DE102016015316A1 - On-board DC charging device for a vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine On-Board-Gleichspannungsladevorrichtung (8) für ein Fahrzeug (1). Erfindungsgemäß sind zwischen einem ladedosenseitigen Eingang (E) und einem batterieseitigen Ausgang (A) zwei parallele elektrische Verbindungszweige (Z1, Z2) vorgesehen, wobei der eine Verbindungszweig (Z1) eine direkte elektrische Verbindung zwischen einer Ladedose (5) des Fahrzeugs (1) und einer Batterie (3) des Fahrzeugs (1) ermöglicht und in dem anderen Verbindungszweig (Z2) ein Gleichspannungswandler (7) angeordnet ist und wobei eine Schalteinheit (9) zum Schließen des einen Verbindungszweigs (Z1) oder des anderen Verbindungszweigs (Z2) vorgesehen ist.The invention relates to an on-board DC charging device (8) for a vehicle (1). According to the invention, two parallel electrical connection branches (Z1, Z2) are provided between a charge-side input (E) and a battery-side output (A), the one connection branch (Z1) providing a direct electrical connection between a charging socket (5) of the vehicle (1) and a battery (3) of the vehicle (1) and in the other connection branch (Z2) a DC-DC converter (7) is arranged and wherein a switching unit (9) for closing the one connection branch (Z1) or the other connection branch (Z2) is provided ,

Description

Die Erfindung betrifft eine On-Board-Gleichspannungsladevorrichtung für ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to an on-board DC charging device for a vehicle according to the features of the preamble of claim 1.

Aus dem Stand der Technik sind Fahrzeuge mit mindestens einem elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb des Fahrzeugs und einer Batterie, auch als Traktionsbatterie bezeichnet, zur Bereitstellung elektrischer Energie für diesen Antriebsmotor bekannt. Ist ein Laden der Batterie mittels einer fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, beispielsweise einer Ladestation, vorgesehen, so weisen diese Fahrzeuge eine On-Board-Gleichspannungsladevorrichtung zum Laden der Batterie an der fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle auf.Vehicles with at least one electric drive motor for driving the vehicle and a battery, also referred to as a traction battery, for providing electrical energy for this drive motor are known from the prior art. If charging of the battery is provided by means of an external electric power source, for example a charging station, these vehicles have an on-board DC charging device for charging the battery to the vehicle-external electric power source.

Des Weiteren wird in der DE 10 2010 041 253 A1 eine DC-Ladestation für eine Batterie eines Elektrofahrzeugs beschrieben. Die DC-Ladestation weist einen AC-DC-Umrichter als DC-Spannungsquelle auf, an deren Ausgang eine regelbare DC-Spannung zur Verfügung gestellt werden kann, mit deren Hilfe die Batterie aufladbar ist. Zwischen den Ausgang des Umrichters und den Ausgangsanschluss der DC-Ladestation ist eine Spannungsabgleichseinheit geschaltet, die einen steuerbaren Schalter aufweist, mit dem die Verbindung zwischen Spannungsquelle und Batterie wahlweise hergestellt oder unterbrochen werden kann. Der Schalter wird in Abhängigkeit von der eingangs- und ausgangsseitigen Spannung der Spannungsabgleichseinheit dahingehend gesteuert, dass er die Verbindung unterbricht, bevor und während die Batterie an den DC-Ausgangsanschluss angeschlossen wird, und eine Verbindung erst dann herstellt, wenn die eingangsseitige Spannung der Spannungsabgleichseinheit im Wesentlichen der ausgangsseitigen Spannung der Spannungsabgleichseinheit entspricht.Furthermore, in the DE 10 2010 041 253 A1 a DC charging station for a battery of an electric vehicle described. The DC charging station has an AC-DC converter as a DC voltage source, at the output of which a controllable DC voltage can be made available with the aid of which the battery can be recharged. Between the output of the inverter and the output terminal of the DC charging station, a voltage adjustment unit is connected, which has a controllable switch, with which the connection between the voltage source and the battery can be selectively established or interrupted. The switch is controlled in response to the input and output side voltage of the voltage balancing unit to break the connection before and while the battery is connected to the DC output terminal, and makes a connection only when the input side voltage of the voltage balancing unit in Substantially corresponds to the output voltage of the voltage adjustment unit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte On-Board-Gleichspannungsladevorrichtung für ein Fahrzeug anzugeben.The invention is based on the object of specifying an improved over the prior art on-board DC charging device for a vehicle.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine On-Board-Gleichspannungsladevorrichtung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved by an on-board DC charging device for a vehicle with the features of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Bei einer erfindungsgemäßen On-Board-Gleichspannungsladevorrichtung für ein Fahrzeug, d. h. bei einer im Fahrzeug angeordneten oder anordbaren elektrischen Ladevorrichtung zum Gleichspannungsladen an einer eine elektrische Gleichspannung zur Verfügung stellenden fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, beispielsweise an einer Ladestation, sind zwischen einem ladedosenseitigen Eingang und einem batterieseitigen Ausgang zwei parallele elektrische Verbindungszweige vorgesehen, wobei der eine Verbindungszweig eine direkte elektrische Verbindung zwischen einer Ladedose des Fahrzeugs und einer Batterie des Fahrzeugs ermöglicht und in dem anderen Verbindungszweig ein Gleichspannungswandler angeordnet ist und wobei eine Schalteinheit zum Schließen des einen Verbindungszweigs oder des anderen Verbindungszweigs vorgesehen ist.In an on-board DC charging device for a vehicle according to the present invention, i. H. in an arranged in the vehicle or can be arranged electric charging device for direct current charging on a DC electric power available external vehicle electrical energy source, for example, at a charging station, two parallel electrical connection branches are provided between a load-side input and a battery-side output, wherein a connecting branch is a direct electrical Connection between a charging socket of the vehicle and a battery of the vehicle allows and in the other connection branch a DC-DC converter is arranged and wherein a switching unit is provided for closing the one connection branch or the other connection branch.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, die Batterie des Fahrzeugs sowohl an Ladestationen zu laden, deren elektrische Spannung, d. h. deren Ladespannung, der elektrischen Spannung der Batterie entspricht, insbesondere über 400 V, beispielsweise 800 V, als auch an Ladestationen zu laden, deren elektrische Spannung, d. h. deren Ladespannung, von der elektrischen Spannung der Batterie abweicht, beispielsweise kleiner ist als die elektrische Spannung der Batterie, und zum Beispiel 400 V beträgt. Dadurch wird es des Weiteren ermöglicht, im Fahrzeug Batterien mit einem hohen elektrischen Spannungsniveau zu verwenden, für welche keine zugehörige Ladeinfrastruktur mit gleichem Spannungsniveau vorhanden ist, da derartige Batterien mittels der erfindungsgemäßen Lösung auch an bereits vorhandenen Ladestationen mit geringerem Spannungsniveau geladen werden können.The solution according to the invention makes it possible to charge the battery of the vehicle both at charging stations whose electrical voltage, d. H. their charging voltage corresponding to the electrical voltage of the battery, in particular over 400 V, for example, 800 V, as well as to load charging stations, the electrical voltage, d. H. whose charging voltage differs from the electrical voltage of the battery, for example, is smaller than the voltage of the battery, and for example, 400 volts. This also makes it possible to use in the vehicle batteries with a high electrical voltage level, for which there is no associated charging infrastructure with the same voltage level, since such batteries can be loaded by means of the inventive solution to existing charging stations with a lower voltage level.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht das direkte Laden der Batterie an einer Ladestation mit gleichem Spannungsniveau ohne eine aufwändige Umschaltmatrix, da hier eine direkte elektrische Verbindung über den einen elektrischen Verbindungszweig ermöglicht wird, welcher keinen Gleichspannungswandler aufweist. Des Weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung, wie bereits beschrieben, das Laden der Batterie an Ladestationen mit einem abweichenden Spannungsniveau über den anderen elektrischen Verbindungszweig mit dem Gleichspannungswandler.The solution according to the invention makes it possible to directly charge the battery at a charging station with the same voltage level without a complex switching matrix since a direct electrical connection is made possible here via the one electrical connection branch which has no DC-DC converter. Furthermore, as already described, the solution according to the invention makes it possible to charge the battery at charging stations with a different voltage level via the other electrical connection branch to the DC-DC converter.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Ausführungsform eines elektrischen Systems, 1 a schematic representation of a vehicle with an embodiment of an electrical system,

