-
Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik werden zunehmend elektrische Antriebe verwendet, die entweder bei Elektrofahrzeugen die einzige Antriebsart darstellen, oder bei Hybridfahrzeugen eine von zwei oder mehreren Antriebsarten darstellen. Derartige Fahrzeuge umfassen einen elektrischen Energiespeicher. Die hier beschriebene Lösung betrifft diejenigen Fahrzeuge, die von externen Einrichtungen elektrisch geladen werden. Hierzu weisen Elektrofahrzeuge ein elektromechanisches Steckverbindungselement auf, das auch als Ladeinlet bezeichnet wird. Hybridfahrzeuge, die ein derartiges elektromechanisches Steckverbindungselement aufweisen, werden als Plugin-Hybridfahrzeuge bezeichnet. Ferner wird eine Ladestation oder allgemein Anschlussstation verwendet, die an das fahrzeugseitige Steckverbindungselement elektrisch angeschlossen werden kann.
-
Über diese Steckverbindungselemente kann elektrische Energie des Wechselstroms oder Gleichstroms übertragen werden, insbesondere um das Fahrzeug zu laden oder in dem Fahrzeug geladene Energie an stationäre Systeme zurück zu speisen.
-
In der Veröffentlichungsschrift
WO 2014/128069 A2 wird ein kombinierter Ladeanschluss beschrieben, der sowohl für Gleichstrom- als auch Wechselstromladevorgänge geeignet ist. Dadurch eignet sich das dort beschriebene System für Wechselstrom-Ladestationen und für Gleichstrom-Ladestationen, sodass nur eine Vorrichtung für Wechselstrom-Ladestationen und Gleichstrom-Ladestationen verwendet wird. Der in dieser Druckschrift verfolgte Ansatz geht davon aus, dass Steuer- und Kontrollanschlüsse gleichermaßen für einen Wechselstrom- als auch für einen Gleichstrom-Ladevorgang verwendet werden. Es ist grundsätzlich vorgesehen, dass vor Beginn des Ladevorgangs entweder auf ausschließliches Wechselstrom-Laden oder auf ausschließliches Gleichstrom-Laden eingestellt wird, wobei die genannten Steuer- und Kontrollanschlüsse entweder gemäß einem Protokoll für Wechselstrom-Laden oder gemäß einem Protokoll für Gleichstrom-Laden verwendet werden. Das dort beschriebene System ist somit kompatibel für beide Ladearten, wobei vorab die (einzige) Ladeart definiert wird.
-
Grundsätzlich ist der Ladevorgang von Plugin-Hybridfahrzeugen und Elektrofahrzeugen mit einer gewissen Zeitspanne verbunden. Während dieser kann das Fahrzeug nicht verwendet werden. Dies ist für den Nutzer insbesondere dann nachteilig, wenn der Halt an einer Ladestation nicht den Endpunkt einer Reise darstellt, sondern nur dem Nachladen dient. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich elektrische Energie möglichst schnell zwischen Fahrzeug und Ladestation übertragen lässt.
-
Abriss der Erfindung
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den Unteransprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung und der 1.
-
Es wird vorgeschlagen, elektrische Leistung zwischen einem Versorgungsnetz (bzw. einer Ladestation) und einem extern ladbaren Fahrzeug zur gleichen Zeit als Wechselstrom und als Gleichstrom zu übertragen. Hierbei werden ein erster Pfad für Wechselstrom und ein zweiter Pfad für Gleichstrom verwendet. Der Gleichstrom und der Wechselstrom fließen über die beiden Pfade zur gleichen Zeit, das heißt zum gleichen Zeitpunkt oder über eine gemeinsame Zeitspanne. Dadurch lässt sich die Ladezeit deutlich reduzieren, da sowohl Gleichspannungs- als auch Wechselspannungsquellen gleichzeitig genutzt werden und Energie in das Fahrzeug übertragen. Gleichermaßen ist es möglich, dass bei einer Rückspeisung Wechselstrom und Gleichstrom gleichzeitig vom Fahrzeug an eine stationäre Einrichtung übertragen werden.
-
Wechselstrom und Gleichstrom werden simultan übertragen. Beispielsweise kann elektrische Energie vom Fahrzeug zur gleichen Zeit an eine Gleichspannungssenke (etwa ein Akkumulator, eine Brennstoffzelle oder ein Gleichspannungsnetz) und an eine Wechselstromsenke (etwa Verbraucher und/oder ein Wechselstromnetz) übertragen werden. Es wird somit elektrische Leistung zwischen einem Versorgungsnetz (bzw. Versorgungsnetz) und einem extern ladbaren Fahrzeug simultan als Gleichstrom und als Wechselstrom übertragen. Hierbei wird eine gemeinsame Steckverbindungsschnittstelle verwendet. Als gemeinsame Steckverbindungsschnittstelle wird ein gemeinsamer Stecker betrachtet, der beispielsweise über Gleichstrom- und Wechselstromkontakte verfügt. Dadurch wird die Handhabung vereinfacht.
-
Es wird ein Fahrzeugbordnetz für ein extern ladbares Fahrzeug beschrieben. Das extern ladbare Fahrzeug ist ein Elektrofahrzeug (mit einem Ladeinlet) oder ein Plugin-Hybridfahrzeug. Grundsätzlich kommen alle Fahrzeuge in Betracht, die über ein von außen anschließbares Steckverbindungselement verfügen, insbesondere über ein Ladeinlet. Insbesondere sind Fahrzeuge gemeint, die über eine Traktionsbatterie verfügen, das heißt über einen elektrischen Energiespeicher, der derart mit einem elektrischen Antrieb des Fahrzeugs verbunden ist, dass elektrische Energie der Traktionsbatterie zur Beschleunigung des Fahrzeugs verwendet wird (oder rekuperierte kinetische Energie des Fahrzeugs beim Abbremsen in den Energiespeicher übertragen wird). Insbesondere wird das Aufladen einer Starterbatterie eines verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugs hier nicht betrachtet, sofern dieses nicht ein Elektrofahrzeug oder ein Plugin-Hybridfahrzeug ist.
