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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Konvertierungseinrichtung für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug sowie ein elektrisches Ladesystem mit einer solchen Konvertierungseinrichtung.
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In modernden Elektro- oder Hybridfahrzeugen wird häufig eine Energieversorgungseinheit in der Art einer aufladbaren elektrischen Batterie verwendet, welche nicht nur von der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs, wenn es sich um ein Hybridfahrzeug handelt, im Fahrbetrieb wieder aufgeladen werden kann, sondern in einem abgestellten Zustand des Fahrzeugs mit einer externen elektrischen Energiequelle zum Aufladen der Energieversorgungseinheit des Fahrzeugs verbunden werden kann.
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Zwar existieren zu diesem Zweck in zunehmender Anzahl sog. elektrische Ladestationen, welche vom Elektro- oder Hybridfahrzeug im Bedarfsfall angefahren werden können und an welchen die zum Aufladen der Batterie benötigte elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird; in zunehmendem Maße sind die aufladbaren Batterien von Elektro- oder Hybridfahrzeugen jedoch auch dafür ausgelegt, zum Aufladen herkömmlichen elektrischen Haushaltssteckdose angeschlossen werden zu können, um den Ladevorgang möglichst einfach und komfortabel zu gestalten.
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Zu diesem Zweck sind elektrische Anschlusskabel bekannt, mittels welcher die Haushaltssteckdose elektrisch mit der aufladbaren Batterie des Elektro- oder Hybridfahrzeugs (welches im Folgenden der Einfachheit halber als „Fahrzeug” bezeichnet wird) verbunden werden kann. In solchen Verbindungskabeln sind üblicherweise elektrische Konvertierungseinheiten vorgesehen, in welchen die zum Übertragen von elektrischer Energie von der Haushaltssteckdose zur aufladbaren Batterie des Kraftfahrzeugs erforderliche elektrischen Konvertierungsschaltungen einschließlich einer geeigneten elektrischen Verdrahtung bereitgestellt wird. In derartige elektrische Konvertierungseinheiten müssen jedoch aus Sicherheitsgründen üblicherweise relativ aufwändige und somit kostenintensive Schutzleiter-Vorrichtungen und auch eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung von in das Verbindungskabel integrierten mechanischen Schaltern hinsichtlich des etwaigen Auftretens von Fehlfunktionen vorhanden sein.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem allgemeinen Problem, eine verbesserte elektrische Konvertierungseinrichtung für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug bereitzustellen, mittels welcher insbesondere eine aufladbare Batterie des Elektro- oder Hybridfahrzeugs zum Aufladen der Batterie auf einfache und somit kostengünstige Weise mit einem herkömmlichen elektrischen Stromnetz verbindbar ist.
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Das vorangehend genannte Problem wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die elektrische Konvertierungseinheit mit einer Nullung ohne besonderen Schutzleiter, also mit einer sogenannten „klassischen Nullung” zu versehen, so dass ein sogenannter PEN-Leiter gleichzeitig die Funktion eines Schutzleiters (PE) und eines Neutralleiters (N) erfüllt.
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Dies bedeutet, dass an der erfindungsgemäßen elektrischen Konvertierungseinrichtung eingangsseitig, also zum elektrischen Verbinden der elektrischen Konvertierungseinrichtung mit einer Haushaltssteckdose, die wiederum an ein elektrisches Stromnetz angeschlossen ist, nur zwei Versorgungsspannung-Anschlusselemente, nämlich das erste Versorgungsspannungs-Anschlusselement, welches mit einer Phase der Haushaltssteckdose verbindbar ist, und ein zweites Versorgungsspannung-Anschlusselement, welches mit dem Nullleiter der Haushaltssteckdose verbindbar ist, vorgesehen sind.
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Ausgangsseitig sind zum elektrischen Verbinden der elektrischen Konvertierungseinrichtung mit der aufladbaren Batterie des Elektro- oder Hybridfahrzeugs drei elektrische Fahrzeug-Anschlusselemente vorgesehen, nämlich ein erstes Fahrzeug-Anschlusselement, welches mit einer Phase der aufladbaren Batterie verbindbar ist, ein zweites Fahrzeug-Anschlusselement, welches mit einem Nullleiteranschluss der aufladbaren Batterie verbindbar ist, und ein drittes Fahrzeug-Anschlusselement, welches mit einem Schutzleiterabschluss der aufladbaren Batterie verbindbar ist.