2 eine schematische Darstellung einer elektrischen Verschaltung in einer Batterie des elektrischen Systems gemäß 1 zum Laden der Batterie mit einer hohen Spannung, 2 a schematic representation of an electrical interconnection in a battery of the electrical system according to 1 for charging the battery with a high voltage,

3 eine schematische Darstellung einer elektrischen Verschaltung in einer Batterie des elektrischen Systems gemäß 1 zum Laden der Batterie mit einer geringen Spannung, 3 a schematic representation of an electrical interconnection in a battery of the electrical system according to 1 for charging the battery with a low voltage,

4 eine schematische Darstellung einer elektrischen Verschaltung in einer Batterie des elektrischen Systems gemäß 1 für einen elektrischen Fahrbetrieb des Fahrzeugs, und 4 a schematic representation of an electrical interconnection in a battery of the electrical system according to 1 for an electric driving operation of the vehicle, and

5 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer weiteren Ausführungsform eines elektrischen Systems. 5 a schematic representation of a vehicle with another embodiment of an electrical system.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt eine schematisch stark vereinfachte Darstellung eines Fahrzeugs 1 mit einer Ausführungsform eines elektrischen Systems 2, welches insbesondere einen elektrischen Fahrbetrieb des Fahrzeugs 1 ermöglicht. Das Fahrzeug 1 ist somit beispielsweise als ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet. Es weist eine Batterie 3, insbesondere eine Hochvoltbatterie, d. h. einen elektrochemischen Energiespeicher, zur Bereitstellung elektrischer Energie für zumindest einen elektrischen Antriebsmotor 4 zum Antrieb des Fahrzeugs 1 auf. Eine solche Batterie 3 wird auch als Traktionsbatterie bezeichnet. Der elektrische Antriebsmotor 4 ist in 1 nicht dargestellt, jedoch in 5, welche ein Fahrzeug 1 mit einer im späteren Verlauf beschriebenen weiteren Ausführungsform des elektrischen Systems 2 zeigt. 1 shows a schematically simplified view of a vehicle 1 with an embodiment of an electrical system 2 , which in particular an electric driving operation of the vehicle 1 allows. The vehicle 1 is thus designed, for example, as an electric vehicle, a hybrid vehicle or a fuel cell vehicle. It has a battery 3 , in particular a high-voltage battery, ie an electrochemical energy store, for providing electrical energy for at least one electric drive motor 4 to drive the vehicle 1 on. Such a battery 3 is also referred to as a traction battery. The electric drive motor 4 is in 1 not shown, but in 5 which a vehicle 1 with a further embodiment of the electrical system described later 2 shows.