-
Das Fahrzeugbordnetz weist ein Fahrzeug-Steckverbindungselement auf. Dieses ist zur Verbindung mit einem externen Stromversorgungsnetz eingerichtet. Das Fahrzeug-Steckverbindungselement ist insbesondere in einem Ladeinlet vorgesehen, das beispielsweise als Ladebuchse ausgestaltet ist. Das Fahrzeug-Steckverbindungselement kann in einer Außenhaut des Fahrzeugs eingelassen sein und ist vorzugsweise von einer Klappe verschlossen, die geöffnet und verschlossen bzw. verriegelt werden kann. Das Fahrzeug-Steckverbindungselement ist fahrzeugseitig angeordnet und bildet einen Teil der Schnittstelle, die zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen Fahrzeug und einem (stationären) Stromnetz erforderlich ist.
-
Das Fahrzeug-Steckverbindungselement verfügt über Wechselstromkontakte und über Gleichstromkontakte. Die Wechselstromkontakte können einphasig, oder mehrphasig insbesondere dreiphasig ausgestaltet sein. Die Gleichstromkontakte umfassen insbesondere einen positiven und einen negativen Kontakt.
-
Das Fahrzeugbordnetz verfügt ferner über einen elektrischen Energiespeicher. Dieser ist insbesondere ein Traktionsspeicher. Der elektrische Energiespeicher kann eine Vielzahl von galvanischen Zellen umfassen, insbesondere Sekundärzellen, beispielsweise Sekundärzellen auf Lithiumbasis (etwa als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet). Die Gleichstromkontakte sind mit dem Energiespeicher verbunden. Die Gleichstromkontakte sind insbesondere direkt oder indirekt mit dem Energiespeicher verbunden. Vorzugsweise besteht eine indirekte Verbindung, die insbesondere eine Spannungswandlung umfasst, beispielsweise einen DC/DC-Wandler. Insbesondere besteht innerhalb des Fahrzeugbordnetzes eine direkte oder indirekte Verbindung zwischen Gleichstromkontakten und Energiespeicher. Als direkte Verbindung werden Verbindungen ohne Wandlung der Stromart (Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt) und ohne Gleichspannungswandlung betrachtet. Ein direkter Kontakt kann jedoch über Leitungen, Sicherungen, Schütze, Filter oder Ähnliches verfügen. Als indirekte Verbindung wird insbesondere eine Verbindung betrachtet, die über einen Gleichspannungswandler verfügt.
-
Die Wechselstromkontakte sind über eine Transferschaltung mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden. Die Transferschaltung dient zur gesteuerten oder geregelten Übertragung von Energie zwischen den Wechselstromkontakten und dem Energiespeicher. Die Transferschaltung kann insbesondere auch als rückspeisefähige oder nicht-rückspeisefähige Ladeschaltung betrachtet werden. Als rückspeisefähige Transferschaltung ist diese eingerichtet, zum Einen zu laden und somit die Energie von den Wechselstromkontakten zum Energiespeicher zu übertragen, und ist zum Anderen eingerichtet, Energie vom Energiespeicher zu den Wechselstromkontakten zu übertragen, etwa um Energie in ein stationäres Netz über die Wechselstromkontakte einzuspeisen.
-
Das Fahrzeugbordnetz ist eingerichtet, elektrische Energie über die Wechselstromkontakte und über die Gleichstromkontakte zur gleichen Zeit zu übertragen. Insbesondere ist das Fahrzeugbordnetz eingerichtet, die elektrische Energie zwischen dem Energiespeicher einerseits und den Wechselstrom- und Gleichstromkontakten andererseits zu übertragen. „Zur gleichen Zeit“ bedeutet, dass über die Wechselstromkontakte Energie übertragen wird, während auch über die Gleichstromkontakte Energie übertragen wird. Das Fahrzeugbordnetz ist mit anderen Worten zur simultanen Gleichstrom- und Wechselstromübertragung bzw. Aufladung und/oder Rückspeisung ausgebildet. Insbesondere bestehen keine impliziten oder expliziten Sperren für den Leistungstransfer per Wechselstrom, wenn ein Gleichstromtransfer ausgeführt wird, und umgekehrt.
-
Die Transferschaltung kann einen AC/DC-Wandler aufweisen. Dieser verfügt über einen Wechselstromseite, die mit den Wechselstromkontakten verbunden ist. Der AC/DC-Wandler (das heißt ein Wechselstrom-/Gleichstromwandler) kann ein Gleichrichter sein, wobei jedoch auch ein fahrzeugseitiger bidirektionaler Inverter eines elektrischen Antriebs des Fahrzeugs verwendet werden kann. Der AC/DC-Wandler kann die Funktion eines gesteuerten oder ungesteuerten Gleichrichters aufweisen. Insbesondere ist der AC/DC-Wandler bidirektional, kann jedoch auch unidirektional ausgeführt sein. Die Wechselstromseite des AC/DC-Wandlers und die Wechselstromkontakte weisen die gleiche Phasenstromanzahl auf, vorzugsweise ein oder insbesondere drei Phasen. Der AC/DC-Wandler kann als B6C-Brücke ausgestaltet sein.
