invention will become apparent from the dependent claims and will be explained with reference to the drawing.

Dabei zeigt die einzige Figur in einer schematischen Darstellung eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ladesystems. Dargestellt ist hier eine Ladestation 8, bei der sowohl eine galvanische Kopplung des fahrzeugseitigen Ladesystems mit einem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz 2 vorgesehen ist, als auch eine galvanisch getrennte Kopplung mittels einer stationären elektrischen Wicklung 9. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Ladesystems besteht darin, dass bereits das Vorhandendsein einer dieser Möglichkeiten bei einer Ladestation 8 ausreichend ist, um eine Ladung der Traktionsbatterie 1 vornehmen zu können. Dadurch wird das Ladesystem wesentlich flexibler nutzbar. So kann beispielsweise in der heimischen Garage ausschließlich eine induktive Übertragung vorgesehen sein, die bequem und ohne umständliche Handhabungsschritte zu nutzen ist, während zum Nachladen unterwegs auch jederzeit auf die Verbindung mittels Kabel und Steckverbinder zurückgegriffen werden kann, die etwa an öffentlich zugänglichen Ladestationen ggf. häufiger anzutreffen sein wird.The single FIGURE shows a schematic representation of an embodiment of a charging system according to the invention. Shown here is a charging station 8th in which both a galvanic coupling of the vehicle-side charging system with an AC or three-phase supply network 2 is provided, as well as a galvanically isolated coupling by means of a stationary electrical winding 9 , An essential advantage of the charging system according to the invention is that already the existence of one of these possibilities in a charging station 8th is sufficient to charge the traction battery 1 to be able to make. This makes the charging system much more flexible. Thus, for example, in the domestic garage only an inductive transmission can be provided, which is convenient to use without complicated handling steps, while recharging on the road can be accessed at any time on the connection by means of cables and connectors, which may be more common to publicly available charging stations will be encountered.

Um zu verhindern, dass dort, wo an einer Ladestation 8 die Nutzung beider Übertragungswege möglich ist, versehentlich beide parallel aktiviert werden und damit ein Kurzschluss verursacht wird, ist es vorteilhaft, einen Mechanismus vorzusehen, der beispielsweise beim Herstellen der galvanischen Kopplung mit dem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz 2 eine automatische Trennung der elektrischen Verbindung mit dem induktiven Übertragungssystem bewirkt. Wenn die galvanische Kopplung des fahrzeugseitigen Ladesystems mit dem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz 2, wie in der Zeichnung zu sehen, über eine Steckverbindung 10 erfolgt, so kann mit dem Steckvorgang beispielsweise ein – hier nicht dargestellter – Schalter betätigt werden, der die elektrische Verbindung zu dem zweiten Gleichrichter 6 unterbricht.To prevent where there is a charging station 8th the use of both transmission paths is possible inadvertently both activated in parallel and thus a short circuit is caused, it is advantageous to provide a mechanism, for example, when establishing the galvanic coupling with the AC or three-phase supply network 2 causes an automatic separation of the electrical connection with the inductive transmission system. When the galvanic coupling of the on-board charging system with the AC or three-phase supply system 2 as seen in the drawing, via a plug connection 10 takes place, it can be operated with the plug-in process, for example, a - not shown here - switch, which is the electrical connection to the second rectifier 6 interrupts.