Zum elektrischen Laden der Batterie 3 mit einer elektrischen Gleichspannung als Ladespannung an einer nicht dargestellten fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, beispielsweise einer Ladestation, weist das Fahrzeug 1 eine Ladedose 5 auf, über welche das elektrische System 2 mit der fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle elektrisch koppelbar ist. Aus Sicherheitsgründen sind hier zwei Schalter S1, insbesondere elektrische Schütze, vorgesehen, im Folgenden als Ladeschütze S1 bezeichnet. Das elektrische System 2 gemäß 1 ermöglicht es, die Batterie 3 wahlweise mit einer hohen Ladespannung von beispielsweise 800 V zu laden, welche einer Batteriespannung entspricht, oder mit einer niedrigen Ladespannung zu laden, welche der Hälfte der Batteriespannung entspricht, also beispielsweise 400 V. Dies wird ermöglicht durch die Ausbildung der Batterie 3 aus zwei Batterieteilen 3.1, 3.2, auch als Batteriestränge bezeichnet, welche in unterschiedlicher Weise elektrisch miteinander verschaltet werden können.For electrical charging of the battery 3 with an electrical DC voltage as a charging voltage to a vehicle external electrical energy source, such as a charging station, not shown, the vehicle 1 a charging socket 5 on, about which the electrical system 2 is electrically coupled with the vehicle external electrical energy source. For safety reasons, two switches S1, in particular electric contactors, are provided here, hereinafter referred to as charging contactors S1. The electrical system 2 according to 1 allows the battery 3 optionally to charge with a high charging voltage of, for example, 800 V, which corresponds to a battery voltage, or to charge with a low charging voltage, which corresponds to half the battery voltage, so for example 400 V. This is made possible by the formation of the battery 3 from two battery parts 03.01 . 3.2 , Also referred to as battery strings, which can be electrically interconnected in different ways.

2 zeigt eine elektrische Verschaltung in der Batterie 3 zum Laden der Batterie 3 mit der hohen Ladespannung, beispielsweise mit 800 V. 3 zeigt eine elektrische Verschaltung in der Batterie 3 zum Laden der Batterie 3 mit der niedrigen Ladespannung, beispielsweise mit 400 V. 4 zeigt eine elektrische Verschaltung in der Batterie 3 für einen elektrischen Fahrbetrieb des Fahrzeugs 1, d. h. für eine elektrische Energieversorgung des zumindest einen elektrischen Antriebsmotors 4 des Fahrzeugs 1, mit einer niedrigen elektrischen Gleichspannung von beispielsweise 400 V, da ein Hochvoltbordnetz 6 des Fahrzeugs 1, welches den zumindest einen elektrischen Antriebsmotor 4 umfasst, auf diese niedrige elektrische Gleichspannung als Bordnetzspannung ausgelegt ist. 2 shows an electrical connection in the battery 3 to charge the battery 3 with the high charging voltage, for example with 800 V. 3 shows an electrical connection in the battery 3 to charge the battery 3 with the low charging voltage, for example with 400 V. 4 shows an electrical connection in the battery 3 for an electric driving operation of the vehicle 1 , ie for an electrical power supply of the at least one electric drive motor 4 of the vehicle 1 , with a low electrical DC voltage of 400 V, for example, as a high-voltage vehicle electrical system 6 of the vehicle 1 , which the at least one electric drive motor 4 includes, is designed for this low electrical DC voltage as the vehicle electrical system voltage.

Um diese drei Betriebsarten gemäß den 2 bis 4 zu ermöglichen, umfasst die Batterie 3 eine umfangreiche Schaltmatrix, auch als Umschaltmatrix bezeichnet, mit sieben batterieinternen Schaltern BS1 bis BS7, im Folgenden als Batterieschalter BS1 bis BS7 bezeichnet. Diese Batterieschalter BS1 bis BS7 sind zweckmäßigerweise jeweils als ein elektrischer Schütz ausgebildet. Die Schaltmatrix oder Umschaltmatrix wird daher auch als Schützmatrix bezeichnet.To these three modes according to the 2 to 4 to allow, includes the battery 3 an extensive switching matrix, also referred to as switching matrix, with seven internal battery switches BS1 to BS7, hereinafter referred to as battery switch BS1 to BS7. These battery switches BS1 to BS7 are expediently designed in each case as an electrical contactor. The switching matrix or switching matrix is therefore also referred to as a contactor matrix.

Zum Laden der Batterie 3 mit der hohen Ladespannung von beispielsweise 800 V, welche der Batteriespannung entspricht, werden diese Batterieschalter BS1 bis BS7 derart geschaltet, dass die beiden Batterieteile 3.1, 3.2 elektrisch in Reihe geschaltet mit der Ladedose 5 gekoppelt sind, wie in 2 gezeigt, so dass an beiden Batterieteilen 3.1, 3.2 die Hälfte der hohen Ladespannung abfällt. Hierzu werden bei der dargestellten Ausführungsform der erste, dritte, vierte und sechste Batterieschalter BS1, BS3, BS4, BS6 geöffnet und der zweite, fünfte und siebte Batterieschalter BS2, BS5, BS7 geschlossen.To charge the battery 3 with the high charging voltage of, for example, 800 V, which corresponds to the battery voltage, these battery switches BS1 to BS7 are switched such that the two battery parts 03.01 . 3.2 electrically connected in series with the charging socket 5 are coupled, as in 2 shown so on both battery parts 03.01 . 3.2 Half of the high charging voltage drops. For this purpose, in the illustrated embodiment, the first, third, fourth and sixth battery switches BS1, BS3, BS4, BS6 are opened and the second, fifth and seventh battery switches BS2, BS5, BS7 are closed.

