DE102013204912A1

DE102013204912A1 - Ladegerät, Kraftfahrzeug und Verfahren

Info

Publication number: DE102013204912A1
Application number: DE201310204912
Authority: DE
Inventors: Petra Kanters; Bernd Eckert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2014-09-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Ladegerät für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Traktionsbatterie, mit einer Versorgungsschnittstelle, über welche das Ladegerät mit einer Wechselspannungsquelle koppelbar ist, mit einem ersten Spannungswandler einer ersten Nennleistung, der dazu ausgebildet ist, eine über die Versorgungsschnittstelle empfangene Wechselspannung in eine erste Gleichspannung mit einem ersten Betrag zu wandeln und die erste Gleichspannung zumindest der elektrischen Traktionsbatterie bereitzustellen, mit einem zweiten Spannungswandler einer zweiten Nennleistung, der dazu ausgebildet ist, die über die Versorgungsschnittstelle empfangene Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung mit einem zweiten Betrag zu wandeln und die zweite Gleichspannung ersten elektrischen Verbrauchern bereitzustellen, mit einer Messeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, einen elektrischen Leistungsbedarf von den durch den zweiten Spannungswandler versorgten ersten elektrischen Verbrauchern zu erfassen, mit einer Betriebseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den ersten Spannungswandler und den zweiten Spannungswandler derart im Wechsel zu betreiben, dass die im zeitlichen Mittel von dem zweiten Spannungswandler abgegebene elektrische Leistung dem erfassten Leistungsbedarf der durch den zweiten Spannungswandler versorgten ersten elektrischen Verbraucher entspricht, und mit einer Bypasseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, während dem Betrieb des zweiten Spannungswandlers elektrische Leistung von der Versorgungsschnittstelle mindestens einem zweiten Verbraucher bereitzustellen, wobei der Betrag der von der Bypasseinrichtung bereitgestellten elektrischen Leistung der Differenz zwischen einer maximal über die Versorgungsschnittstelle empfangbaren elektrischen Leistung und der zweiten Nennleistung entspricht. Die vorliegende Erfindung offenbart ferner ein Fahrzeug und ein Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ladegerät für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Traktionsbatterie, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Laden einer elektrischen Traktionsbatterie in einem Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Moderne Fahrzeuge können zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor oder als Ersatz für einen Verbrennungsmotor einen elektrischen Motor aufweisen, der das Fahrzeug antreibt.
Wird ein solcher elektrischer Motor in einem Fahrzeug eingesetzt, muss in dem Fahrzeug zusätzlich zu dem elektrischen Motor eine Hochvolt-Batterie bzw. eine Traktionsbatterie vorgesehen werden, die die von dem elektrischen Motor benötigte elektrische Energie während dem Betrieb des Fahrzeugs bereitstellt.
Üblicherweise wird die Traktionsbatterie eines Fahrzeugs vor einer Fahrt geladen. Um die Traktionsbatterie zu laden, können Ladegeräte eingesetzt werden, die die Wechselspannung eines Wechselstromanschlusses, z.B. einer einfachen Steckdose, in eine Gleichspannung umwandeln, die eine ausreichend hohe Spannung aufweist, um die Traktionsbatterie zu laden.
In einem Fahrzeug werden neben der Traktionsbatterie und dem elektrischen Motor eine Vielzahl weiterer elektronischer oder elektrischer Komponenten eingesetzt, die allerdings mit einer üblichen 12 Volt Spannung betrieben werden.
In Fahrzeugen mit einer Traktionsbatterie können DC/DC-Wandler eingesetzt werden, um diese elektrischen oder elektronischen Komponenten aus der Traktionsbatterie mit einer 12 Volt Spannung zu versorgen. In dem 12 Volt Bordnetz ist ferner üblicherweise eine 12 Volt-Batterie vorgesehen, die eine Versorgung des 12 Volt Bordnetzes übernehmen kann. Diese 12 Volt-Batterie kann ebenfalls über den DC/DC-Wandler geladen werden.
In dieser Konfiguration muss in einem Fahrzeug mit einem elektrischen Motor zwingend ein DC/DC-Wandler vorgesehen werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zwei Ladegeräte vorzusehen, um sowohl die Traktionsbatterie als auch die 12 Volt Batterie zu laden.