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Die elektrische Konvertierungseinrichtung weist eine elektrische Verdrahtung auf, mittels welcher die oben genannte klassische Nullung realisiert ist. Dies bedeutet, dass das erste Versorgungsspannung-Anschlusselement über eine erste elektrische Verbindung elektrisch mit dem ersten Fahrzeug-Anschlusselement verbunden ist, d. h. die Phase der Haushaltssteckdose ist durch die elektrische Konvertierungseinrichtung elektrisch ”durchgeschleift” und steht für die aufladbare Batterie unverändert zur Verfügung. Selbstverständlich kann es erforderlich sein, die von der Haushaltssteckdose bereitgestellte elektrische Ausgangsspannung, die beispielsweise eine 230 V-Wechselspannung, auf einen niedrigeren Wert zu konvertieren, um zum Aufladen der elektrischen Batterie verwendet werden zu können.
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Zur Realisierung der klassischen Nullung ist das zweite Versorgungsspannung-Anschlusselement über eine zweite elektrische Verbindung elektrisch mit dem zweiten Fahrzeug-Anschlusselement verbunden, so dass der Nullleiter der Haushaltssteckdose analog zur Phase ebenfalls durch die elektrische Konvertierungseinrichtung durchgeschleift wird. Das zweite Versorgungsspannung-Anschlusselement ist über eine dritte elektrische Verbindung in der Art einer Weiche zusätzlich elektrisch mit dem dritten Fahrzeug-Anschlusselement verbunden, wodurch die klassische Nullung realisiert wird.
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Die erfindungsgemäße elektrische Konvertierungseinrichtung erlaubt aufgrund der „klassischen Nullung” das Aufladen der Batterie durch Anschließen an sog. IT-Netze und TT-Netze mit hohem Erdungswiderstand. Eine Überwachung des in der Haushaltssteckdose vorgesehenen Schutzleiters mittels einer geeigneten Überwachungsschaltung bzw. Überwachungselektronik kann in der erfindungsgemäßen elektrischen Konvertierungseinrichtung entfallen, was die Herstellungskosten für eine solche Konvertierungseinrichtung deutlich reduziert. Auch ist eine zusätzliche Bereitstellung eines sogenannten Verpolschutzes zur Verhinderung einer unerwünschten elektrischen Verpolung von Schutz- und Nullleiter nicht erforderlich.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsformen kann das zweite eingangsseitige Versorgungsspannung-Anschlusselement mittels eines Diodenelements, insbesondere einer Halbleiter-Diode, derart elektrisch mit dem dritten Fahrzeug-Anschlusselement verbunden sein, dass das Diodenelement einen elektrischen Stromfluss vom zweiten Versorgungsspannung-Anschlusselement zum dritten Fahrzeug-Anschlusselement sperrt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass unerwünschter elektrischer Strom von der elektrischen Konvertierungseinrichtung in den Schutzleiter der aufladbaren Batterie fließen kann.
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In einer weiterbildenden Ausführungsform kann die Verdrahtung der elektrischen Konvertierungseinrichtung eine Spannungs-Konvertierungseinheit, insbesondere einen AC-DC-Wandler umfassen, mittels welcher eine eingangsseitig bereitgestellte elektrische Wechselspannung ausgangsseitig in eine elektrische Gleichspannung konvertierbar ist oder konvertiert wird. Mittels einer derartigen Spannungs-Konvertierungseinheit kann die an der elektrischen Phase der Haushaltssteckdose bereitgestellte elektrische Wechselspannung, welche mit dem ersten Versorgungsspannungs-Anschlusselement elektrisch verbunden wird, auf eine von der aufladbaren Batterie benötigte elektrische Gleichspannung konvertiert werden.
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Vorzugsweise weist die elektrische Verdrahtung einen zwischen dem ersten Versorgungsspanner-Anschlusselement und dem ersten Fahrzeug-Anschlusselement vorgesehenen ersten Schalter auf, welcher zwischen einem geschlossenen Zustand, in welchem das erste Versorgungsspannung-Anschlusselement elektrisch mit dem ersten Fahrzeug-Anschlusselement verbunden ist, und einem geöffneten Zustand, in welchem das erste Versorgungsspannung-Element elektrisch vom ersten Fahrzeug-Anschlusselement getrennt ist, umschaltbar ist. Entsprechend kann die elektrische Verdrahtung auch einen zwischen dem zweiten Versorgungsspannung-Anschlusselement und dem zweiten Fahrzeug-Anschlusselement vorgesehenen zweiten Schalter aufweisen, welcher ebenfalls zwischen einem geschlossenen Zustand, in welchem das zweite Versorgungsspannung-Anschlusselement elektrisch mit dem zweiten Fahrzeug-Anschlusselement verbunden ist, und einen geöffneten Zustand, in welchem das zweite Versorgungsspannung-Anschlusselement elektrisch vom zweiten Fahrzeug-Anschlusselement getrennt ist, umschaltbar ist.