Zum Laden der Batterie 3 mit der niedrigen Ladespannung, die der Hälfte der Batteriespannung entspricht, werden diese Batterieschalter BS1 bis BS7 derart geschaltet, dass die beiden Batterieteile 3.1, 3.2 elektrisch parallel geschaltet mit der Ladedose 5 gekoppelt sind, wie in 3 gezeigt, so dass an beiden Batterieteilen 3.1, 3.2 die niedrige Ladespannung abfällt. Hierzu wird bei der dargestellten Ausführungsform lediglich der fünfte Batterieschalter BS5 geöffnet und der erste, zweite, dritte, vierte, sechste und siebte Batterieschalter BS1, BS2, BS3, BS4, BS6, BS7 werden geschlossen.To charge the battery 3 with the low charging voltage equal to half the battery voltage, these battery switches BS1 to BS7 are switched so that the two battery parts 03.01 . 3.2 electrically connected in parallel with the charging socket 5 are coupled, as in 3 shown so on both battery parts 03.01 . 3.2 the low charging voltage drops. For this purpose, in the illustrated embodiment, only the fifth battery switch BS5 is opened and the first, second, third, fourth, sixth and seventh battery switches BS1, BS2, BS3, BS4, BS6, BS7 are closed.

Für den elektrischen Fahrbetrieb des Fahrzeugs 1 benötigt das Hochvoltbordnetz 6 des Fahrzeugs 1, wie bereits erwähnt, als Bordnetzspannung die niedrige elektrische Gleichspannung von beispielsweise 400 V. Hierfür werden die Batterieschalter BS1 bis BS7 derart geschaltet, dass die beiden Batterieteile 3.1, 3.2, elektrisch parallel geschaltet mit dem Hochvoltbordnetz 6 des Fahrzeugs 1 gekoppelt sind, wie in 4 gezeigt. Hierzu werden bei der dargestellten Ausführungsform der erste, zweite, dritte, vierte und sechste Batterieschalter BS1, BS2, BS3, BS4, BS6 geschlossen und der fünfte und siebte Batterieschalter BS5, BS7 werden geöffnet.For the electric driving of the vehicle 1 requires the high-voltage on-board electrical system 6 of the vehicle 1 , as already mentioned, as the vehicle electrical system voltage, the low electrical DC voltage of, for example, 400 V. For this purpose, the battery switches BS1 to BS7 are switched such that the two battery parts 03.01 . 3.2 , electrically connected in parallel with the high-voltage vehicle electrical system 6 of the vehicle 1 are coupled, as in 4 shown. For this purpose are at In the illustrated embodiment, the first, second, third, fourth and sixth battery switches BS1, BS2, BS3, BS4, BS6 are closed and the fifth and seventh battery switches BS5, BS7 are opened.

Um auch während des Ladens der Batterie 3 mit der hohen Ladespannung das Hochvoltbordnetz 6 des Fahrzeugs 1 mit elektrischer Energie versorgen zu können, weist das elektrische System 2 zudem einen Gleichspannungswandler 7 auf, welcher mit der Ladedose 5 verbunden ist und zur Batterie 3 elektrisch parallel geschaltet ist. Dieser Gleichspannungswandler 7, auch als DC-DC-Wandler bezeichnet, transformiert die hohe Ladespannung von beispielsweise 800 V auf die niedrige Bordnetzspannung von beispielsweise 400 V herunter.To even while charging the battery 3 with the high charging voltage, the high-voltage on-board electrical system 6 of the vehicle 1 to be able to supply with electrical energy, has the electrical system 2 also a DC-DC converter 7 on which with the charging socket 5 is connected and to the battery 3 electrically connected in parallel. This DC-DC converter 7 , also referred to as a DC-DC converter, transforms the high charging voltage of, for example, 800 V down to the low vehicle electrical system voltage of, for example, 400 V.

Das elektrische System 2 des Fahrzeugs 1 gemäß 1 mit seinen unterschiedlichen Verschaltungsmöglichkeiten gemäß den 2 bis 4 ermöglicht das Laden der Batterie 3 mit einer hohen Ladespannung von beispielsweise 800 V, wodurch gegenüber dem Laden mit der bisher üblichen niedrigen Ladespannung von beispielsweise 400 V eine erhöhte Ladeleistung und dadurch eine geringere Ladezeit erreicht wird. Das Laden der Batterie 3 mit der niedrigen Ladespannung bleibt jedoch weiterhin möglich. Um dies zu ermöglichen, sind keine Änderungen an Komponenten des Hochvoltbordnetzes 6 erforderlich. Es sind jedoch Änderungen an zum Laden der Batterie 3 erforderlichen Komponenten erforderlich. Insbesondere ist die umfangreiche Schützmatrix erforderlich, um die Batterieteile 3.1, 3.2, d. h. die Stränge der Batterie 3, in Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebsart zu schalten. Als elektrische Voraussetzungen sind zudem eine Potentialtrennung zwischen der hohen Ladespannung von beispielsweise 800 V und der niedrigen Bordnetzspannung von beispielsweise 400 V und somit eine entsprechende Isolationskoordination sowie als Zusatzkomponente der potentialgetrennte Gleichspannungswandler 7 erforderlich, welcher beispielsweise auf eine Leistung von 15 kW ausgelegt ist.The electrical system 2 of the vehicle 1 according to 1 with its different interconnection options according to the 2 to 4 allows charging the battery 3 with a high charging voltage of, for example, 800 V, which compared to the store with the usual low charging voltage of, for example, 400 V, an increased charging power and thus a lower charging time is achieved. Charging the battery 3 however, with the low charging voltage remains possible. To make this possible, there are no changes to components of the high-voltage vehicle electrical system 6 required. However, there are changes to charge the battery 3 required components required. In particular, the extensive contactor matrix is required to keep the battery parts 03.01 . 3.2 ie the strands of the battery 3 to switch depending on the respective operating mode. As electrical requirements are also a potential separation between the high charging voltage of, for example, 800 V and the low vehicle electrical system voltage of, for example, 400 V and thus a corresponding insulation coordination and as an additional component of the isolated DC-DC converter 7 required, which is designed for example to a power of 15 kW.