Die WO 2010 105869 zeigt z.B. ein Elektrofahrzeug mit einem Ladegerät, welches von einem Wechselstromanschluss versorgt werden und die Traktionsbatterie eines Fahrzeugs laden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Ladegerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Ladegerät für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Traktionsbatterie, mit einer Versorgungsschnittstelle, über welche das Ladegerät mit einer Wechselspannungsquelle koppelbar ist, mit einem ersten Spannungswandler einer ersten Nennleistung, der dazu ausgebildet ist, eine über die Versorgungsschnittstelle empfangene Wechselspannung in eine erste Gleichspannung mit einem ersten Betrag zu wandeln und die erste Gleichspannung zumindest der elektrischen Traktionsbatterie bereitzustellen, mit einem zweiten Spannungswandler einer zweiten Nennleistung, der dazu ausgebildet ist, die über die Versorgungsschnittstelle empfangene Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung mit einem zweiten Betrag zu wandeln und die zweite Gleichspannung ersten elektrischen Verbrauchern bereitzustellen, mit einer Messeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, einen elektrischen Leistungsbedarf von den durch den zweiten Spannungswandler versorgten ersten elektrischen Verbrauchern zu erfassen, mit einer Betriebseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den ersten Spannungswandler und den zweiten Spannungswandler derart im Wechsel zu betreiben, dass die im zeitlichen Mittel von dem zweiten Spannungswandler abgegebene elektrische Leistung dem erfassten Leistungsbedarf der durch den zweiten Spannungswandler versorgten ersten elektrischen Verbraucher entspricht, und mit einer Bypasseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, während dem Betrieb des zweiten Spannungswandlers elektrische Leistung von der Versorgungsschnittstelle mindestens einem zweiten Verbraucher bereitzustellen, wobei der Betrag der von der Bypasseinrichtung bereitgestellten elektrischen Leistung der Differenz zwischen einer maximal über die Versorgungsschnittstelle empfangbaren elektrischen Leistung und der zweiten Nennleistung entspricht.
Ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Ladegerät, mit einer Traktionsbatterie, die mit dem ersten Spannungswandler gekoppelt ist, und mit einem elektrischen Antriebsmotor, der mit der Traktionsbatterie gekoppelt ist.
Ein Verfahren zum Laden einer elektrischen Traktionsbatterie in einem Kraftfahrzeug, mit den Schritten: Wandeln einer empfangenen Wechselspannung in eine erste Gleichspannung mit einem ersten Betrag, Bereitstellen der ersten Gleichspannung für die zumindest eine elektrische Traktionsbatterie, Wandeln der empfangenen Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung mit einem zweiten Betrag, Erfassen eines elektrischen Leistungsbedarfs erster elektrischer Verbraucher, Bereitstellen der zweiten Gleichspannung für die ersten elektrischen Verbraucher, wobei die erste Gleichspannung und die zweite Gleichspannung derart im Wechsel bereitgestellt werden, dass die im zeitlichen Mittel mittels der zweiten Gleichspannung abgegebene elektrische Leistung dem erfassten Leistungsbedarf der ersten elektrischen Verbraucher entspricht, und Bereitstellen elektrischer Leistung für mindestens einen zweiten Verbraucher, wobei der Betrag der bereitgestellten elektrischen Leistung der Differenz zwischen einer maximal mittels der empfangenen Wechselspannung empfangbaren elektrischen Leistung und der zweiten Nennleistung entspricht.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass mit einem einzelnen Ladegerät zwei verschiedene Spannungen bereitgestellt werden können.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und ein Ladegerät vorzusehen, welches es ermöglicht, sowohl eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs zu laden, als auch erste elektrische Verbraucher eines Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen.
Bei den ersten elektrischen Verbrauchern kann es sich dabei z.B. um die elektrischen Verbraucher in einem Fahrzeug handeln, die über das 12Volt Versorgungsnetzwerk des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt werden. Auch die elektrische Batterie des 12Volt Bordnetzes kann einer der ersten elektrischen Verbraucher sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfasst das Ladegerät einen Energiebedarf der ersten elektrischen Verbraucher. Anhand des erfassten Energiebedarfs bestimmt eine Betriebseinrichtung, wie lange in einem jeweiligen Betriebszyklus ein zweiter Spannungswandler aktiv sein muss, um den erfassten Energiebedarf im Mittel decken zu können.
Hat z.B. ein zweiter Spannungswandler bei einer Ausgangsspannung mit einem Betrag von 12Volt eine Ausgangsleistung von 1,8kW und benötigen die zweiten elektrischen Verbraucher eine Leistung von 400Watt, so muss der zweite Spannungswandler lediglich in 22,2% der Dauer eines jeweiligen Betriebszyklusses aktiv sein. Für die restlichen 77,8% der Dauer des jeweiligen Betriebszyklusses kann der erste Spannungswandler aktiviert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Frequenz, mit welcher der erste Spannungswandler und der zweite Spannungswandler im Wechsel betrieben werden dabei so hoch, dass auf Grund der Trägheit der ersten elektrischen Verbraucher, wie z.B. der 12Volt Batterie, ein quasi-kontinuierlicher Betrieb der ersten elektrischen Verbraucher stattfindet.