Zur induktiven Energieübertragung auf das Fahrzeug ist in der Ladestation 8 eine an das Kraftfahrzeug anfügbare Ankoppelvorrichtung vorhanden, die eine stationäre elektrische Wicklung 9 aufweist. Die zur Kooperation mit dieser stationären elektrischen Wicklung 9 vorgesehene fahrzeugseitige elektrische Wicklung 7 ist hinter einem Kennzeichenschild 12 des Kraftfahrzeugs angeordnet. An die Außenfläche des Kennzeichenschildes 12 ist eine Anlagefläche der Ankoppelvorrichtung der Ladestation 8 anfügbar, so dass die stationäre elektrische Wicklung 9 der Ladestation 8 als Primärwicklung und die fahrzeugseitige elektrische Wicklung 7 als Sekundärwicklung gemeinsam einen Transformator ausbilden. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der Energieübertragung mittels dieses Transformators muss beim Anfügen der Anlagefläche der Ankoppelvorrichtung an die Außenfläche des Kennzeichenschildes 12 ein möglichst geringer Abstand zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung erreicht werden. Der Transformator wird bei einer Frequenz in der Größenordnung von ca. 100 kHz betrieben, und der zweite Gleichrichter 6 ist dazu ausgelegt, die sekundärseitige Spannung dieser Frequenz in eine Gleichspannung umzuwandeln. Je nach Art des Versorgungsnetzes 2 auf der Primärseite, also insbesondere auch danach, ob es sich dabei um ein Wechselspannungs- oder ein Drehstrom-Versorgungsnetz 2 handelt, liegt die Höhe der Gleichspannung zwischen etwa 140 Volt und 350 Volt. Diese Gleichspannung wird der Eingangsseite des ersten Gleichrichters 3 zugeführt, der seinerseits dazu ausgelegt ist, eine Wechselspannung eben dieser Größe und mit einer Frequenz von 50 bis 60 Hz in eine entsprechende Gleichspannung umzuwandeln. Die diesem ersten Gleichrichter 3 „wechselspannungsseitig” zugeführte Ausgangs-Gleichspannung des zweiten Gleichrichters 6 passiert diesen – bis auf geringe Verluste – praktisch ungehindert.For inductive energy transfer to the vehicle is in the charging station 8th an attachable to the motor vehicle coupling device present, which is a stationary electrical winding 9 having. To cooperate with this stationary electrical winding 9 provided vehicle-side electrical winding 7 is behind a license plate 12 of the motor vehicle. To the outer surface of the license plate 12 is a contact surface of the coupling device of the charging station 8th attachable so that the stationary electrical winding 9 the charging station 8th as the primary winding and the vehicle-side electrical winding 7 as a secondary winding together form a transformer. To achieve a high degree of energy transfer efficiency by means of this transformer when attaching the contact surface of the coupling device to the outer surface of the license plate 12 the smallest possible distance between the primary winding and the secondary winding can be achieved. The transformer is operated at a frequency on the order of about 100 kHz, and the second rectifier 6 is designed to convert the secondary-side voltage of this frequency into a DC voltage. Depending on the type of supply network 2 on the primary side, so in particular also according to whether it is an AC or a three-phase supply network 2 is the amount of DC voltage between about 140 volts and 350 volts. This DC voltage becomes the input side of the first rectifier 3 supplied, which in turn is adapted to convert an AC voltage just this size and with a frequency of 50 to 60 Hz in a corresponding DC voltage. The first rectifier 3 "AC side" supplied output DC voltage of the second rectifier 6 happens to this - except for small losses - virtually unhindered.

Der erste Gleichrichter 3 ist ausgangsseitig mit dem Zwischenkreis 4 des Ladesystems verbunden, welcher selbst wiederum mit dem Eingang einer Laderegelschaltung 5 verbunden ist, die mit der ihr zugeführten elektrischen Energie die Traktionsbatterie 1 des Kraftfahrzeugs lädt. Eingangsseitig kann der erste Gleichrichter 3 sowohl über die Steckverbindung 10 direkt mit dem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz 2 verbunden sein, als auch über die Steckverbindung 11 mit dem Ausgang des zweiten Gleichrichters 6, der selbst eingangsseitig mit der fahrzeugseitigen elektrischen Wicklung 7 verbunden ist.The first rectifier 3 is the output side with the DC link 4 connected to the charging system, which in turn with the input of a charge control circuit 5 is connected to the traction battery with its supplied electrical energy 1 of the motor vehicle loads. On the input side, the first rectifier 3 both via the plug connection 10 directly to the AC or three-phase supply network 2 be connected, as well as via the connector 11 with the output of the second rectifier 6 , the input itself with the vehicle-side electrical winding 7 connected is.

Zum Laden der Traktionsbatterien 1 fährt der Fahrer des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs an die Ladestation 8 heran und stellt manuell die galvanische Verbindung zur Ladestation 8 her, indem er ein Steckverbinderteil eines Ladekabels der Ladestation 8 mit einem an dem Kraftfahrzeug vorhandenen Gegensteckverbinderteil zur Bildung der Steckverbindung 10 koppelt.To charge the traction batteries 1 the driver of the electrically driven vehicle drives to the charging station 8th close and manually set the galvanic connection to the charging station 8th ago, by a connector part of a charging cable of the charging station 8th with an existing on the motor vehicle mating connector part to form the connector 10 coupled.

Alternativ dazu, wenn etwa bei der betreffenden Ladestation 8 keine Verbindung über ein Kabel mit Steckverbinder vorgesehen ist, fügt er manuell die Ankoppelvorrichtung mit der stationären elektrischen Wicklung 9 an die Außenseite des amtlichen Kennzeichenschildes 12 an, hinter dem die fahrzeugseitige elektrische Wicklung 7 angeordnet ist. Je nach Ausgestaltung der Ladestation 8 kann das Anfügen der Ankoppelvorrichtung auch ohne menschliche Mitwirkung vollautomatisch erfolgen, wobei z. B. eine kameragestützte Positionierungsvorrichtung die genaue Lage des Kennzeichenschildes 12 erkennt und die Ankoppelvorrichtung positionsgenau an die Außenfläche des Kennzeichenschildes 12 anlegt.Alternatively, if for example at the relevant charging station 8th no connection is provided via a cable with connector, he manually adds the coupling device with the stationary electrical winding 9 to the outside of the registration plate 12 behind, behind which the vehicle-side electrical winding 7 is arranged. Depending on the design of the charging station 8th the attachment of the coupling device can also be done fully automatically without human involvement, wherein z. As a camera-based positioning device, the exact location of the license plate 12 detects and the coupling device positionally accurate to the outer surface of the license plate 12 invests.