-
Ferner kann die Transferschaltung einen DC/DC-Wandler (das heißt einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler) aufweisen. Der DC/DC-Wandler ist zwischen dem AC/DC-Wandler und dem Energiespeicher angeschlossen. Der AC/DC-Wandler ist mit anderen Worten über den DC/DC-Wandler mit dem Energiespeicher verbunden. Der DC/DC-Wandler kann unidirektional sein, ist jedoch vorzugsweise bidirektional ausgestaltet. Die Gleichstromkontakte sind vorzugsweise mit einer Gleichstromseite des AC/DC-Wandlers verbunden. Mit anderen Worten ist die Gleichstromseite vorzugsweise mit einer Seite des DC/DC-Wandlers verbunden, die der Seite des DC/DC-Wandlers entgegengesetzt ist, welche mit dem Energiespeicher verbunden ist. Auf andere Weise ausgedrückt sind die Gleichstromkontakte (vorzugsweise direkt, das heißt ohne weitere Stromart- oder Spannungshöhen-Wandlung) mit dem Verbindungspunkt verbunden, über den der AC/DC-Wandler mit dem DC/DC-Wandler verbunden ist. Dieser Verbindungspunkt kann auch als Zwischenkreis betrachtet werden. Somit sind die Gleichstromkontakte über den DC/DC-Wandler mit dem Energiespeicher verbunden, und die Wechselstromkontakte über den AC/DC-Wandler sowie den DC/DC-Wandler (in dieser Reihenfolge) mit dem Energiespeicher verbunden. Bei dieser Variante sind die Gleichstromkontakte indirekt mit dem Energiespeicher verbunden. Die indirekte Verbindung zwischen Gleichstromkontakten und Energiespeicher umfasst insbesondere den DC/DC-Wandler (jedoch vorzugsweise nicht den AC/DC-Wandler). Die Verbindung zwischen den Wechselkontakten und dem Energiespeicher verläuft über den AC/DC-Wandler und, darauffolgend, über den DC/DC-Wandler.
-
Bei alternativen Ausführungsformen ohne DC/DC-Wandler sind die Wechselstromkontakte über den AC/DC-Wandler mit dem Energiespeicher verbunden. Bei dieser Alternativen ist zwischen dem AC/DC-Wandler und dem Energiespeicher keine weitere Komponente vorgesehen, die die Stromart oder die Spannungshöhe ändern würde, wobei jedoch etwa Sicherungen oder Schütze oder Filter in der Verbindung zwischen AC/DC-Wandler und Energiespeicher vorgesehen sein können. In einer Ausführungsform hiervon ist dem Energiespeicher eine Ladesteuerung vorgeschaltet, die die an den Energiespeicher übertragene Leistung (von dem AC/DC-Wandler kommend) steuert. Vorzugsweise wird jedoch der AC/DC-Wandler derart angesteuert, dass sich für den Energiespeicher eine Ladesteuerung ergibt. Insbesondere berücksichtigt diese Ladesteuerung die Leistung bzw. den Strom, der über die Gleichstromkontakte übertragen wird (und gegebenenfalls dem Energiespeicher zugeführt oder von diesem entnommen wird). Die Gleichstromkontakte können indirekt über den DC/DC-Wandler mit dem Energiespeicher verbunden sein.
-
Der DC/DC-Wandler ist eingerichtet, die Spannungshöhe zwischen Gleichstromkontakten und dem Energiespeicher anzupassen. Der DC/DC-Wandler ist insbesondere ein Hochsetzsteller. Auch der DC/DC-Wandler kann gemäß einer Ladesteuerung angesteuert werden. Alternativ ist dem Energiespeicher eine Ladesteuerung vorgeschaltet.
-
Wie erwähnt kann alternativ der Energiespeicher direkt mit den Gleichstromkontakten verbunden sein. Hierbei sind die Gleichstromkontakte direkt und ohne Spannungswandlung mit dem Energiespeicher verbunden. Eine Spannungswandlung findet wie erwähnt vorzugsweise nicht statt, jedoch kann die Leistung angepasst werden, etwa über Pulsweitenmodulation. Ferner kann die Verbindung zwischen den Gleichstromkontakten und Energiespeicher eine Sicherung, Schütze, Filter oder Ähnliches in Einzahl oder in Mehrzahl bzw. in Kombination umfassen. Derartige Komponenten verändern nicht die Stromart oder die Spannungshöhe, sodass diese in diesem Kontext als Teil einer direkten Verbindung zwischen Gleichstromkontakten und Energiespeicher betrachtet werden.
-
Der AC/DC-Wandler kann ein bidirektionaler Inverter sein. Das Fahrzeugbordnetz kann ferner einen Auswahlschalter umfassen. Über diesen Auswahlschalter ist der Inverter mit einer elektrischen Maschine des Fahrzeugbordnetzes verbunden. Der Auswahlschalter ist eingerichtet (und geschaltet), um wahlweise die Wechselstromkontakte oder eine elektrische Maschine mit dem AC/DC-Wandler (insbesondere dessen Wechselstromseite) zu verbinden. Das Fahrzeugbordnetz kann so in mindestens zwei Zustände versetzt werden, wobei im ersten Zustand („elektrisches Fahren“) die elektrische Maschine mit dem Inverter verbunden ist und im zweiten Zustand die Wechselstromkontakte mit dem Inverter („Laden oder Rückspeisen) verbunden sind. Im zweiten Zustand kann insbesondere geladen werden oder gegebenenfalls auch rückgespeist werden. Im ersten Zustand kann Energie zwischen dem Energiespeicher und der elektrischen Maschine übertragen werden, etwa zur elektrischen Maschine hin, um diese anzutreiben (zur Traktion des Fahrzeugs), oder in umgekehrter Richtung, um kinetische Energie des Fahrzeugs über die elektrische Maschine in elektrische Energie zu wandeln, um diese als rekuperierte Energie in dem Energiespeicher zu speichern.