Da die Traktionsbatterie üblicherweise eine Nennspannung aufweist, die höher liegt, als die Nennspannung der ersten elektrischen Verbraucher, weist der erste Spannungswandler üblicherweise auch eine höhere Nennleistung auf, als der zweite Spannungswandler. Die Nennleistung des ersten Spannungswandlers kann dabei z.B. der maximal der Wechselspannungsquelle entnehmbaren elektrischen Leistung entsprechen.
Während dem Betrieb des zweiten Spannungswandlers besteht somit ein Leistungsüberschuss der Wechselspannungsquelle.
Die vorliegende Erfindung sieht nun eine Bypasseinrichtung vor, die diesen Leistungsüberschuss während dem Betrieb des zweiten Spannungswandlers nutzt, um zweite elektrische Verbraucher mit dieser überschüssigen elektrischen Leistung zu versorgen.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform weist die erste Gleichspannung einen Betrag von mehr als 50Volt, insbesondere von 60Volt bis 1200Volt, insbesondere auch von 200Volt bis 800Volt oder von 400Volt bis 600Volt auf. Dies ermöglicht es, die vorliegende Erfindung an unterschiedliche Anwendungen anzupassen.
In einer Ausführungsform weist die zweite Gleichspannung einen Betrag von weniger als 50 Volt, insbesondere von 12 Volt oder 24 Volt für Nutzfahrzeuge auf. Wird die zweite Gleichspannung als eine Spannung mit einem Betrag von weniger als 50Volt vorgesehen, können bereits in Fahrzeugen vorhandene elektrische Verbraucher weiterhin genutzt und betrieben werden.
In einer Ausführungsform ist der erste Spannungswandler während dem Betrieb des zweiten Spannungswandlers als Bypasseinrichtung betreibbar, wobei die Ausgangsleistung des ersten Spannungswandlers während dem Betrieb des zweiten Spannungswandlers auf die Differenz zwischen der maximal über die Versorgungsschnittstelle empfangbaren elektrischen Leistung und der zweiten Nennleistung begrenzt ist. Wird der erste Spannungswandler als Bypasseinrichtung betrieben, wird der Ladevorgang der Traktionsbatterie nicht unterbrochen. Dadurch verkürzt sich die benötigte Ladezeit. Die Traktionsbatterie stellt in diesem Fall einen der zweiten Verbraucher dar.
In einer Ausführungsform weist die Bypasseinrichtung einen regelbaren Spannungswandler auf, welcher dazu ausgebildet ist, eine regelbare Gleichspannung bereitzustellen. Stellt die Bypasseinrichtung eine regelbare Gleichspannung bereit, können mit Hilfe der Bypasseinrichtung eine Vielzahl unterschiedlicher Verbraucher versorgt werden.
In einer Ausführungsform weist die Bypasseinrichtung einen Schalter auf, welcher dazu ausgebildet ist, die zweiten Verbraucher direkt mit der Wechselstromquelle zu koppeln. Dies ermöglicht einen sehr einfachen und wenig komplexen Aufbau der Bypasseinrichtung zur Versorgung von Wechselspannungs-Verbrauchern.
In einer Ausführungsform weist die Bypasseinrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, die von der Bypasseinrichtung bereitgestellte elektrische Leistung auf die Differenz zwischen der maximal über die Versorgungsschnittstelle empfangbaren elektrischen Leistung und der zweiten Nennleistung zu begrenzen. Dies stellt sicher, das die Wechselspannungsquelle nicht überlastet wird.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, den Schalter derart getaktet anzusteuern, dass die von der Bypasseinrichtung bereitgestellte elektrische Leistung auf die Differenz zwischen der maximal über die Versorgungsschnittstelle empfangbaren elektrischen Leistung und der zweiten Nennleistung begrenzt wird. Dies verhindert auf sehr einfache Art, dass die Wechselspannungsquelle überlastet wird.
In einer Ausführungsform weist die Bypasseinrichtung sowohl einen Schalter als auch einen regelbaren Spannungswandler auf. Dies ermöglicht es, zweite elektrische Verbraucher mit einer Gleichspannung zu versorgen und gleichzeitig zu verhindern, dass die Wechselspannungsquelle überlastet wird.
In einer Ausführungsform ist die Betriebseinrichtung dazu ausgebildet, den ersten Spannungswandler und den zweiten Spannungswandler mit einer vorgegebenen Frequenz im Wechsel zu betreiben, wobei die vorgegebene Frequenz im Bereich bis zu 100kHz, insbesondere zwischen 100Hz und 50kHz, insbesondere auch zwischen 1kHz und 10kHz liegt. Dies ermöglicht es, das erfindungsgemäße Ladegerät an unterschiedliche Anforderungen und Anwendungen anzupassen.
