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Die Erfindung betrifft ein Ladesystem für das Laden oder Entladen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, wobei das Ladesystem eine Wechselspannungs-Anschlusskomponente, die eine Wechselspannungs-Eingangsschnittstelle und eine erste Verbindungsschnittstelle aufweist, wobei die Wechselspannungs-Eingangsschnittstelle zum Anschließen an eine Wechselspannungs-Ladesäule ausgebildet ist, eine Primäreinheit, die eine zweite Verbindungsschnittstelle und ein erstes induktives Übertragungsmittel aufweist, und einen Ladestromkreis mit einer Sekundäreinheit umfasst, die ein zweites induktives Übertragungsmittel aufweist, wobei das erste und das zweite induktive Übertragungsmittel zum Laden und Entladen der Traktionsbatterie miteinander derart induktiv koppelbar sind, dass die Primäreinheit und die Sekundäreinheit gemeinsam eine Ladevorrichtung für das Laden oder Entladen der Traktionsbatterie bilden.
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Eingangs genannte Ladesysteme sind grundsätzlich bekannt.
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Obwohl heutige Elektrofahrzeuge üblicherweise Gleichspannungsladen (DC-Laden) können, wird zusätzlich im Fahrzeug meist noch eine Wechselspannungs-Ladevorrichtung (AC-Ladegerät) verbaut. Eine solche Ladevorrichtung wird auch als On-Board-Lader (kurz: OBL) bezeichnet. Ein typischer 22 kW-OBL benötigt etwa 15 Liter Bauraum und wiegt etwa 16 kg.
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Gewöhnliche OBL sind fest im Fahrzeug verbaut. Bekannt sind allerdings auch Systeme bei denen der Hauptteil des Laders fest in einer speziellen Ladesäule integriert ist. Die Sekundärspule des Laders wird als Ladestecker verwendet. Die Energieübertragung erfolgt hier induktiv. Allerdings kann ein Fahrzeug, das mit diesem System ausgestattet ist, ausschließlich an den eigens dafür konzipierten speziellen Ladesäulen laden oder entladen. AC-Laden an gängigen Ladesäulen oder einer gewöhnlichen Haushaltssteckdose ist nicht möglich.
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Durch den Wunsch nach kürzeren Ladezeiten, steigt die Leistung dieser Lader ständig an. Mit steigender Leistung wächst jedoch auch das Volumen und das Gewicht der Komponente, was nachteilig ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Ladesysteme der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der Einsatzmöglichkeiten.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Primäreinheit als tragbare Komponente ausgebildet ist, wobei die erste Verbindungsschnittstelle und die zweite Verbindungsschnittstelle zum Bilden einer lösbaren elektrischen Verbindung ausgebildet ist, um das Laden oder Entladen der Traktionsbatterie zu ermöglichen.
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Die Ladevorrichtung (OBL) wird am Transformator in zwei Einheiten, nämlich Primäreinheit und Sekundäreinheit, aufgeteilt. Die Trafohälften werden als induktive Übertragungsspulen ausgeführt. Die Sekundäreinheit kann fest im Fahrzeug verbleiben, während die Primäreinheit als separate Komponente ausgeführt ist und aus dem Fahrzeug entfernt werden kann. Anders als bei dem bekannten System ist die erfindungsgemäße Primäreinheit jedoch nicht Teil einer speziellen Ladesäule; vielmehr kann die Primäreinheit als eigenständige Komponente mit einer Wechselspannungs-Anschlusskomponente, etwa einer standardisierten Ladedose, lösbar elektrisch verbunden werden. Da die Schnittstelle (Ladedose) zwischen Fahrzeug und Ladeinfrastruktur im Vergleich zu einem bekannten Elektrofahrzeug gleichbleibt, kann das Fahrzeug im Unterschied zum Stand der Technik an jeder gängigen jeder gängigen AC-Stromquelle betrieben werden.