-
Das Fahrzeugbordnetz kann ferner eine Bordnetz-Steuerung aufweisen. Diese ist mit der Transferschaltung verbunden. Die Bordnetz-Steuerung ist eingerichtet, die Ausgangsspannung der Transferschaltung gemäß einer vorgegebenen Transferleistung des Energiespeichers zu regeln. Hierbei kann als Regelungsziel eine Soll-Transferleistung vorgegeben sein. Ferner kann eine Soll-Spannung oder ein Soll-Strom vorgegeben sein, gemäß der bzw. dem die Energieübertragung zum oder vom Energiespeicher geregelt wird. Die Transferschaltung ist eingerichtet, in einem Ladezustand, bei dem Energie zum Energiespeicher übertragen wird, die Ausgangsspannung am Energiespeicher wie erwähnt zu regeln. In einem Rückspeisezustand kann die Bordnetz-Steuerung eingerichtet sein, die Ausgangsspannung an den Gleichstromkontakten und/oder an den Wechselstromkontakten zu regeln.
-
Die Bordnetz-Steuerung kann ferner eingerichtet sein, den Leistungsfluss von oder zu den Gleichstromkontakten einerseits und den Wechselstromkontakten andererseits einstellbar zu regeln. Vorzugsweise ist die Bordnetz-Steuerung eingerichtet, die Leistung von oder zu den Wechselstromkontakten unabhängig von der Leistung zu oder von den Gleichstromkontakten einzustellen. Hierbei ist die Bordnetz-Steuerung mit dem DC/DC-Wandler und dem AC/DC-Wandler ansteuernd verbunden, wobei die Ansteuerung des AC/DC-Wandlers durch die Bordnetz-Steuerung gemäß einem ersten Leistungsanteil als Sollwert durchgeführt wird, und der DC/DC-Wandler von der Bordnetz-Steuerung gemäß eines zweiten Leistungsanteils (ebenso als Sollwert) angesteuert wird. Der erste Leistungsanteil entspricht dem ersten Pfad bzw. einem Wechselstrompfad, und der zweite Leistungsanteil bezieht sich auf einen zweiten Pfad bzw. einen Gleichstrompfad. Der erste und der zweite Leistungsanteil (bzw. der erste und der zweite Pfad) zusammen entsprechen der Gesamtleistung, die dem Energiespeicher zugeführt oder entnommen wird.
-
In einem Ladezustand der Bordnetz-Steuerung regelt diese den Leistungsfluss durch Einstellen der Spannung am Verbindungspunkt zwischen dem AC/DC-Wandler und dem DC/DC-Wandler. Ferner ist die Bordnetz-Steuerung eingerichtet, die Spannung am Verbindungspunkt zwischen dem DC/DC-Wandler und dem Energiespeicher einzustellen. Hierdurch wird nicht nur ein einziger Leistungsfluss sondern insbesondere auch der Leistungsfluss durch die Gleichstromkontakte sowie der Leistungsfluss durch die Wechselstromkontakte eingestellt. Die Leistungsflüsse sind getrennt bzw. unabhängig voneinander, das heißt unterschiedlich einstellbar.
-
Den Rückspeisezustand regelt die Bordnetz-Steuerung den Leistungsfluss durch Einstellen der Spannung am Verknüpfungspunkt zwischen dem AC/DC-Wandler und dem DC/DC-Wandler sowie dem Verbindungspunkt zwischen dem AC/DC-Wandler und den Wechselstromkontakten bzw. an den Wechselstromkontakten selbst.
-
Wie erwähnt, ist die Bordnetz-Steuerung vorzugsweise ausgestaltet, insbesondere beim Laden (oder auch beim Rückspeisen) des Energiespeichers über die jeweiligen Außenspannungen (des AC/DC-Wandlers und des DC/DC-Wandlers bzw. der Transferschaltung) ein, zu welchen Teilen elektrische Energie über die Wechselstromkontakte bzw. über die Gleichstromkontakte übertragen wird. Die Bordnetz-Steuerung wird dadurch eingerichtet, zumindest indirekt das Verhältnis zwischen den Leistungen einzustellen, die über die Gleichstromkontakte und die Wechselstromkontakte übertragen werden. Insbesondere ist die Bordnetz-Steuerung eingerichtet, die Leistung derart zu steuern, dass über die Wechselstromkontakte bzw. über die Gleichstromkontakte nicht mehr als eine Maximalleistung bzw. ein Maximalstrom fließt. Daher kann die Bordnetz-Steuerung eingerichtet sein, gemäß einer Vorgabe die Übertragung über die Wechselstromkontakte und über die Gleichstromkontakte einzustellen, etwa abhängig von einem aktuellen Energiepreis oder aktuellen Energievergütungen der betreffenden Wechselstrom- und Gleichstromnetze. Dies gilt insbesondere auch für das Rückspeisen, wobei auch dort etwa Maximalströme oder Maximalleistungen für die Wechselstrom- und die Gleichstromkontakte von der Bordnetz-Steuerung berücksichtigt werden. Die Anteile über die Wechselstromkontakte und die Gleichstromkontakte übertragenen Anteile können gemäß Wunschvorgaben eingestellt werden oder gemäß kosten- bzw. vergütungsabhängigen Vorgaben.