In einer Ausführungsform sind ein PTC-Heizelement und/oder ein Klimakompressor vorgesehen, welche mit der Bypasseinrichtung gekoppelt sind und welche durch die Bypasseinrichtung mit elektrischer Energie versorgt werden. Dies ermöglicht es, überschüssige elektrische Leistung während dem Betrieb des zweiten Spannungswandlers zu nutzen, um das Fahrzeug, insbesondere den Fahrzeuginnenraum zu heizen oder zu kühlen.
In einer Ausführungsform ist mindestens eine Niedervolt-Fahrzeugbatterie vorgesehen, die mit dem zweiten Spannungswandler gekoppelt ist. Dies ermöglicht es, die Niedervolt-Fahrzeugbatterie des Fahrzeug mit Hilfe des erfindungsgemäßen Ladegeräts zu laden.
Dabei weist die Nennspannung der Niedervolt-Fahrzeugbatterie in einer Ausführungsform den gleichen Betrag auf, wie die zweite Gleichspannung.
In einer Ausführungsform ist mindestens ein erster elektrischer Verbraucher vorgesehen, der mit der Niedervolt-Fahrzeugbatterie gekoppelt ist. Dies ermöglicht es ferner, die ersten elektrischen Verbraucher über die Niedervolt-Fahrzeugbatterie mit elektrischer Energie zu versorgen, die von dem zweiten Spannungswandler bereitgestellt wird.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladegeräts;
2 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs;
3 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Leistungsbedarfs einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladegeräts;
5 ein weiteres Diagramm zur Veranschaulichung der Leistungsbereitstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladegeräts;
6 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladegeräts.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladegeräts 1.
Das Ladegerät in 1 weist eine Versorgungsschnittstelle 2 auf, über welche das Ladegerät 1 mit einer Wechselspannungsquelle 20 (in 1 nicht dargestellt) gekoppelt werden kann.
Die Versorgungsschnittstelle 2 ist mit einem ersten Spannungswandler 3, einem zweiten Spannungswandler 5 und einer Bypasseinrichtung 9 gekoppelt.
Der erste Spannungswandler 3 ist dazu ausgebildet die elektrische Traktionsbatterie 4 (in 1 nicht dargestellt) mittels einer ersten Gleichspannung mit einer ersten Nennleistung zu versorgen. Ferner ist der zweite Spannungswandler 5 dazu ausgebildet, erste elektrische Verbraucher 6 (in 1 ebenfalls nicht dargestellt) mittels einer zweiten Gleichspannung mit einer zweiten Nennleistung zu versorgen.
Das Ladegerät 1 in 1 weist ferner eine Messeinrichtung 7 auf, welche den elektrischen Leistungsbedarf von den durch den zweiten Spannungswandler 5 versorgten ersten elektrischen Verbrauchern 6 erfasst und einer Betriebseinrichtung 8 bereitstellt. Die Betriebseinrichtung 8 betreibt den ersten Spannungswandler 3 und den zweiten Spannungswandler 5 derart im Wechsel, dass die im zeitlichen Mittel von dem zweiten Spannungswandler 5 abgegebene elektrische Leistung dem erfassten Leistungsbedarf der durch den zweiten Spannungswandler 5 versorgten ersten elektrischen Verbraucher 6 entspricht. Der Betrieb des ersten Spannungswandlers 3 und des zweiten Spannungswandlers 5 wird anhand des Diagramms in 4 näher erklärt.
Die Bypasseinrichtung 9 stellt während dem Betrieb des zweiten Spannungswandlers 5 elektrische Leistung von der Versorgungsschnittstelle 2 für mindestens einen zweiten Verbraucher 10 bereit. Dabei entspricht der Betrag der von der Bypasseinrichtung 9 bereitgestellten elektrischen Leistung der Differenz zwischen derjenigen elektrischen Leistung, welche die Versorgungsschnittstelle 2 bereitstellen kann, und der zweiten Nennleistung.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform weist die erste Gleichspannung einen Betrag von 800Volt auf. In weiteren Ausführungsformen sind Spannungsbeträge von mehr als 50Volt, insbesondere von 60Volt bis 1200Volt, insbesondere auch von 200Volt bis 800Volt oder von 400Volt bis 600Volt möglich.