5 zeigt eine schematisch stark vereinfachte Darstellung eines Fahrzeugs 1 mit einer weiteren Ausführungsform eines solchen elektrischen Systems 2, welches insbesondere den elektrischen Fahrbetrieb des Fahrzeugs 1 ermöglicht. Das in 5 dargestellte elektrische System 2 weist gegenüber dem in den 1 bis 4 dargestellten und oben beschriebenen elektrischen System 2 erhebliche Vorteile auf, wie im Folgenden erläutert wird. Das Fahrzeug 1 ist hier ebenfalls beispielsweise als ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet. 5 shows a schematically simplified view of a vehicle 1 with a further embodiment of such an electrical system 2 which in particular the electrical driving operation of the vehicle 1 allows. This in 5 illustrated electrical system 2 points opposite to in the 1 to 4 illustrated and described above electrical system 2 considerable advantages, as explained below. The vehicle 1 is here also, for example, as an electric vehicle, a hybrid vehicle or a fuel cell vehicle formed.

Zur Bereitstellung elektrischer Energie für zumindest einen elektrischen Antriebsmotor 4 zum Antrieb des Fahrzeugs 1 weist es ebenfalls eine Batterie 3, insbesondere eine Hochvoltbatterie, d. h. einen elektrochemischen Energiespeicher, auf, auch als Traktionsbatterie bezeichnet. Diese Batterie 3 ist jedoch gegenüber den in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform wesentlich einfacher ausgebildet, da die umfangreiche Schaltmatrix bzw. Schützmatrix mit vielen in oder an der Batterie 3 verbauten mechanischen Bauteilen und der oben beschriebene komplexe Betrieb der Batterie 3 in den verschiedenen Betriebsarten, wofür die Batterie 3 zudem einen elektrischen Mittelabgriff aufweisen muss, nicht erforderlich ist. Dadurch werden eine signifikante Kostenreduktion und Komplexitätsreduktion erreicht. Dennoch ermöglicht auch diese Ausführungsform des elektrischen Systems 2 das Laden des Fahrzeugs 1 sowohl mit einer hohen Ladespannung, welche der Batteriespannung entspricht, insbesondere mehr als 400 V, beispielsweise 800 V, als auch mit einer davon abweichenden, insbesondere geringeren, Ladespannung von beispielsweise 400 V.To provide electrical energy for at least one electric drive motor 4 to drive the vehicle 1 it also has a battery 3 , in particular a high-voltage battery, that is to say an electrochemical energy store, also referred to as traction battery. This battery 3 is however opposite to in the 1 to 4 illustrated embodiment much simpler, since the extensive switching matrix or contactor matrix with many in or on the battery 3 built mechanical components and the complex operation of the battery described above 3 in different modes, what the battery is for 3 must also have an electrical center tap, is not required. This achieves a significant cost reduction and complexity reduction. Nevertheless, this embodiment of the electrical system also allows 2 loading the vehicle 1 both with a high charging voltage which corresponds to the battery voltage, in particular more than 400 V, for example 800 V, as well as with a deviating, in particular lower, charging voltage of, for example, 400 V.

Um dies zu ermöglichen, ist eine On-Board-Gleichspannungsladevorrichtung 8 für das Fahrzeug 1 vorgesehen, d. h. eine im Fahrzeug 1 angeordnete elektrische Ladevorrichtung zum Gleichspannungsladen an einer eine elektrische Gleichspannung zur Verfügung stellenden fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, beispielsweise an einer Ladestation, wozu auch diese Ausführungsform des Fahrzeugs 1 die Ladedose 5 zur elektrischen Kopplung mit der fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle aufweist.To make this possible is an on-board DC charging device 8th for the vehicle 1 provided, ie one in the vehicle 1 arranged electric charging device for direct current charging at a electric DC voltage-providing external vehicle electrical energy source, for example at a charging station, including this embodiment of the vehicle 1 the charging socket 5 For electrical coupling with the vehicle external electrical power source.

Bei dieser On-Board-Gleichspannungsladevorrichtung 8 sind zwischen einem ladedosenseitigen Eingang E und einem batterieseitigen Ausgang A zwei parallele elektrische Verbindungszweige Z1, Z2 vorgesehen. Der erste Verbindungszweig Z1 ermöglicht eine direkte elektrische Verbindung zwischen der Ladedose 5 des Fahrzeugs 1 und der Batterie 3 des Fahrzeugs 1. In dem zweiten Verbindungszweig Z2, welcher einen Bypass zum ersten Verbindungszeig Z1 bildet, ist ein Gleichspannungswandler 7 angeordnet, d. h. auch hier ist, ebenso wie bei der oben in den 1 bis 4 beschriebenen anderen Ausführungsform, ein Gleichspannungswandler 7 vorgesehen, welcher hier jedoch eine andere Aufgabe übernimmt, wie im Folgenden noch beschrieben wird.In this on-board DC charging device 8th are provided between a load-side input E and a battery-side output A two parallel electrical connection branches Z1, Z2. The first connection branch Z1 allows a direct electrical connection between the charging socket 5 of the vehicle 1 and the battery 3 of the vehicle 1 , In the second connection branch Z2, which forms a bypass to the first connection pointer Z1, is a DC-DC converter 7 arranged, that is also here, as well as in the above in the 1 to 4 described another embodiment, a DC-DC converter 7 provided, which, however, assumes another task here, as will be described below.