-
Ferner kann das Fahrzeugbordnetz ein Batteriemanagementsystem (BMS) aufweisen, das Betriebszustände des elektrischen Energiespeichers überwacht. Das BMS kann beispielsweise Spannungen, Ströme oder Leistungen als Maximal- oder Sollwerte vorgeben, und insbesondere an die Bordnetz-Steuerung weitergeben. Die betreffenden Werte können auch von einer Empfangseinheit des Fahrzeugbordnetzes empfangen werden, die eingerichtet ist, mit einer Kommunikationsschnittstelle einer Anschlussstation (etwa einer Ladestation) kommunizieren. Dadurch kann das BMS oder auch die Anschlussstation einen Transferleistungssollwert ändern, insbesondere wenn ein Maximalstrom oder eine Maximalleistung überschritten wird. Die Bordnetz-Steuerung ist eingerichtet, die entsprechenden Ausgangsspannungen zu senken. Ferner kann das BMS oder die Anschlussstation ein Sollwert vorgeben, gemäß dem (als Regelungsziel) die entsprechenden Ausgangsspannungen insbesondere der Transferschaltung eingestellt werden.
-
Die Kommunikationsschnittstelle kann durch Signalkontakte des Fahrzeug-Steckverbindungselements realisiert werden. Das Fahrzeug-Bordnetz (und gegebenenfalls auch die Anschlussstation) können über Kommunikationseinrichtungen verfügen, insbesondere über die genannten Signalkontakte, über welche während des Lade- oder Rückspeisevorgangs Wechselstrom- und Gleichstrom-Steuerdaten übertragen werden. Diese Steuerdaten umfassen insbesondere Maximal- oder Soll-Leistungen, Maximal- oder Soll-Ströme oder auch Maximal- oder Soll-Spannungen. Es kann insbesondere ein Kommunikationsprotokoll vorgesehen sein, um diese Daten gleichzeitig oder abwechselnd, insbesondere während des Lade- oder Rückspeisevorgangs, zu übertragen. Ferner kann vorgesehen sein, dass vor einem Beginn dem Ladevorgang, während dem gleichzeitig Wechselstrom- und Gleichstrom übertragen wird, Daten an das Fahrzeugbordnetz übertragen werden. Es können zwei logische Kanäle vorgesehen sein: ein logischer Kanal zur Gleichstromtransfersteuerung oder -Überwachung und ein Kanal zur Wechselstromtransfersteuerung oder -Überwachung. Diese logischen Kanäle können mittels Moduliertechniken kombiniert werden, beispielsweise mittels Frequenzmodulation, Amplitudenmodulation oder über Zeitschlitz-Zugriffsverfahren, um den gleichen physikalischen Kanal zur Übertragung zu nutzen, insbesondere die Signalkontakte. Insbesondere können zur kombinierten Übertragung über den gleichen physikalischen Kanal bzw. über die gleichen elektromechanischen Übertragungswege Multiplex-Zugriffsverfahren wie TDMA, FDMA, CDMA oder Multiplex-Zugriffsverfahren unter Verwendung unterschiedlicher Amplituden verwendet werden. Grundsätzlich sind kabelgebundene Übertragungen wie über die Signalkontakte oder drahtlose Übertragungen (etwa über ein Funkprotokoll und Funkschnittstellen) möglich. Ferner können die zu übertragenen Daten über das Leistungssignal per Modulation (vergleichbar mit PLC, Powerline Communication – Kommunikation über ein Versorgungsnetzwerk) übertragen werden.
-
Weiterhin wird eine kabelgebundene Anschlussstation für extern ladbare Fahrzeuge beschrieben. Diese Anschlussstation weist ein Stations-Steckverbindungselement auf. Dieses ist insbesondere komplementär zu dem Fahrzeug-Steckverbindungselement. Das Stations-Steckverbindungselement weist sowohl Wechselstromkontakte als auch Gleichstromkontakte auf. Die Wechselstromkontakte und die Gleichstromkontakte des Stations-Steckverbindungselements sind komplementär zu den ent- sprechenden Kontakten des Fahrzeug-Steckverbindungselements ausgestaltet. Die Wechselstromkontakte und die Gleichstromkontakte sind eingerichtet, zur gleichen Zeit mit korrespondierenden Wechsel- und Gleichstromkontakten eines Bordnetz-Steckverbindungselements elektrisch verbunden zu sein. Insbesondere ist die Anschlussstation eingerichtet, über die Wechselstrom- und Gleichstromkontakte des Stations- Steckverbindungselements simultan, das heißt zur gleichen Zeit, Leistung zu übertragen.
-
Vorzugsweise führt ein gemeinsames Kabelbündel zu den Wechselstromkontakten und den Gleichstromkontakten. Das Kabelbündel ist mit diesen verbunden. Insbesondere sind die Leitungen zu den Wechselstromkontakten und den Gleichstromkontakten des Stations-Steckverbindungselements innerhalb desselben Schlauchs vorgesehen. Die Leitungen erstrecken sich zwischen den Kontakten einerseits und der Leistungselektronik bzw. einem Netzanschluss der Anschlussstation. Als Leistungselektronik werden die im Folgenden beschriebenen Wandler der Anschlussstation bezeichnet.