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Gemäß dieser Ausführungsform kann die elektronische Konvertierungseinrichtung eine elektronische Steuerungseinheit umfassen, mittels welcher der erste und zweite Schalter je zwischen dem geschlossenen und dem geöffneten Zustand umschaltbar sind. Mittels den beiden Schaltern und der Steuerungseinheit kann also eine elektrische Verbindung zwischen der aufladbaren Batterie und der Haushaltssteckdose im Bedarfsfall, beispielsweise bei Fehlfunktionen, unterbrochen werden.
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In einer weiterbildenden Ausführungsform kann die elektrische Verdrahtung ein Fehlerstrom-Schutzelement umfassen, mit welchem ein elektrischer Differenzstrom der ersten elektrischen Verbindung im Vergleich zur zweiten und dritten elektrischen Verbindung bestimmbar ist. Gemäß dieser weiterbildenden Ausführungsform kann das Fehlerstrom-Schutzelement mit der elektronischen Steuerungseinheit derart in Kommunikationsverbindung stehen, dass bei Überschreiten eines vorbestimmten maximal zulässigen elektrischen Fehlerstroms der erste oder/und zweite Schalter in den geöffneten Zustand umgeschaltet wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nicht aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses o. ä. ein elektrischer Strom durch einen menschlichen Körper o. ä. fließt. Das Fehlerstrom-Schutzelement kann dabei in der Art eines herkömmlichen FI-Schutzschalters ausgebildet sein oder einen solchen umfassen.
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Die Erfindung betrifft auch ein elektrisches Ladesystem zum elektrischen Aufladen einer aufladbaren Batterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Das elektrische Ladesystem umfasst eine elektrische Konvertierungseinrichtung mit einem oder mehreren der vorhergehend genannten Merkmale. Des Weiteren umfasst das elektrische Ladesystem ein erstes elektrisches Verbindungskabel, welches an einem ersten Ende elektrisch mit dem ersten und zweiten Versorgungsspannung-Anschlusselement verbunden ist und an einem zweiten Ende elektrisch mit einer Haushaltssteckdose verbindbar oder verbunden ist. Schließlich umfasst das elektrische Ladesystem ein zweites elektrisches Verbindungskabel, welches an einem ersten Ende elektrisch mit dem ersten, zweiten und dritten Fahrzeug-Anschlusselement verbunden ist und an einem zweiten Ende elektrisch mit der aufladbaren Batterie des Elektro- oder Hybridfahrzeugs elektrisch verbindbar oder verbunden ist.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 ein Anwendungsbeispiel der elektrischen Konvertierungseinheit zum Versorgen einer aufladbaren Batterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit elektrischer Energie aus einem elektrischen Stromnetz,
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2 eine schematische Darstellung der elektrischen Konvertierungseinheit,
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3a/b zwei Varianten der erfindungsgemäßen elektrischen Konvertierungseinheit.
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In der 1 ist grobschematisch ein Anwendungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Konvertierungseinheit dargestellt. Die 1 zeigt grobschematisch ein Kraftfahrzeug 1, welches ein Elektro- oder Hybridfahrzeug sein kann und im Folgenden der Einfachheit halber als „Fahrzeug” bezeichnet wird.
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Das Fahrzeug 1 umfasst eine Energieversorgungseinheit in der Art einer aufladbaren Batterie 2. Zum Aufladen der aufladbaren Batterie 2 kann diese mittels eines geeigneten elektrischen Verbindungskabels 3 mit einer herkömmlichen Haushaltssteckdose 4, die an ein elektrisches Stromnetz angeschlossen ist, zum Aufladen der Batterie 2 verbunden werden.
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An der Haushaltssteckdose 4 kann beispielsweise eine elektrische 230 V-Wechselspannung bereitgestellt sein. Das elektrische Verbindungskabel 3 kann an einem ersten Ende ein erstes Anschlusselement 5 zum Anschließen des Verbindungskabels 3 an die aufladbare Batterie 2 aufweisen, wobei am Fahrzeug 1 ein zum Anschlusselement 5 komplementäres, fahrzeugseitiges Anschlusselement 6 vorgesehen sein kann.
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Entsprechend kann an einem zweiten Ende des elektrischen Verbindungskabels 3 ein herkömmliches Anschlusselement 31 zum Anschließen des Verbindungskabels 3 an die Haushaltssteckdose 4 vorgesehen sein.