Des Weiteren ist eine Schalteinheit 9 zum Umschalten zwischen den Verbindungszweigen Z1, Z2 und somit zum Schließen des ersten Verbindungszweigs Z1 oder des zweiten Verbindungszweigs Z2 vorgesehen, d. h. zum elektrischen Verbinden des ersten Verbindungszweigs Z1 oder des zweiten Verbindungszweigs Z2 mit dem ladedosenseitigen Eingang E und damit mit der Ladedose 5 des Fahrzeugs 1. Vorteilhafterweise umfasst diese Schalteinheit 9 mindestens einen Schalter S1, s2 in jedem der beiden Verbindungszweige Z1, Z2, wobei diese Schalter S1, S2 zweckmäßigerweise jeweils als ein elektrischer Schütz ausgebildet sind. Im hier dargestellten Beispiel sind im ersten Verbindungszweig Z1 als Schalter S1 die oben bereits beschriebenen Ladeschütze S1 und im zweiten Verbindungszweig Z2 die weiteren Schalter S2, im Folgenden als weitere Ladeschütze S2 bezeichnet, vorhanden.Furthermore, a switching unit 9 for switching between the connection branches Z1, Z2 and thus for closing the first connection branch Z1 or the second connection branch Z2 provided, ie for electrically connecting the first connection branch Z1 or the second connection branch Z2 with the load side inlet E and thus with the charging socket 5 of the vehicle 1 , Advantageously, this switching unit comprises 9 at least one switch S1, s2 in each of the two connection branches Z1, Z2, these switches S1, S2 are expediently designed in each case as an electrical contactor. In the example shown here, in the first connection branch Z1 as switch S1, the charging contactors S1 already described above and in the second connecting branch Z2 the further switches S2, hereinafter referred to as further charging contactors S2, are present.

Diese Lösung ermöglicht es somit, die Batterie 3 des Fahrzeugs 1 sowohl an fahrzeugexternen Energiequellen, insbesondere Ladestationen, zu laden, deren Ladespannung der Batteriespannung von beispielsweise 800 V entspricht, als auch an fahrzeugexternen Energiequellen, insbesondere Ladestationen, zu laden, deren Ladespannung von der Batteriespannung abweicht, beispielsweise kleiner ist als die Batteriespannung, zum Beispiel lediglich 400 V, oder beispielsweise größer ist als die Batteriespannung. Dadurch wird es des Weiteren ermöglicht, im Fahrzeug 1 Batterien 3 mit einem hohen elektrischen Spannungsniveau von beispielsweise 800 V zu verwenden, für welche keine zugehörige Ladeinfrastruktur mit gleichem Spannungsniveau vorhanden ist, da derartige Batterien 3 mittels dieser Lösung auch an bereits vorhandenen Ladestationen mit geringerem Spannungsniveau geladen werden können.This solution thus allows the battery 3 of the vehicle 1 to charge both external to the vehicle energy sources, in particular charging stations, the charging voltage of the battery voltage of, for example, 800 V, as well as to external vehicle energy sources, in particular charging stations to load, the charging voltage of the battery voltage deviates, for example, less than the battery voltage, for example only 400 V, or for example greater than the battery voltage. This also makes it possible in the vehicle 1 batteries 3 to use with a high electrical voltage level of, for example, 800 V, for which there is no associated charging infrastructure with the same voltage level, since such batteries 3 by means of this solution can also be loaded on existing charging stations with a lower voltage level.

Die beschriebene und in 5 beispielhaft schematisch dargestellte Lösung ermöglicht das direkte Laden der Batterie 3 an einer fahrzeugexternen Energiequelle, insbesondere Ladestation, mit gleichem Spannungsniveau, beispielsweise mit einer Ladespannung von 800 V, ohne eine aufwändige Umschaltmatrix, da hier eine direkte elektrische Verbindung über den ersten elektrischen Verbindungszweig Z1 ermöglicht wird. Des Weiteren ermöglicht diese Lösung, wie bereits beschrieben, das Laden der Batterie 3 an fahrzeugexternen Energiequellen, insbesondere Ladestationen, mit einem abweichenden Spannungsniveau, beispielsweise mit einer niedrigeren Ladespannung von zum Beispiel 400 V oder mit einer höheren Ladespannung, über den zweiten elektrischen Verbindungszweig Z2 mit dem Gleichspannungswandler 7, wobei dann die Ladespannung mittels des Gleichspannungswandlers 7 auf die Batteriespannung transformiert wird, d. h. bei einer niedrigeren Ladespannung entsprechend hochtransformiert wird und bei einer höheren Ladespannung entsprechend heruntertransformiert wird, denn der Gleichspannungswandler 7 ist zum Transformieren, d. h. zum Hochtransformieren bzw. Heruntertransformieren, einer der Ladespannung der Ladestation auf die davon abweichende, d. h. höhere, bzw. niedrigere, elektrische Batteriespannung der Batterie 3 des Fahrzeugs 1 vorgesehen.The described and in 5 exemplified schematically solution allows the direct charging of the battery 3 at a vehicle external power source, in particular charging station, with the same voltage level, for example with a charging voltage of 800 V, without a complex switching matrix, since a direct electrical connection via the first electrical connection branch Z1 is made possible here. Furthermore, this solution, as already described, allows the charging of the battery 3 at external power sources, in particular charging stations, with a different voltage level, for example with a lower charging voltage of, for example, 400 V or with a higher charging voltage, via the second electrical connection branch Z2 with the DC-DC converter 7 , in which case the charging voltage by means of the DC-DC converter 7 is transformed to the battery voltage, that is correspondingly highly transformed at a lower charging voltage and is transformed down accordingly at a higher charging voltage, because the DC-DC converter 7 is for transforming, ie up-transforming or stepping down, one of the charging voltage of the charging station on the deviating, ie higher, or lower, battery electric battery voltage 3 of the vehicle 1 intended.