-
Ferner kann die kabelgebundene Anschlussstation einen AC/DC-Wandler aufweisen. Dieser ist zwischen den Gleichstromkontakten und einem Netzanschluss der Anschlussstation angeschlossen. Der Netzanschluss ist eingerichtet, die Anschlussstation an ein lokales, örtliches bzw. öffentliches Stromnetz anzubinden. Insbesondere kann ein Netzanschluss einen Abschnitt aufweisen, um die Anschlussstation an ein Gleichstromnetz anzuschließen, und kann einen Abschnitt aufweisen, um die Anschlussstation an ein Wechselstromnetz anzuschließen. Das Gleichstromnetz kann insbesondere eine Gleichstrom-Senke oder eine Gleichstrom-Quelle aufweisen, insbesondere eine stationäre Batterie oder eine Photovoltaikanlage oder auch eine stationäre Brennstoffzelle.
-
Weiterhin kann ein Netzanschluss eingerichtet sein, an ein öffentliches Wechselstromnetz angeschlossen zu werden, oder auch ein lokales Wechselstromnetz. In diesem können Wechselstrom- lasten oder Wechselstromquellen vorgesehen sein, beispielsweise Windkraftanlagen oder auch Wechselstromlasten allgemeiner Art.
-
Der AC/DC-Wandler ist insbesondere ein Gleichrichter. Dieser kann direkt mit den Gleichstromkontakten verbunden sein. Vorzugsweise wird jedoch ein DC/DC-Wandler vorgesehen, der zwischen dem AC/DC-Wandler und den Gleichstromkontakten vorgesehen ist. Der AC/DC-Wandler ist unidirektional, jedoch vorzugsweise bidirektional ausgebildet. Auch der DC/DC-Wandler ist bidirektional oder auch unidirektional ausgebildet. Ist die Anschlussstation neben der Ladefunktion auch rückspeisefähig, sind die beiden Wandler insbesondere bidirektional ausgebildet. Der AC/DC-Wandler kann als Gleichrichter ausgebildet sein, insbesondere als B6C-Brücke. Der DC/DC-Wandler kann als Aufwärtswandler oder als Abwärtswandler ausgestaltet sein. Der AC/DC-Wandler kann ein gesteuerter oder ein ungesteuerter Wandler sein. Der DC/DC-Wandler ist vorzugsweise ein gesteuerter Wandler. Der DC/DC-Wandler ist vorzugsweise ein Aufwärtswandler, insbesondere um bei der Leistungsübertragung eine hohe Spannung verwenden zu können.
-
Die Anschlussstation kann ferner eine Stationssteuerung aufweisen. Diese ist angesteuert mit dem AC/DC-Wandler verbunden. Alternativ oder in Kombination hierzu kann diese ansteuernd mit dem DC/DC-Wandler verbunden sein. Die Anschlussstation bzw. die Stationssteuerung kann wie erwähnt eine Kommunikationseinrichtung aufweisen, insbesondere um mit einer entsprechenden Kommunikationseinrichtung des Fahrzeugbordnetzes bzw. mit der Bordnetz-Steuerung kommunizieren zu können. Die Kommunikation dient insbesondere zur Übertragung von Soll- oder Maximalleistungsdaten, -Stromdaten oder -Spannungsdaten. Ferner kann die Kommunikation die aktuelle Spannungshöhe an den Netzanschluss umfassen, insbesondere die aktuelle Spannungshöhe des Gleichstromnetzes und des Wechselstromnetzes, zu dessen Anschluss der Netzanschluss der Anschlussstation ausgebildet ist. Ferner kann die Kommunikationseinrichtung der Anschlussstation bzw. der Stationssteuerung eingerichtet sein, Daten von der Bordnetz-Steuerung bzw. dessen Kommunikationseinrichtung zu erhalten. Diese Daten können beispielsweise Daten über den Zustand des Energiespeichers sein, etwa ein Maximalstrom oder eine Maximalspannung bzw. ein Sollstrom oder eine Sollstromspannung oder anderes.
-
Diese Daten können über einen dritten logischen Kanal übertragen werden. Neben den zwei logischen Kanälen kann daher ein dritter logischer Kanal vorgesehen sein, der über den gleichen physikalischen Kanal (d.h. über die gleiche physikalische Schnittstelle) übertragen wird. Diese logischen Kanäle können mittels Moduliertechniken kombiniert werden, beispielsweise mittels Frequenzmodulation, Amplitudenmodulation oder über Zeitschlitz-Zugriffsverfahren, um den gleichen physikalischen Kanal zur Übertragung zu nutzen, insbesondere die Signalkontakte. Insbesondere können zur kombinierten Übertragung über den gleichen physikalischen Kanal bzw. über die gleichen elektromechanischen Übertragungswege Multiplex-Zugriffsverfahren wie TDMA, FDMA, CDMA oder Multiplex-Zugriffsverfahren unter Verwendung unterschiedlicher Amplituden verwendet werden. Grundsätzlich sind kabelgebundene Übertragungen wie über die Signalkontakte oder drahtlose Übertragungen (etwa über ein Funkprotokoll und Funkschnittstellen) möglich. Ferner können die zu übertragenen Daten über das Leistungssignal per Modulation (vergleichbar mit PLC, Powerline Communication – Kommunikation über ein Versorgungsnetzwerk) übertragen werden. Der Begriff „logischer Kanal“ bezieht sich insbesondere auf die Transportschicht des Übertragungsprotokolls.