Ferner weist die zweite Gleichspannung einen Betrag von 12 Volt oder 24 Volt für Nutzfahrzeuge auf. Weitere Spannungsbeträge sind ebenfalls möglich. Die zweite Gleichspannung weist aber immer einen Betrag auf, der kleiner ist, als der Betrag der ersten Gleichspannung.
In einer Ausführungsform wird der erste Spannungswandler 3 während dem Betrieb des zweiten Spannungswandlers 5 als Bypasseinrichtung 9 betrieben. Insbesondere wird dabei die Ausgangsleistung des ersten Spannungswandlers 3 während dem Betrieb des zweiten Spannungswandlers 5 auf die Differenz zwischen der maximal über die Versorgungsschnittstelle 2 empfangbaren elektrischen Leistung und der zweiten Nennleistung begrenzt.
In einer Ausführungsform betreibt die Betriebseinrichtung 8 den ersten Spannungswandler 3 und den zweiten Spannungswandler 5 mit einer Frequenz kleiner 100kHz im Wechsel. In einer Ausführungsform kann die Betriebseinrichtung 8 den ersten Spannungswandler 3 und den zweiten Spannungswandler 5 mit einer Frequenz von 10kHz im Wechsel betrieben. Andere Frequenzen sind ebenfalls möglich.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, den Fahrzeuginnenraum während dem Laden des Fahrzeugs zu konditionieren. D.h. zu heizen oder zu kühlen.
Wird der Fahrzeuginnenraum geheizt, und dabei der Kühlkreislauf z.B. eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs 14 mit erwärmt, kann der Verbrennungsmotor bereits auf eine Betriebstemperatur erwärmt werden, bevor der Verbrennungsmotor gestartet wird. Wird ein Verbrennungsmotor bereits mit seiner Betriebstemperatur gestartet, verringert sich dessen Kraftstoffverbrauch und dessen Emissionsausstoß.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 14.
Das Kraftfahrzeug 14 weist ein erfindungsgemäßes Ladegerät 1 auf, dessen erster Spannungswandler 3 mit der Traktionsbatterie 4 des Fahrzeugs 14 gekoppelt ist. Das Kraftfahrzeug 14 weist ferner einem elektrischen Antriebsmotor 15 auf, der mit der Traktionsbatterie 4 gekoppelt ist.
Die Bypasseinrichtung 9 des erfindungsgemäßen Ladegeräts 1 ist ferner mit einem PTC-Heizelement 10 und/oder einem Klimakompressor 10 gekoppelt, um diese mit elektrischer Energie zu versorgen.
Schließlich weist das Kraftfahrzeug 14 mindestens eine Niedervolt-Fahrzeugbatterie 16 auf, die mit dem zweiten Spannungswandler 5 des erfindungsgemäßen Ladegeräts 1 und mit mindestens einem ersten elektrischen Verbraucher 6 gekoppelt ist.
Die Niedervolt-Fahrzeugbatterie 16 weist eine Nennspannung mit einem Betrag von 12 Volt oder 24 Volt für Nutzfahrzeuge auf. Ferner weist die Traktionsbatterie 4 eine Nennspannung mit einem Betrag von 450 Volt auf.
In weiteren Ausführungsformen können die Niedervolt-Fahrzeugbatterie 16 und die Traktionsbatterie 4 andere Nennspannungen beispielsweise 24 Volt für Nutzfahrzeuge aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Ladegerät nicht in das Kraftfahrzeug 14 integriert. In einer solchen Ausführungsform weist das Kraftfahrzeug 14 einen geeigneten Anschluss auf, um das Kraftfahrzeug 14 mit dem Ladegerät 1 zu koppeln.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden einer elektrischen Traktionsbatterie 4 in einem Kraftfahrzeug 14.
Das Verfahren sieht in einem ersten Schritt S1 das Wandeln einer empfangenen Wechselspannung in eine erste Gleichspannung mit einem ersten Betrag vor. In einem zweiten Schritt S2 wird die erste Gleichspannung für die zumindest eine elektrische Traktionsbatterie 4 bereitgestellt. In einem dritten Schritt S3 wird erfindungsgemäß die empfangene Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung mit einem zweiten Betrag gewandelt.
In einem vierten Schritt S4 wird ein elektrischer Leistungsbedarf erster elektrischer Verbraucher 6 erfasst und die zweite Gleichspannung wird in einem fünften Schritt S5 den ersten elektrischen Verbrauchern 6 bereitgestellt.
Dabei werden die erste Gleichspannung und die zweite Gleichspannung derart bereitgestellt, dass die im zeitlichen Mittel mittels der zweiten Gleichspannung abgegebene elektrische Leistung dem erfassten Leistungsbedarf der ersten elektrischen Verbraucher 6 entspricht.