Die beschriebene Lösung ermöglicht somit das Laden der Batterie 3 mit einer der Batteriespannung von beispielsweise 800 V entsprechenden Ladespannung an einer entsprechenden Ladestation ohne die aufwändige Schaltmatrix über die direkte Verbindung des ersten Verbindungszweiges Z1 und dessen geschlossene Ladeschütze S1. Solche Ladeschütze S1 sind in jeder Variante aus Sicherheitsgründen erforderlich. Ebenso ermöglicht die beschriebene Lösung das Laden der Batterie 3 mit einer von der Batteriespannung abweichenden Ladespannung von beispielsweise 400 V an einer entsprechenden Ladestation über den parallelen zweiten Verbindungszweig Z2, in welchem der Gleichspannungswandler 7 angeordnet ist. Hierfür sind lediglich zusätzlich die beiden weiteren Ladeschütze S2 erforderlich.The described solution thus enables the charging of the battery 3 with a charging voltage corresponding to the battery voltage of, for example, 800 V at a corresponding charging station without the complex switching matrix via the direct connection of the first connecting branch Z1 and its closed charging contactors S1. Such loaders S1 are required in every variant for safety reasons. Likewise, the solution described allows the battery to be charged 3 with a charging voltage of, for example, 400 V, deviating from the battery voltage, at a corresponding charging station via the parallel second connecting branch Z 2, in which the DC-DC converter 7 is arranged. For this purpose, only two additional charging contactors S2 are required.

In einer möglichen Ausführungsform wird der Gleichspannungswandler 7, wie in 5 gezeigt, zudem zur Wandlung der von der Batterie 3 bereitgestellten Batteriespannung auf eine davon abweichende, insbesondere niedrigere, Spannung für elektrische Nebenverbraucher 10 des Fahrzeugs 1 verwendet. Es ist bereits bekannt, solche Gleichspannungswandler 7 für derartige Zwecke zu verwenden, so dass ein solcher Gleichspannungswandler 7 zur elektrischen Energieversorgung von elektrischen Nebenverbrauchern 10, welcher ohnehin im Fahrzeug 1 vorgesehen ist, zusätzlich für das Laden der Batterie 3 verwendet werden kann. Dadurch ist kein zusätzlicher Gleichspannungswandler erforderlich und der Zusatzaufwand der beschriebenen Lösung beschränkt sich auf die beiden weiteren Ladeschütze S2 im parallelen zweiten Verbindungszweig Z2 mit dem Gleichspannungswandler 7, d. h. im Bypass zum ersten Verbindungszweig Z1.In one possible embodiment, the DC-DC converter 7 , as in 5 shown, in addition to the conversion of the battery 3 provided battery voltage to a deviating, in particular lower, voltage for electrical auxiliary consumers 10 of the vehicle 1 used. It is already known, such DC-DC converter 7 to use for such purposes, so that such a DC-DC converter 7 for the electrical power supply of auxiliary electrical consumers 10 , which anyway in the vehicle 1 is provided, in addition to charging the battery 3 can be used. As a result, no additional DC-DC converter is required and the additional cost of the solution described is limited to the two other charging contactors S2 in the parallel second connection branch Z2 with the DC-DC converter 7 , ie in the bypass to the first connection branch Z1.

In einer hier nicht dargestellten weiteren Ausführungsform wird für das Laden der Batterie 3 mit der von der Batteriespannung abweichenden Ladespannung ein separater Gleichspannungswandler verwendet, d. h. ein zusätzlicher Gleichspannungswandler, zusätzlich zum für die elektrische Energieversorgung der elektrischen Nebenverbraucher 10 erforderlichen Gleichspannungswandler, falls dieser erforderlich ist. Dadurch kann dieser für die elektrische Energieversorgung der elektrischen Nebenverbraucher 10 erforderliche Gleichspannungswandler schwächer dimensioniert werden, während der für das Laden der Batterie 3 vorgesehene zusätzliche Gleichspannungswandler, da er höheren Strömen standhalten muss, stärker dimensioniert ist.In a further embodiment, not shown here is for charging the battery 3 used with the deviating from the battery voltage charging voltage a separate DC-DC converter, ie an additional DC-DC converter, in addition to for the electrical energy supply of the electrical auxiliary consumers 10 required DC-DC converter, if necessary. As a result, this for the electrical power supply of the electrical auxiliary consumers 10 required DC-DC converter are dimensioned smaller while charging for the battery 3 provided additional DC-DC converter, since he has to withstand higher currents, is more dimensioned.

Zweckmäßigerweise wird die Ladespannung der jeweiligen fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, d. h. der jeweilige Ladestation, automatisch ermittelt und daraufhin werden die Schalter S1, S2, d. h. die Ladeschütze S1, S2, entsprechend geschaltet, um entweder das direkte Laden über den ersten Verbindungszweig Z1 zu ermöglichen, wenn erkannt wird, dass die Ladespannung der Batteriespannung entspricht, oder das Laden über den Gleichspannungswandler 7 zu ermöglichen, falls erkannt wird, dass die Ladespannung kleiner oder beispielsweise größer als die Batteriespannung ist und daher mittels des Gleichspannungswandlers 7 auf die Batteriespannung transformiert, d. h. hochtransformiert bzw. heruntertransformiert, werden muss.The charging voltage of the respective external electrical energy source, ie the respective charging station, is expediently automatically determined and then the switches S1, S2, ie the charging contactors S1, S2, are switched accordingly to allow either direct charging via the first connecting branch Z1, if it is detected that the charging voltage corresponds to the battery voltage, or charging via the DC converter 7 to allow, if it is detected that the charging voltage is smaller or, for example, greater than the battery voltage and therefore by means of the DC-DC converter 7 Transformed to the battery voltage, ie transformed or transformed down, must be.