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Möchte der Nutzer im Verlauf einer längeren Fahrt nicht Laden oder lediglich DC-Laden, kann die Primäreinheit aufgrund seiner Schnittstellen aus dem Fahrzeug entfernt werden. Somit kann das Volumen eingespart und das Gewicht verringert werden. Dadurch vergrößert sich das vom Kunden nutzbare Fahrzeugvolumen. Zudem führt das geringere Gewicht zu einem Performance- und Reichweitenvorteil. Möchte der Nutzer an seinem Hausanschluss Laden oder unterwegs AC-Laden, so kann der Nutzer die Primäreinheit flexibel wieder einsetzen.
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Es ist bevorzugt, dass die erste und zweite Verbindungsschnittstelle zueinander komplementäre Steckverbinderelemente aufweisen. Es ist bevorzugt, dass die erste und zweite Verbindungsschnittstelle miteinander induktiv koppelbare induktive Übertragungsmittel aufweisen. Die Verbindung zwischen Primäreinheit und Wechselspannungs-Anschlusskomponente muss nicht als Steckverbindung ausgeführt sein. Beispielsweise ist auch eine induktive Übertragung möglich. Somit kann die Primäreinheit vollständig gekapselt ausgeführt werden. Entsprechend wird ein robustes, Staub- und/oder Wassergeschütztes Design der Komponente ermöglicht.
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Vorzugsweise umfasst das Ladesystem eine mit dem Ladestromkreis elektrisch verbundene Gleichspannungs-Anschlusskomponente, die eine Gleichspannungs-Eingangsschnittstelle zum Anschließen an eine Gleichspannungs-Ladevorrichtung aufweist, um die Traktionsbatterie zu laden oder zu entladen. Die Gleichspannungs-Anschlusskomponente, kann auch als kombinierte AC- und DC-Ladedose (Wechselspannungs-Anschlusskomponente und Gleichspannungs-Anschlusskomponente), die auch einfach als Anschlusskomponente bezeichnet wird, ausgeführt sein. Denkbar ist auch, dass die Wechselspannungs-Anschlusskomponente und Gleichspannungs-Anschlusskomponente als zwei getrennte Ladedosen (AC-Ladedose, DC-Ladedose) verbaut sind. Die DC-Ladedose kann elektrisch leitend an den Ladestromkreis, das HV-Bordnetz oder direkt die HV-Batterie angeschlossen sein.
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Es ist bevorzugt, dass im Vergleich zu der Sekundäreinheit und/oder der Wechselspannungs-Anschlusskomponente die Primäreinheit leistungsschwächer ausgebildet ist. Werden sämtliche Schnittstellen auf die größte benötigte Leistung ausgelegt, so können verschiedene Primäreinheiten mit unterschiedlichen Leistungsklassen (beispielsweise 22 kW, 11 kW oder 3,7 kW) problemlos ausgetauscht werden. Demnach können wahlweise mit derselben Schnittstelle auch leistungsschwächere und damit kleinere Primäreinheiten eingesetzt werden.
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Vorzugsweise umfasst das Ladesystem eine Wechselspannungsanschlussleitung, die zum elektrischen Verbinden der Wechselspannungs-Eingangsschnittstelle mit einer Haushaltssteckdose ausgebildet ist. Mit dem entsprechenden Ladekabel ist auch das Laden an einer beliebigen Haushaltssteckdose möglich.
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Es ist bevorzugt, dass die Sekundäreinheit einen bidirektionalen Gleichrichter zum Gleichrichten einer induktiv empfangenen Induktionsspannung und zum Rückspeisen von elektrischer Energie aus der Traktionsbatterie umfasst. Der Gleichrichter im Fahrzeug kann vorzugsweise bidirektional ausgeführt werden. Dadurch kann Energie aus der Traktionsbatterie beispielsweise zurück ins Netz gespeist werden. Dies ist insbesondere für Smart-Charging Konzepte sinnvoll.
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Die Erfindung schafft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie und einem bevorzugten Ladesystem, wobei die Traktionsbatterie zum Laden oder Entladen an den Ladestromkreis, der als Hochvolt-Netz ausgebildet ist, angeschlossen ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Ladevorrichtung;
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ladesystems;
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Ladesystems;
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Ladesystems;
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5 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Ladesystems; und
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6 eine Variante eines erfindungsgemäßen Ladesystems.