Schließlich wird in einem sechsten Schritt S6 elektrische Leistung für mindestens einen zweiten Verbraucher 10 bereitgestellt, wobei der Betrag der bereitgestellten elektrischen Leistung der Differenz zwischen einer maximal empfangbaren elektrischen Leistung und der zweiten Nennleistung entspricht.
In einer Ausführungsform wird die elektrische Leistung für mindestens einen der zweiten Verbraucher 10 als Wechselspannung ausgegeben. In einer weiteren Ausführungsform wird die elektrische Leistung für mindestens einen der zweiten Verbraucher 10 als Gleichspannung ausgegeben.
In einer Ausführungsform wird die für mindestens einen der zweiten Verbraucher 10 bereitgestellte elektrische Leistung auf die Differenz zwischen der empfangbaren elektrischen Leistung und der zweiten Nennleistung begrenzt.
4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Leistungsbedarfs einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladegeräts 1.
In dem Diagramm der 4 wird auf der Abszissenachse die Zeit t angegeben. Die Ordinatenachse stellt die elektrische Leistung P dar.
In dem Diagramm ist eine horizontale Linie bei der maximalen elektrischen Leistung P_max eingezeichnet. Ferner sind in dem Diagramm drei Perioden t_P des Wechselbetriebs des ersten Spannungswandlers 3 und des zweiten Spannungswandlers 5 dargestellt. Dabei ist ein Betrieb des ersten Spannungswandlers 3 durch eine Schraffur unterhalb der horizontalen Linie, welche die maximale elektrischen Leistung P_max darstellt, von oben links nach unten rechts gekennzeichnet. Der Zeitraum t₁, in dem der erste Spannungswandler 3 betrieben wird beträgt etwa 75% der Länge der Periode t_P. Entsprechend beträgt der Zeitraum t₂, in welchem der zweite Spannungswandler 5 betrieben wird, ca. 25% der Länge der Periode t_P. In dem Zeitraum t₂ ist bis ca. zwei Drittel der Höhe, bis zu einer Leistung P_max1 unter der horizontalen Linie, welche die maximalen elektrischen Leistung P_max darstellt, diejenige elektrische Leistung dargestellt, die der zweite Spannungswandler 5 bereitstellt. Die elektrische Leistung P_max1 entspricht der Nennleistung des zweiten Spannungswandlers 5.
Das Rechteck über der Fläche, welche diejenige elektrische Leistung dargestellt, die der zweite Spannungswandler 5 bereitstellt, ist von links unten nach rechts oben schraffiert und stellt diejenige Leistung dar, die die Bypasseinrichtung 9 den zweiten elektrischen Verbrauchern 10 bereitstellen kann.
In 4 wird deutlich, dass die elektrische Leistung, welche für die Bypasseinrichtung 9 bereitsteht, größer wird, je mehr elektrische Leistung die ersten elektrischen Verbraucher 6 benötigen. Benötigen die elektrischen Verbraucher 6 mehr elektrische Leistung, wird der Zeitraum, in welchem der zweite Spannungswandler 5 betrieben wird, größer. Damit verlängert sich auch der Zeitraum, für welchen die Bypasseinrichtung 9 betrieben wird.
Würde die Bypasseinrichtung 9 nicht parallel zu dem ersten Spannungswandler 5 betrieben, würde die Leistung, welche der von links unten nach rechts oben schraffierten Fläche entspricht nicht genutzt. Dadurch würde sich zumindest die Ladezeit für das Laden des Kraftfahrzeugs 14 verlängern oder die Reichweite des Fahrzeugs bei Betrieb mit dem elektrische Antrieb verkürzen.
P_max kann z.B. eine Leistung von 3,5 kW sein. Ferner kann P_max1 eine Leistung von 1,8 kW sein.
Beträgt der Energiebedarf der ersten elektrischen Verbraucher 6 beispielsweise 400Watt, müsste der zweite Spannungswandler 5 für 22,2% einer Periodendauer eingeschaltet werden, um im Mittel eine Leistung von 400 Watt zu übertragen.
Dies bedeutet, dass der erste Spannungswandler 3 für 77,8% der Periodendauer eingeschaltet ist. Dies reduziert die Leistungsaufnahme im Mittel des ersten Spannungswandlers 3 auf 2,722 kW.
Daraus ergibt sich, dass der erste Spannungswandler 3 778 Watt weniger Leistung aufnimmt, als maximal möglich. Da aber der zweite Spannungswandler 5 lediglich 400 Watt Leistung aufnimmt, bleiben in diesem Rechenbeispiel 378 Watt, welche der Bypasseinrichtung zur Verfügung stehen.