Die Ermittlung der Ladespannung kann beispielsweise durch deren Messung und/oder durch eine Erkennung beispielsweise einer entsprechenden Markierung der Ladestation und/oder durch eine Kommunikation mit der Ladestation erfolgen. Hierzu weist die On-Board-Gleichspannungsladevorrichtung 8 zweckmäßigerweise mindestens eine entsprechende Ermittlungseinrichtung auf, welche beispielsweise eine Spannungsmesseinheit, eine Erkennungseinheit zum Beispiel zur Erkennung einer entsprechenden Markierung an der Ladestation und/oder eine Kommunikationseinheit zur Kommunikation mit der Ladestation umfasst. Zweckmäßigerweise werden dann die Schalter S1, S2, d. h. die Ladeschütze S1, S2, der Schalteinheit 9 entsprechend geschaltet, um entweder den ersten Verbindungszweig Z1 ohne Gleichspannungswandler 7 oder den zweiten Verbindungszweig Z2 mit dem Gleichspannungswandler 7 zu schließen und dadurch mit der Ladedose 5 und über diese mit der fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, beispielsweise der Ladestation, zu verbinden.The charging voltage can be determined, for example, by measuring it and / or by detecting, for example, a corresponding marking of the charging station and / or by communicating with the charging station. For this purpose, the on-board DC charging device 8th expediently at least one corresponding detection device, which comprises, for example, a voltage measuring unit, a detection unit, for example, for detecting a corresponding mark on the charging station and / or a communication unit for communication with the charging station. Appropriately, then the switches S1, S2, ie the charging contactors S1, S2, the switching unit 9 switched accordingly to either the first connection branch Z1 without DC-DC converter 7 or the second connection branch Z2 with the DC-DC converter 7 close and thereby with the charging socket 5 and to connect via this with the vehicle external electrical energy source, such as the charging station.

Des Weiteren ist zweckmäßigerweise vorgesehen, den Gleichspannungswandler 7 im zweiten Verbindungszweig Z2 zur Transformation von der ermittelten Ladespannung auf die Batteriespannung automatisch einzustellen, entsprechend der ermittelten Ladespannung, falls diese von der Batteriespannung abweicht und der zweite Verbindungszweig Z2 mit dem Gleichspannungswandler 7 zum Laden der Batterie 3 verwendet wird. D. h. der Gleichspannungswandler 7 im zweiten Verbindungszweig Z2 ist zweckmäßigerweise als ein entsprechend einstellbarer Gleichspannungswandler 7 ausgebildet.Furthermore, it is expediently provided, the DC-DC converter 7 in the second connection branch Z2 for the transformation of the determined charging voltage to the battery voltage automatically set according to the determined charging voltage, if this deviates from the battery voltage and the second connection branch Z2 with the DC-DC converter 7 to charge the battery 3 is used. Ie. the DC-DC converter 7 in the second connection branch Z2 is expediently as a correspondingly adjustable DC-DC converter 7 educated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Fahrzeugvehicle
22
Systemsystem
33
Batteriebattery
3.1, 3.23.1, 3.2
Batterieteilbattery Pack
44
Antriebsmotordrive motor
55
Ladedosecharging socket
66
HochvoltbordnetzHigh-voltage onboard network
77
GleichspannungswandlerDC converter
88th
On-Board-GleichspannungsladevorrichtungOn-board DC charger
99
Schalteinheitswitching unit
1010
NebenverbraucherIn addition to consumer
AA
Ausgangoutput
Ee
Eingangentrance
S1S1
Schalter, LadeschützSwitch, charging contactor
S2S2
weiterer Schalter, weiterer Ladeschützanother switch, another charging contactor
BS1 bis BS7BS1 to BS7
batterieinterne Schalter, Batterieschalterinternal battery switch, battery switch
Z1, Z2Z1, Z2
Verbindungszweigconnecting branch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010041253 A1 [0003] DE 102010041253 A1 [0003]

Claims (3)

On-Board-Gleichspannungsladevorrichtung (8) für ein Fahrzeug (1), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem ladedosenseitigen Eingang (E) und einem batterieseitigen Ausgang (A) zwei parallele elektrische Verbindungszweige (Z1, Z2) vorgesehen sind, wobei der eine Verbindungszweig (Z1) eine direkte elektrische Verbindung zwischen einer Ladedose (5) des Fahrzeugs (1) und einer Batterie (3) des Fahrzeugs (1) ermöglicht und in dem anderen Verbindungszweig (Z2) ein Gleichspannungswandler (7) angeordnet ist und wobei eine Schalteinheit (9) zum Schließen des einen Verbindungszweigs (Z1) oder des anderen Verbindungszweigs (Z2) vorgesehen ist.On-board DC charging device ( 8th ) for a vehicle ( 1 ), characterized in that between a load-side inlet (E) and a battery-side output (A) two parallel electrical connection branches (Z1, Z2) are provided, wherein the one connection branch (Z1) a direct electrical connection between a charging socket ( 5 ) of the vehicle ( 1 ) and a battery ( 3 ) of the vehicle ( 1 ) and in the other connection branch (Z2) a DC-DC converter ( 7 ) and wherein a switching unit ( 9 ) is provided for closing the one connection branch (Z1) or the other connection branch (Z2). On-Board-Gleichspannungsladevorrichtung (8) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (9) mindestens einen Schalter (S1, S2), insbesondere Schütz, in jedem der beiden Verbindungszweige (Z1, Z2) umfasst.On-board DC charging device ( 8th ) according to claim 1, characterized in that the switching unit ( 9 ) comprises at least one switch (S1, S2), in particular contactor, in each of the two connection branches (Z1, Z2). On-Board-Gleichspannungsladevorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, der Gleichspannungswandler (7) zum Transformieren, insbesondere zum Hochtransformieren, einer elektrischen Ladespannung einer Ladestation auf eine davon abweichende, insbesondere höhere, elektrische Batteriespannung der Batterie (3) des Fahrzeugs (1) vorgesehen ist.On-board DC charging device ( 8th ) according to one of the preceding claims, characterized in that the DC-DC converter ( 7 ) for transforming, in particular for stepping up, an electrical charging voltage of a charging station to a deviating, in particular higher, battery electrical voltage of the battery ( 3 ) of the vehicle ( 1 ) is provided.
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