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Im elektrischen Verbindungskabel 3 ist eine erfindungsgemäße elektrische Konvertierungseinrichtung 7 vorgesehen, mittels welcher die aufladbare Batterie 2 auf einfache Weise und betriebssicher elektrisch mit der Haushaltssteckdose 4 verbunden werden kann.
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Der Aufbau der elektrischen Konvertierungseinrichtung 7 ist in der 2 schematisch dargestellt. Die elektrische Konvertierungseinrichtung 7 umfasst ein Gehäuse 8. Am Gehäuse 8 sind eingangsseitig ein erstes und zweites Versorgungsspannung-Anschlusselement 9, 10 vorgesehen, welche über das elektrische Verbindungskabel 3 elektrisch mit der Phase 11 bzw. dem Nullleiter 12 der Haushaltssteckdose 4 verbunden werden können.
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Des Weiteren weist die Konvertierungseinrichtung 7 ausgangsseitig ein erstes, zweites und drittes Fahrzeug-Anschlusselement 13, 14, 15 auf, mittels welcher die Konvertierungseinheit 1 mit der aufzuladenden Batterie 6 elektrisch verbunden werden kann.
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Im Gehäuse 8 ist eine elektrische Verdrahtung 16 vorgesehen. Mittels der elektrischen Verdrahtung 16 ist das erste Versorgungsspannung-Anschlusselement 9 über eine erste elektrische Verbindung 17 mit dem ersten Fahrzeug-Anschlusselement 13 verbunden und das zweite Versorgungsspannung-Anschlusselement 10 über eine zweite elektrische Verbindung 18 elektrisch mit dem zweiten Fahrzeug-Anschlusselement 14 verbunden. Zur Ausbildung einer ”klassischen Nullung” ist das zweite Versorgungsspannung-Anschlusselement 10 zusätzlich über eine dritte elektrische Verbindung 19 elektrisch mit dem dritten Fahrzeug-Anschlusselement 15 verbunden.
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Zwischen der aufladbaren Batterie 2 und dem fahrzeugseitigen Anschlusselement 6 kann eine Spannungs-Konvertierungseinheit 20 vorgesehen sein, mittels welcher die von der Haushaltssteckdose 4 bereitgestellte elektrische Wechselspannung, beispielsweise eine 230 V-Wechselspannung, auf eine niedrigere Gleichspannung, beispielsweise eine 20 V-Gleichspannung, konvertiert werden kann. Die Spannungs-Konvertierungseinheit 20 kann in der Art eines AC-DC-Wandlers ausgebildet sein. Die Spannungs-Konvertierungseinheit 20 kann Teil der elektrischen Verdrahtung 16 sein, oder, wie in der 2 gezeigt, im Kraftfahrzeug 1 verbaut sein.
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Aus der Darstellung der 2 entnimmt man, dass das zweite eingangsseitige Versorgungsspannung-Anschlusselement 10 mittels eines Diodenelements 21 derart elektrisch mit dem dritten Fahrzeug-Anschlusselement 15 verbunden sein kann, dass das Diodenelement 21 einen elektrischen Stromfluss vom zweiten Versorgungsspannung-Anschlusselement 10 zum dritten Fahrzeug-Anschlusselement 15 sperrt. Auf diese Weise kann ein unerwünschter elektrischer Stromfluss in den Schutzleiter des Kraftfahrzeugs 1 bzw. der aufladbaren Batterie 2 verhindert werden.
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Die elektrische Verdrahtung 16 kann eingangsseitig einen zwischen dem ersten Versorgungsspannung-Anschlusselement 9 und dem ersten Fahrzeug-Anschlusselement 13 vorgesehenen ersten Schalter 22 aufweisen. Der erste Schalter 22 ist zwischen einem geschlossenen Zustand, in welchem das erste Versorgungsspannung-Anschlusselement 9 elektrisch mit dem ersten Fahrzeug-Anschlusselement 13 verbunden ist, und einem geöffneten Zustand, in welchem das erste Versorgungsspannung-Anschlusselement 9 elektrisch vom ersten Fahrzeug-Anschlusselement 13 getrennt ist, umschaltbar.
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Die elektrische Verdrahtung 16 kann des Weiteren einen zwischen dem zweiten Versorgungsspannung-Anschlusselement 10 und dem zweiten Fahrzeug-Anschlusselement 14 vorgesehenen zweiten Schalter 23 aufweisen. Der zweite Schalter 23 ist ebenfalls zwischen einem geschlossenen Zustand, in welchem das zweite Versorgungsspannung-Anschlusselement 10 elektrisch mit dem zweiten Fahrzeug-Anschlusselement verbunden ist, und einem geöffneten Zustand, in welchem das zweite Versorgungsspannung-Anschlusselement 10 elektrisch vom zweiten Fahrzeug-Anschlusselement 14 getrennt ist, umschaltbar. Das Umschalten der beiden Schalter 22, 23 kann mittels einer in der elektrischen Konvertierungseinrichtung 7 vorgesehenen elektronischen Steuerungseinheit 24 erfolgen und die in der Art eines Mikrokontrollers ausgebildet sein kann. Die beiden Schalter 22, 23 können in der Art von herkömmlichen Schützen ausgebildet sein.