-
Schließlich wird ein Verfahren zur Übertragung von elektrischer Leistung zwischen einem Versorgungsnetz und einem extern ladbaren Fahrzeug beschrieben. Die elektrische Leistung wird sowohl einen ersten Pfad als Wechselstrom als auch über einen zweiten Pfad als Gleichstrom übertragen. Der Wechselstrom und der Gleichstrom werden über eine gemeinsame Steckverbindungsschnittstelle zur gleichen Zeit übertragen. Hierzu wird der Wechselstrom über Wechselstromkontakte kontaktiert der gemeinsamen Steckverbindungsschnittstelle übertragen, und der Gleichstrom wird über Gleichstromkontakte der gemeinsamen Steckverbindungsschnittstelle übertragen. Ferner können Steueroder Messdaten zwischen dem Versorgungsnetz bzw. der Anschlussstation und dem Fahrzeug bzw. dessen Fahrzeugbordnetz über die gleiche physikalische Schnittstelle übertragen werden. Diese physikalische Schnittstelle, insbesondere Signalkontakte, können ebenfalls Teil der gemeinsamen Steckverbindungsschnittstelle sein.
-
Wenn das Versorgungsnetz als Leistungsquelle dient (das heißt beim Laden des Fahrzeugs) wird die Leistung des Versorgungsnetzes aufgetrennt durch Wandeln eines Teils der Leistung in eine andere Stromart, während ein anderer Teil der Leistung ohne Änderung der Stromart übertragen wird. Beim Rückspeisen, das heißt wenn das extern ladbare Fahrzeug bzw. das Fahrzeugbordnetz und insbesondere dessen Energiespeicher, als Leistungsquelle dient (beim Rückspeisen) wird die Leistung, die von dem Energiespeicher abgegeben wird, aufgetrennt durch Wandeln eines Teils der Leistung in eine andere Stromart. Der andere Teil der Leistung wird ohne Wandeln der Stromart übertragen. Die jeweiligen Anteile sind einstellbar, beispielsweise abhängig von Vorgaben oder abhängig von aktuellen Energiekosten oder Energievergütungen.
-
Alternativ oder in Kombination hierzu können die Leistungen dieser Pfade im extern ladbaren Fahrzeug (als Leistungssenke), das heißt beim Laden, kombiniert werden durch Wandeln der Leistung eines Pfades in eine andere Stromart, wobei darauffolgend die Leistungen der Pfade, das heißt die beiden Teile der Leistungen, zusammengeführt werden. Dies geschieht insbesondere am Verbindungspunkt zwischen AC/DC-Wandler und DC/DC-Wandler oder an Anschlüssen des Energiespeichers selbst. Um Leistungen der Pfade im Versorgungsnetz zu kombinieren, sofern dieses Leistungssenke ist, können die Teilleistungen kombiniert werden durch Wandeln der Leistung eines Pfads in eine andere Stromart und durch darauffolgende Zusammenführung der Leistungen der Pfade. Dies geschieht insbesondere an dem Verbindungspunkt der Wechselstromkontakte oder der Gleichstromkontakte der Anschlussstation mit dem Netzanschluss der Anschlussstation.
-
Die 1 dient zur Erläuterung des hier beschriebenen Fahrzeugbordnetzes, der hier beschriebenen Anschlussstation bzw. des hier beschriebenen Verfahrens anhand einer symbolhaften Darstellung.
-
Die 1 zeigt ein Fahrzeugbordnetz 10 mit einem Fahrzeug-Steckverbindungselement 20. Dieses kann insbesondere als Ladeinlet ausgestaltet sein. Das Fahrzeug-Steckverbindungselement 20 umfasst Wechselstromkontakte 22 und Gleichstromkontakte 24. Die Kontakte nicht einzeln dargestellt, wobei jedoch die Gleichstromkontakte zwei Einzelkontakte sein können, und die Wechselstromkontakte insbesondere drei Kontakte sein können.
-
Das Fahrzeugbordnetz 10 dient zur Übertragung von Leistung von dem Steckverbindungselement 20 an einen Energiespeicher 30. Die Gleichstromkontakte 24 können direkt über die Verbindung b mit dem Energiespeicher verbunden werden, oder können indirekt über die Verbindung a übertragen werden, die die Gleichstromkontakte 24 über einen DC/DC-Wandler 44 mit dem Energiespeicher 30 verbindet. Die Verbindungsmöglichkeiten a und b sind Alternativen zueinander und daher gestrichelt dargestellt.
-
Das Fahrzeugbordnetz umfasst eine Transferschaltung 40, wobei der DC/DC-Wandler 44 Teil dieser Transferschaltung 40 ist. Die Transferschaltung 40 umfasst zudem einen AC/DC-Wandler 42. Dieser ist zwischen den Wechselstromkontakten und dem DC/DC-Wandler 44 geschaltet. Der DC/DC-Wandler 44 befindet sich zwischen dem Energiespeicher 30 und dem AC/DC-Wandler 42. Optional kann ein Filter und/oder eine Sicherung und/oder ein Schütz vorgesehen sein, die zusammenfassend mit dem Bezugszeichen 46 beschrieben sind. Diese Komponenten bzw. dieses Komponente befindet sich zwischen den Wechselstromkontakten 22 und der Transferschaltung 40. Auch die Gleichstromkontakte können über zumindest eine dieser Komponenten an die Transferschaltung bzw. an den Energiespeicher 30 angebunden sein, wobei zur besseren Übersicht keine dieser Komponenten für den Anschluss der Gleichstromkontakte 24 dargestellt ist.