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Es wird zunächst auf die 1 und 2 Bezug genommen, die ein Kraftfahrzeug 10 zeigen. Das Kraftfahrzeug 10 ist mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines Ladesystems 12 ausgestattet. Das Kraftfahrzeug 10 umfasst ferner ein Hochvolt-Netz 14 (HV-Netz 14), an das eine Traktionsbatterie 16 und ein Verbraucher 18, beispielsweise ein elektrischer Fahrmotor 20 zum Bewegen des Kraftfahrzeugs 10 angeschlossen sind.
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Das Ladesystem 12 umfasst ferner eine Wechselspannungs-Anschlusskomponente 22, die bevorzugt als standardisierte AC-Ladedose 24 ausgebildet ist. Die Wechselspannungs-Anschlusskomponente 22 weist eine Wechselspannungs-Eingangsschnittstelle 26 auf, die mittels eines Anschlusskabels 28 an eine Wechselspannungs-Ladesäule 30 anschließbar ist. Zudem umfasst die Wechselspannungs-Anschlusskomponente 22 eine erste Verbindungsschnittstelle 32 mit einem ersten Steckverbinderelement 34. Die erste Verbindungsschnittstelle 32 ist beispielsweise im Kofferraum vorgesehen ist.
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Das Ladesystem 12 umfasst weiter eine Primäreinheit 36 und eine Sekundäreinheit 38. Die Primäreinheit 36 weist eine zweite Verbindungsschnittstelle 40 auf, die ein zu dem ersten Steckverbinderelement 34 komplementär ausgebildetes und mit diesem lösbar elektrisch leitend verbindbares zweites Steckverbinderlement 42 aufweist. Die Primäreinheit 36 umfasst weiter einen AC-DC-Wandler mit Leistungskorrekturfilter-Funktion 44, um Ladewechselspannung von der Wechselspannungs-Ladesäule 30 in Gleichspannung umzuwandeln. Diese Gleichspannung wird zu einem DC-AC-Wandler 46 geleitet, um eine hochfrequente Induktionsspannung zu erzeugen.
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Die Primäreinheit 36 umfasst ein erstes induktives Übertragungsmittel 48, das bevorzugt als Übertragungsspule 50 ausgebildet ist. Das erste induktive Übertragungsmittel 48 bildet eine erste Transformatorhälfte 52.
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Die Sekundäreinheit 38 ist an das HV-Netz 14 angeschlossen und bildet mit diesem einen Ladestromkreis 54. Die Sekundäreinheit 38 umfasst ein zweites induktives Übertragungsmittel 56, das ebenfalls bevorzugt als Übertragungsspule 58 ausgebildet ist. Das zweite induktive Übertragungsmittel 56 bildet eine zweite Transformatorhälfte 60.
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Die von dem DC-AC-Wandler 46 erzeugte hochfrequente Induktionsspannung wird an das erste induktive Übertragungsmittel 48 angelegt. Das erste und zweite induktive Übertragungsmittel 48, 56 können so angeordnet werden, dass diese induktiv miteinander gekoppelt sind, um die hochfrequente Induktionsspannung zu dem zweiten Übertragungsmittel 56 zu übertragen. Die erste und zweite Transformatorhälfte 52, 60 bilden somit einen vollständigen Transformator 64.
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In dieser Konfiguration bilden die Primäreinheit 36 und die Sekundäreinheit 38 eine Ladevorrichtung 62 für das Laden oder Entladen der Traktionsbatterie 16.
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Die Sekundäreinheit 38 weist zudem einen bidirektionalen Gleichrichter 66 auf, so dass grundsätzlich auch elektrische Energie aus der Traktionsbatterie 16 entnommen und induktiv zurückgespeist werden kann.
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Durch die lösbaren Verbindungen der Primäreinheit 36 mit der Sekundäreinheit 38 und der Wechselspannungs-Anschlusskomponente 22 kann die Primäreinheit 36 aus dem Kraftfahrzeug 10 durch den Nutzer ohne großen Aufwand je nach Bedarf entfernt bzw. installiert werden.