Claims (7)

Ladesystem zum Laden der Traktionsbatterie (1) eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen ersten Gleichrichter (3), der eingangsseitig mit einem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz (2) galvanisch verbindbar ist und der ausgangsseitig über einen zur Stabilisierung der erzeugten Gleichspannung vorgesehenen Zwischenkreis (4) mit dem Eingang einer ausgangsseitig mit der Traktionsbatterie (1) verbundenen Laderegelschaltung (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des ersten Gleichrichters (3) wahlweise auch mit dem Ausgang eines zweiten Gleichrichters (6) verbindbar ist, der eingangsseitig mit einer fahrzeugseitigen elektrischen Wicklung (7) verbunden ist, über die elektrische Energie aus einer an einem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz (2) angeschlossenen Ladestation (8) mit einer an das Kraftfahrzeug anfügbaren, eine stationäre elektrische Wicklung (9) umfassenden Ankoppelvorrichtung induktiv auf das Kraftfahrzeug übertragen werden kann.Charging system for charging the traction battery ( 1 ) of an electrically driven motor vehicle, comprising a first rectifier ( 3 ), the input side with an AC or three-phase supply network ( 2 ) is galvanically connectable and the output side via an intended for stabilization of the generated DC voltage intermediate circuit ( 4 ) with the input of an output side with the traction battery ( 1 ) connected charge control circuit ( 5 ), characterized in that the input of the first rectifier ( 3 ) optionally also with the output of a second rectifier ( 6 ) is connectable, the input side with a vehicle-side electrical winding ( 7 ) via the electrical energy from one of an AC or three-phase supply network ( 2 ) connected charging station ( 8th ) with an attachable to the motor vehicle, a stationary electrical winding ( 9 ) coupling device can be inductively transmitted to the motor vehicle. Ladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre elektrische Wicklung (9) der Ladestation (8) und die fahrzeugseitige elektrische Wicklung (7) gemeinsam einen Transformator ausbilden.Charging system according to claim 1, characterized in that the stationary electrical winding ( 9 ) of the charging station ( 8th ) and the vehicle-side electrical winding ( 7 ) together form a transformer. Ladesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Wicklungen (7, 9) als Luftspulen und/oder als Spulen mit magnetischem Kern ausgeführt sind. Charging system according to claim 1 or 2, characterized in that the electrical windings ( 7 . 9 ) are designed as air coils and / or coils with magnetic core. Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichrichter (3) eingangsseitig über eine erste Steckverbindung (10) mit dem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz (2) und über eine zweite Steckverbindung (11) mit dem zweiten Gleichrichter (6) verbindbar ist.Charging system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first rectifier ( 3 ) on the input side via a first plug connection ( 10 ) with the AC or three-phase supply network ( 2 ) and via a second plug connection ( 11 ) with the second rectifier ( 6 ) is connectable. Ladesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Steckverbindungen (10, 11) so beschaffen sind, dass sowohl die stecker- als auch die buchsenseitigen Steckverbinderteile mit Schutzvorrichtungen gegen unbeabsichtigte Berührung versehen sind.Charging system according to claim 4, characterized in that the two plug connections ( 10 . 11 ) are such that both the male and the female connector parts are provided with protection against accidental contact. Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichrichter (3), der Zwischenkreis (4) und die Laderegelschaltung (5) in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen sind, das mit einer ersten Steckverbindung (10) zur elektrischen Kontaktierung mit dem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz (2) und mit einer zweiten Steckverbindung (11) zur elektrischen Kontaktierung mit dem zweiten Gleichrichter (6) versehen ist.Charging system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the first rectifier ( 3 ), the DC link ( 4 ) and the charge control circuit ( 5 ) are received in a common housing, which with a first connector ( 10 ) for electrical contact with the AC or three-phase supply network ( 2 ) and with a second plug connection ( 11 ) for electrical contacting with the second rectifier ( 6 ) is provided. Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige elektrische Wicklung (7) hinter einem Kennzeichenschild (12) des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, und dass an die Außenfläche des Kennzeichenschildes eine Anlagefläche der Ankoppelvorrichtung der Ladestation anfügbar ist.Charging system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the vehicle-side electrical winding ( 7 ) behind a license plate ( 12 ) of the motor vehicle is arranged, and that a contact surface of the coupling device of the charging station is attachable to the outer surface of the license plate.
DE102011017369A 2011-04-16 2011-04-16 Charging system for charging the traction battery of an electrically driven motor vehicle Pending DE102011017369A1 (en)

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