-
Zwischen dem AC/DC-Wandler 42 und den Gleichstromkontakten kann ein Auswahlschalter 48 vorgesehen sein. Der Auswahlschalter 48 verbindet die Wechselstromkontakte 22 wahlweise mit einer elektrischen Maschine 49 (ebenso Teil des Bordnetzes 10) oder mit dem AC/DC-Wandler (bzw. mit dessen Wechselstromseite). Auf diese Weise kann der AC/DC-Wandler als Inverter der elektrischen Maschine 49 vorgesehen sein, insbesondere als bidirektionaler Inverter, mittels dem Wechselstrom an die elektrische Maschine geleitet werden kann, jedoch auch Wechselstrom von der elektrischen Maschine zur Rückspeisung in Gleichstrom umgewandelt werden kann, etwa zur Abgabe an die Wechselstromkontakte 22.
-
Es ist zudem eine Bordnetz-Steuerung 50 vorgesehen, die ansteuernd mit dem AC/DC-Wandler 42 und dem DC/DC-Wandler 44 verbunden ist. Diese Steuerung 50 kann auch mit dem Auswahlschalter 48 verbunden sein, der optional ist. Darüber hinaus besteht eine signalübertragende Verbindung zwischen der Bordnetz-Steuerung 50 und einer Stationssteuerung 140 einer Anschlussstation 100. Die hierzu notwendigen Kommunikationseinheiten sind nicht dargestellt. Es sei jedoch bemerkt, dass die Verbindung zwischen der Stationssteuerung 140 und der Bordnetz-Steuerung 50 drahtlos sein kann, oder vorzugsweise über Signalkontakte der Steckverbindungselemente 20 und 130 realisiert sein kann. Falls der Energiespeicher mit einem Batteriemanagementsystem ausgestaltet ist, so ist dieses mit der Bordnetz-Steuerung 50 verbunden, wobei hierbei insbesondere Daten von dem Batteriemanagementsystem an die Bordnetz-Steuerung 50 übertragen werden.
-
Ferner ist eine Anschlussstation 100 dargestellt. Dieses umfasst ein Stations-Steckverbindungselement 130, das sowohl über Wechselstromkontakte 132 als auch über Gleichstromkontakte 134 verfügt. Auch hier sind die Kontakte nur symbolhaft dargestellt. Die Anschlussstation weist einen Netzanschluss 160 auf. In der 1 ist ein Netzanschluss 160 für ein öffentliches Versorgungsnetz 300 dargestellt, insbesondere ein Wechselstromversorgungsnetz. In einer nicht dargestellten Variante umfasst der Netzanschluss 160 einen Abschnitt zum Anbinden eines Wechselstromnetzes und einen weiteren Abschnitt zum Anbinden eines Gleichstromnetzes. Das Gleichstromnetz kann insbesondere direkt oder über einen DC/DC-Wandler 120 mit den Gleichstromkontakten 134 verbunden sein.
-
Die Anschlussstation umfasst ferner einen AC/DC-Wandler 110. Dieser verbindet den Netzanschluss 160 mit dem Gleichstromanschluss 134. Es sind grundsätzlich auch direkte Verbindungen denkbar, wobei in der 1 der AC/DC-Wandler über einen DC/DC-Wandler 120 mit den Gleichstromkontakten 134 verbunden ist.
-
Die Stationssteuerung 140 ist ansteuernd mit den Wandlern 110, 120 verbunden. Dies ist mittels der strichpunktierten Pfeile dargestellt. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Stationssteuerung datenübertragend mit einer Messeinrichtung am Netzanschluss 160 verbunden ist, um die dort anliegende Spannung bzw. Spannungen zu erfassen und an die Stationssteuerung 140 zu übertragen.
-
Der Netzanschluss 160 (hier als Wechselstromanschluss dargestellt) ist direkt mit den Wechselstromkontakten 132 über erste Leitungen verbunden. Zweite Leitungen verbinden die Gleichstromkontakte 134 mit dem DC/DC-Wandler und somit auch mit dem AC/DC-Wandler 110. Die ersten und die zweiten Leitungen bilden ein gemeinsames Kabelbündel 136. Als gemeinsames Kabelbündel werden die Leitungen, die zu den Wechselstromkontakten führen und die Leitungen, die zu Gleichstromkontakten 134 führen, von einer gemeinsamen Hülle bzw. von einem gemeinsamen Schlauch umschlossen. Es sind auch andere mechanische Verbindungselemente möglich, die die beiden Leitungsgruppen verbinden.
-
Die strichpunktierten Linien und Pfeile stellen datenübertragende bzw. ansteuernde Verbindungen dar. Gestrichelte Komponenten sind als optionale Merkmale aufzufassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Fahrzeugbordnetz
- 20
- Fahrzeug-Steckverbindungselement
- 22
- Wechselstromkontakte
- 24
- Gleichstromkontakte
- 30
- Energiespeicher
- 40
- Transferschaltung
- 42
- AC/DC-Wandler der Transferschaltung
- 44
- DC/DC-Wandler der Transferschaltung
- 46
- optionales Filter- bzw. optionaler Schütz bzw. optionale Sicherung
- 48
- optionaler Auswahlschalter
- 50
- Steuerung
- 100
- kabelgebundene Anschlussstation
- 110
- AC/DC-Wandler der Anschlussstation 100
- 120
- DC/DC-Wandler der Anschlussstation 100
- 130
- Stations-Steckverbindungselement
- 132
- Wechselstromkontakte des Stations-Steckverbindungselement
- 134
- Gleichstromkontakte des Stations-Steckverbindungselement
- 136
- gemeinsames Kabelbündel (der Leitungen zu dem Wechselstrom und zu den Gleichstromkontakten 132, 134)
- 160
- Netzanschluss
- 300
- stationäres Netz (insbesondere Wechselstromnetz)
-
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
-