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In den weiteren 3 bis 6 ist zur besseren Übersicht das Kraftfahrzeug 10 weggelassen. Es werden auch lediglich die Unterschiede zu dem bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Wie aus 3 ersichtlich, umfasst die erste Verbindungsschnittstelle 32 ein drittes induktives Übertragungsmittel 68 und die zweite Verbindungsschnittstelle 40 ein viertes induktives Übertragungsmittel 70. Die dritten und vierten Übertragungsmittel 68, 70 sind bevorzugt jeweils als Übertragungsspule 72, 74 ausgebildet. Mit dieser Ausgestaltung kann die Primäreinheit 36 vollständig gekapselt ausgeführt werden.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Ladesystem 12 eine Primäreinheit 76, die eine geringere Leistungsklasse aufweist, als die übrigen Komponenten des Ladesystems 12. Das Ladesystem 12 ist beispielsweise auf 22 kW ausgelegt, während die Primäreinheit 76 lediglich auf 11 kW ausgelegt ist. Falls ein Satz unterschiedlicher Primäreinheiten hinsichtlich der Leistungsklasse vorhanden ist, kann der Nutzer somit die jeweils angepasste Primäreinheit installieren und mehr Raum und Reichweite zur Verfügung haben im Vergleich zu Primäreinheiten mit größerer Leistungsklasse.
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Wie aus 5 ersichtlich, umfasst das Ladesystem 12 ein Wechselspannungsanschlussleitung 78, das an eine herkömmliche Haushaltssteckdose 80 und die Wechselspannungs-Anschlusskomponente 22 anschließbar ist. Ferner enthält das Wechselspannungsanschlussleitung 78 eine Steuereinheit 82, um einen sicheren Betrieb an der Haushaltssteckdose 80 zu gewährleisten.
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In 6 ist das Ladesystem 12 mit entnommener Primäreinheit 36 dargestellt. Zusätzlich ist eine Gleichspannungs-Anschlusskomponente 84 an das HV-Netz 14 bzw. den Ladestromkreis 54 angeschlossen, um wahlweise ein DC-Laden zu ermöglichen.
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Insgesamt kann mit den hierin beschriebenen Maßnahmen eine bessere Nutzung des Raumes im Kraftfahrzeug erreicht werden. Ferner kann Gewicht eingespart werden, was die Reichweite des Kraftfahrzeugs erhöht. Durch eine angepasste Auswahl der Primäreinheit, kann ferner ein guter Kompromiss zwischen diesen Faktoren gefunden werden. Zudem ist das Ladesystem mit einer großen Anzahl an Ladesäulen verwendbar, so dass eine spezialisierte Ladesäule vermieden werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 12
- Ladesystem
- 14
- Hochvoltnetz
- 16
- Traktionsbatterie
- 18
- Verbraucher
- 20
- Fahrmotor
- 22
- Wechselspannungs-Anschlusskomponent
- 24
- AC-Ladedose
- 26
- Wechselspannungs-Eingangsschnittstelle
- 28
- Anschlusskabel
- 30
- Wechselspannungs-Ladesäule
- 32
- Verbindungsschnittstelle
- 34
- Steckverbinderelement
- 36
- Primäreinheit
- 38
- Sekundäreinheit
- 40
- Verbindungsschnittstelle
- 42
- Steckverbinderelement
- 44
- AC-DC-Wandler mit Leistungskorrekturfilter-Funktion
- 46
- DC-AC-Wandler
- 48
- Übertragungsmittel
- 50
- Übertragungsspule
- 52
- Transformatorhälfte
- 54
- Ladestromkreis
- 56
- Übertragungsmittel
- 58
- Übertragungsspule
- 60
- Transformatorhälfte
- 62
- Ladevorrichtung
- 64
- Transformator
- 66
- Gleichrichter
- 68
- Übertragungsmittel
- 70
- Übertragungsmittel
- 72
- Übertragungsspule
- 76
- Primäreinheit
- 78
- Wechselspannungsanschlussleitung
- 80
- Haushaltssteckdose
- 82
- Steuereinheit
- 84
- Gleichspannungs-Anschlusskomponente