5 zeigt ein weiteres Diagramm zur Veranschaulichung der Leistungsbereitstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladegeräts 1.
Das Diagramm in 5 gleicht weitestgehend dem Diagramm der 4. Allerdings ist in dem Diagramm in 5 lediglich diejenige elektrische Leistung dargestellt, die die Bypasseinrichtung 9 bereitstellt.
Dabei gibt die Bypasseinrichtung 9 im Wechsel einen positiven Energiebetrag und einen negativen Energiebetrag aus. Dies kann z.B. dann der Fall sein, wenn die Bypasseinrichtung 9 im Wechsel eine positive Spannung und eine negative Spannung ausgibt.
Eine derart betriebene Bypasseinrichtung 9 kann beispielsweise verwendet werden, um einen für Wechselstrom konzipierten Klimakompressor zu betreiben.
6 zeigt ein weiteres Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladegeräts 1.
Das Ladegerät 1 der 6 unterscheidet sich von dem Ladegerät der 1 dahingehend, dass die Versorgungsschnittstelle 2 mit einer Wechselspannungsquelle 20 gekoppelt ist. Ferner ist der erste Spannungswandler 3 mit einer Traktionsbatterie 4 gekoppelt und der zweite Spannungswandler 5 mit einem ersten elektrischen Verbraucher 6 gekoppelt. Die Bypasseinrichtung 9 ist mit einem PTC-Heizelement 10 gekoppelt.
Schließlich weist die Bypasseinrichtung 9 einen Schalter 12 und einen regelbaren Spannungswandler 11 auf. Eine Steuereinrichtung 13 steuert sowohl den Schalter 12 als auch den regelbaren Spannungswandler 11. Diese Anordnung ermöglicht es, zweite elektrische Verbraucher mit einer Gleichspannung zu versorgen und gleichzeitig diese Versorgung derart zu takten, dass die Wechselspannungsquelle 20 nicht überlastet wird.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Bypasseinrichtung 9 lediglich einen Schalter 12 oder einen regelbaren Spannungswandler 11 auf.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010105869 [0009]

Claims

Ladegerät (1) für ein Kraftfahrzeug (14) mit einer elektrischen Traktionsbatterie (4), mit einer Versorgungsschnittstelle (2), über welche das Ladegerät (1) mit einer Wechselspannungsquelle (20) koppelbar ist; mit einem ersten Spannungswandler (3) einer ersten Nennleistung, der dazu ausgebildet ist, eine über die Versorgungsschnittstelle (2) empfangene Wechselspannung in eine erste Gleichspannung mit einem ersten Betrag zu wandeln und die erste Gleichspannung zumindest der elektrischen Traktionsbatterie (4) bereitzustellen; mit einem zweiten Spannungswandler (5) einer zweiten Nennleistung, der dazu ausgebildet ist, die über die Versorgungsschnittstelle (2) empfangene Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung mit einem zweiten Betrag zu wandeln und die zweite Gleichspannung ersten elektrischen Verbrauchern (6) bereitzustellen; mit einer Messeinrichtung (7), welche dazu ausgebildet ist, einen elektrischen Leistungsbedarf von den durch den zweiten Spannungswandler (5) versorgten ersten elektrischen Verbrauchern (6) zu erfassen; mit einer Betriebseinrichtung (8), die dazu ausgebildet ist, den ersten Spannungswandler (3) und den zweiten Spannungswandler (5) derart im Wechsel zu betreiben, dass die im zeitlichen Mittel von dem zweiten Spannungswandler (5) abgegebene elektrische Leistung dem erfassten Leistungsbedarf der durch den zweiten Spannungswandler (5) versorgten ersten elektrischen Verbraucher (6) entspricht; und mit einer Bypasseinrichtung (9), die dazu ausgebildet ist, während dem Betrieb des zweiten Spannungswandlers (5) elektrische Leistung von der Versorgungsschnittstelle (2) mindestens einem zweiten Verbraucher (10) bereitzustellen, wobei der Betrag der von der Bypasseinrichtung (9) bereitgestellten elektrischen Leistung der Differenz zwischen einer maximal über die Versorgungsschnittstelle (2) empfangbaren elektrischen Leistung und der zweiten Nennleistung entspricht.
Ladegerät nach Anspruch 1, wobei die erste Gleichspannung einen Betrag von mehr als 50Volt, insbesondere von 60Volt bis 1200Volt, insbesondere auch von 200Volt bis 800Volt oder von 400Volt bis 600Volt aufweist; und/oder wobei die zweite Gleichspannung einen Betrag von weniger als 50Volt, insbesondere von 12 Volt oder 24 Volt für Nutzfahrzeuge, aufweist.
Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei der erste Spannungswandler (3) währende dem Betrieb des zweiten Spannungswandlers (5) als Bypasseinrichtung (9) betreibbar ist, wobei die Ausgangsleistung des ersten Spannungswandlers (3) während dem Betrieb des zweiten Spannungswandlers (5) auf die Differenz zwischen der maximal über die Versorgungsschnittstelle (2) empfangbaren elektrischen Leistung und der zweiten Nennleistung begrenzt ist.
Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bypasseinrichtung (9) einen regelbaren Spannungswandler (11) aufweist, welcher dazu ausgebildet ist, eine regelbare Gleichspannung bereitzustellen.
Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bypasseinrichtung (9) einen Schalter (12) aufweist, welcher dazu ausgebildet ist, die zweiten Verbraucher (10) direkt mit der Wechselstromquelle zu koppeln.
Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bypasseinrichtung (9) eine Steuereinrichtung (13) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die von der Bypasseinrichtung (9) bereitgestellte elektrische Leistung auf die Differenz zwischen der maximal über die Versorgungsschnittstelle (2) empfangbaren elektrischen Leistung und der zweiten Nennleistung zu begrenzen.
Ladegerät nach den Ansprüchen 5 und 6, wobei die Steuereinrichtung (13) dazu ausgebildet ist, den Schalter (12) derart getaktet anzusteuern, dass die von der Bypasseinrichtung (9) bereitgestellte elektrische Leistung auf die Differenz zwischen der maximal über die Versorgungsschnittstelle (2) empfangbaren elektrischen Leistung und der zweiten Nennleistung begrenzt wird.
Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Betriebseinrichtung (8) dazu ausgebildet ist, den ersten Spannungswandler (3) und den zweiten Spannungswandler (5) mit einer vorgegebenen Frequenz im Wechsel zu betreiben, wobei die vorgegebene Frequenz im Bereich bis zu 100kHz, insbesondere zwischen 100Hz und 50kHz, insbesondere auch zwischen 1kHz und 10kHz liegt.
Kraftfahrzeug (14) mit einem Ladegerät (1) nach einem der Ansprüche 1–8; mit einer Traktionsbatterie (4), die mit dem ersten Spannungswandler (3) gekoppelt ist; mit einem elektrischen Antriebsmotor (15), der mit der Traktionsbatterie (4) gekoppelt ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, mit einem PTC-Heizelement (10) und/oder einem Klimakompressor (10), welche mit der Bypasseinrichtung (9) gekoppelt sind und durch die Bypasseinrichtung (9) mit elektrischer Energie versorgt werden.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 9 und 10, mit mindestens einer Niedervolt-Fahrzeugbatterie (16), die mit dem zweiten Spannungswandler (5) gekoppelt ist; und mit mindestens einem ersten elektrischen Verbraucher (6), der mit der Niedervolt-Fahrzeugbatterie gekoppelt (16) ist.
Verfahren zum Laden einer elektrischen Traktionsbatterie (4) in einem Kraftfahrzeug (14), mit den Schritten: Wandeln (S1) einer empfangenen Wechselspannung in eine erste Gleichspannung mit einem ersten Betrag; Bereitstellen (S2) der ersten Gleichspannung für die zumindest eine elektrische Traktionsbatterie (4); Wandeln (S3) der empfangenen Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung mit einem zweiten Betrag; Erfassen (S4) eines elektrischen Leistungsbedarfs erster elektrischer Verbraucher (6); Bereitstellen (S5) der zweiten Gleichspannung für die ersten elektrischen Verbraucher (6), wobei die erste Gleichspannung und die zweite Gleichspannung derart bereitgestellt werden, dass die im zeitlichen Mittel mittels der zweiten Gleichspannung abgegebene elektrische Leistung dem erfassten Leistungsbedarf der ersten elektrischen Verbraucher (6) entspricht; und Bereitstellen (S6) elektrischer Leistung für mindestens einen zweiten Verbraucher (10), wobei der Betrag der bereitgestellten elektrischen Leistung der Differenz zwischen einer maximal mittels der empfangenen Wechselspannung empfangbaren elektrischen Leistung und der zweiten Nennleistung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die elektrische Leistung für mindestens einen der zweiten Verbraucher (10) als Wechselspannung ausgegeben wird; oder wobei die elektrische Leistung für mindestens einen der zweiten Verbraucher (10) als Gleichspannung ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 und 13, wobei die für mindestens einen der zweiten Verbraucher (10) bereitgestellte elektrische Leistung auf die Differenz zwischen der maximal mittels der empfangenen Wechselspannung empfangbaren elektrischen Leistung und der zweiten Nennleistung begrenzt wird.