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Des Weiteren kann die elektrische Verdrahtung 16 ein Fehlerstrom-Element 25 umfassen, mittels welchem ein elektrischer Differenzstrom ΔI eines durch die erste elektrische Verbindung 17 fließenden elektrischen Stroms I1 im Vergleich zu einem durch die zweite und dritte elektrische Verbindung 18, 19 fließenden elektrischen Stroms I2, I3 bestimmbar ist. Das Fehlerstrom-Schutzelement 25 bestimmt also den elektrischen Differenzstrom ΔI = I1 – I2 – I3.
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Für den Fall, dass der elektrische Differenzstrom ΔI einen vorbestimmten maximal zulässigen elektrischen Fehlerstrom Imax überschreitet, steuert die elektronische Steuerungseinheit 24 die beiden Schalter 22, 23 derart an, dass sie vom geschlossenen in den geöffneten Zustand umgeschaltet werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der über die erste elektrische Verbindung 17 zur aufladbaren Batterie 2 fließende elektrische Strom auch wieder über die zweite und dritte elektrische Verbindung 18, 19 zur Haushaltssteckdose 4 bzw. in das mit dieser verbundene elektrische Stromnetz zurückfließt.
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In der Darstellung der 3a bzw. 3b sind nun zwei verschiedene Varianten der erfindungsgemäßen elektrischen Konvertierungseinheit 1 dargestellt. Die beiden Varianten unterscheiden sich darin, wie die von der Haushaltssteckdose 4 bereitgestellte elektrische Wechselspannung in die zur Aufladung der aufladbaren Batterie 2 benötigte Gleichspannung gewandelt wird.
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In der Variante der 3a wird die von der Haushaltssteckdose 4 bereitgestellte Versorgungsspannung V230 nicht durch die elektrische Konvertierungseinheit 7 auf eine niedrigere Gleichspannung konvertiert, sondern in einer externen Ladeeinheit 26, die Teil des Kraftfahrzeugs 1, nicht aber der elektrischen Konvertierungseinheit 7 ist. Mittels der Ladeeinheit 26 wird die von der Haushaltssteckdose 4 über die elektrische Konvertierungseinheit 7 bereitgestellte Wechselspannung V230 in die nominelle Ausgangsspannung VDC der aufladbaren Batterie 2 konvertiert. Die Ladeeinheit 26 kann hierfür einen AC-DC-Wandler umfassen.
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Mittels der aufladbaren Batterie 2 können dann weitere elektrische Fahrzeugkomponenten 27 mit elektrischer Energie versorgt werden. Im Bedarfsfall kann die von der aufladbaren Batterie bereitgestellte Ausgangsspannung VDC mittels geeigneter DC-DC-Wandler 28 oder DC-AC-Wandler 29 erneut konvertiert werden.
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Demgegenüber wird in der Variante der 3b die Wandlung der von der Haushaltssteckdose 4 bereitgestellten Wechselspannung V230 in die nominelle Gleichspannung VDC der aufladbaren Batterie 2 durch die elektrische Konvertierungseinheit 7 vorgenommen. Hierzu kann ein AC-DC-Wandler 30 direkt in die elektrische Konvertierungseinheit 7 integriert sein.
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In diesem Fall kann die fahrzeugseitige Ladeeinheit 26 technisch stark vereinfacht aufgebaut sein oder sogar vollständig entfallen. Beispielsweise entfallen in der Variante der 3b gegenüber der Variante der 3a ein technisch aufwändiges Kühlelement 32 in der Ladeeinheit 26. Da gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3b die Spannungskonvertierung von einer Hochspannung V230 auf eine Niederspannung VDC bereits in der elektrischen Konvertierungseinheit 7, also außerhalb des Kraftfahrzeugs 1, stattfindet, sind im Kraftfahrzeug 1 keine aufwändigen Schutzmaßnahmen, wie sie bei der Verwendung einer elektrischen Hochspannung erforderlich sind, notwendig. Der elektrische Aufbau des Kraftfahrzeugs 1 lässt sich also durch Verwendung eines AC-DC-Wandlers 30 in der elektrischen Konvertierungseinheit 7 stark vereinfachen.
