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Heutzutage verfügbare DC-Schnellladestationen (DC: direct current - Gleichstrom) für Elektroautos arbeiten üblicherweise mit einer Ladespannung von 400 Volt. Die Ladeleistung solcher Ladestationen liegt im Bereich von 50 Kilowatt. Um noch schnellere Ladevorgänge zu ermöglichen und damit die Benutzerfreundlichkeit insbesondere unter dem Gesichtspunkt des Verhältnisses von Fahrtzeit zu Ladezeit weiter zu erhöhen, kommen bei Antriebssystemen elektrisch angetriebener Fahrzeuge vermehrt höhere Batterie-Spannungen zum Einsatz, die weit oberhalb von 400 V der typischen DC-Schnellladesäulen liegen. Als Beispiel sei hier das Turbo-Charging-Konzept von Porsche erwähnt, bei dem die Spannungslage beim Ladevorgang 800 Volt beträgt. Die Verdopplung der Spannungslage bei gleichbleibender Stromstärke und damit bei gleicher elektrischer Belastung der Ladepins am Ladekabel ermöglicht eine Halbierung der Ladezeit.
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Für den Benutzer eines modernen Elektrofahrzeugs, in welchem die 800-Volt-Hochleistungsladetechnik zum Einsatz kommt, kann diese jedoch problematisch werden, da heutzutage noch eine Mehrzahl der Schnellladestationen mit einer Spannungslage von 400 Volt arbeitet und nicht die 800 Volt bereitstellen kann. Um ein Elektrofahrzeug mit der 800 Volt Hochleistungsladetechnik trotzdem an bestehenden 400 V Schnellladesäulen laden zu können, muss eine Gleichspannungswandlung erfolgen, mittels welcher die Ladespannung der Ladesäule von beispielsweise 400 V auf 800 V für die HV-Fahrzeugbatterie hochgesetzt wird.
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Diese für die Anhebung der Spannungslage erforderliche Gleichspannungswandlung kann beispielswiese von einem dedizierten Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) vorgenommen werden, der allerdings aufgrund der hohen nötigen Leistung teuer ist und einen großen Bauraum belegt und damit keine praktikable Lösung des Problems darstellt. Zudem erhöht ein solcher Gleichspannungswandler das Fahrzeuggewicht wesentlich, wodurch die Reichweite beeinträchtigt wird.
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Alternativ kann der Wechselrichter des Fahrzeugs, welcher auch als Antriebsinverter bezeichnet wird, zweckentfremdet werden. Mithilfe der Phaseninduktivität der elektrischen Maschine und durch geeignete Ansteuerung der Halbleiterelemente des Antriebsinverters lässt sich die Funktionsweise eines Aufwärtswandlers (auch als Boost-Konverter bezeichnet) nachbilden. Der Aufwärtswandler konvertiert dann die niedrigere Spannung der Ladesäule auf die höhere Spannung der Hochvolt-Batterie (im Folgenden als HV-Batterie bezeichnet) des Fahrzeugs, wobei die Wandlung über die Phaseninduktivität der elektrischen Maschine erfolgt (von Phase zu Sternpunkt). Ein über den Antriebsinverter des Elektroautos stattfindender Ladevorgang hat den Vorteil, dass dadurch eine 800 V HV-Batterie an jeder konventionellen Ladesäule geladen werden kann ohne den Einsatz zusätzlicher Ladeelektronik (wie z. B. eines dedizierten DC/DC-Konverters).
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Der Ladevorgang von Elektrofahrzeugen an Ladestationen kann beispielsweise nach Vorgaben des interanationalen Standards IEC 61851 (International Electrotechnical Commission) normiert sein, wobei diese Normenreihe in zahlreichen europäischen Ländern Anwendung findet. Gemäß dieser Norm ist die Ladestation spannungslos, bis ein Elektrofahrzeug verbunden wird und der Ladestrom wird erst nach erfolgreichem Durchlaufen einer Start- bzw. Initialisierungssequenz eingeschaltet. Neben der Überprüfung der Isolation des Fahrzeugs ist die Spannungssynchronisation ein primäres Ziel der Startsequenz. Darunter wird die Anpassung der Ladespannung der Ladesäule an die Spannung der HV-Batterie (im Rahmen einer vordefinierten Toleranz) verstanden. Bei dem über den Antriebsinverter stattfindenden Ladevorgang einer HV-Batterie ist die Ladestation nicht wie im üblichen Fall direkt an die Batterie des Fahrzeugs angeschlossen, sondern mit einem der beiden Pole an den Sternpunkt der elektrischen Maschine. Dadurch sind der Antriebsinverter und die elektrische Maschine zwischen Ladestation und HV-Batterie geschaltet, so dass diese Topologie eine Spannungssynchronisation nach den Vorgaben der IEC 61851 nicht zulässt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Protokolls für den Startvorgang des DC-Ladevorgangs und für die damit einhergehende stattfindende Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs, insbesondere einer Traktionsbatterie, gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt ein Ladevorgang an einer Gleichstromladevorrichtung zugrunde, beispielsweise einer Ladesäule einer Stromtankstelle für Elektroautos. Bei dem Ladevorgang kann die bereits im Elektrofahrzeug vorhandene elektrische Infrastruktur, insbesondere der Antriebsinverter und die daran angeschlossene elektrische Maschine (Elektromotor), verwendet werden, um ein Hochsetzen eines zu niedrigen Spannungspegels der Gleichstromladevorrichtung auf ein zum Laden der HV-Batterie des Elektrofahrzeugs erforderlichen höheren Spannungspegel zu bewerkstelligen. Das hier vorgestellte Verfahren ist mit dem gemäß IEC 61851 (deutsche Fassung DIN EN 61851-23 (VDE 0122-2-3)) normierten Ladeverfahren kompatibel, wobei die Norm kabelgebundene Batterie-Ladevorgänge an Gleichstromladestationen (DC-Ladestationen) für Elektrofahrzeuge betrifft. Im Anhang CC der Norm werden die Eigenschaften des für Europa vorgesehenen „Combined Charging System“ beschrieben. Das hier vorgestellte Verfahren entspricht einer Abwandlung des im Abschnitt 3.2 „Normaler Startvorgang“ des Anhangs CC der IEC 61851 Norm beschriebenen Ladeverfahren für den Fall, dass die Ladegleichspannung der Gleichstromladestation zu gering ist, d. h. in erheblichem Maße von der Betriebsspannung der HV-Batterie abweicht, und hochgesetzt werden muss.
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Zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine fahrzeugseitige Ladeschnittstelle mit der Gleichstromladevorrichtung verbunden, wobei ein erster Pol der Gleichstromladevorrichtung mit einem ersten Pol der Batterie gekoppelt wird und ein zweiter Pol der Gleichstromladevorrichtung mit dem Sternpunkt des Elektromotors gekoppelt wird. Bei dem ersten Pol der Gleichstromladevorrichtung und dem ersten Pol der Batterie, die miteinander gekoppelt werden, kann es sich um gleichnamige Pole handeln, also um jeweils den positiven Pol oder den negativen Pol. Der entsprechend andere Pol der Gleichstromladevorrichtung wird dann an den Sternpunkt des Elektromotors gekoppelt. Zu diesem Zeitpunkt findet noch kein Stromfluss statt, da zunächst eine Initialisierung und eine Prüfung der Isolation durchgeführt werden. Es wird dann eine erste Spannung ermittelt, welche der Spannung der Batterie entspricht. Die erste Spannung kann beispielsweise direkt zwischen den Polen der Batterie abgegriffen werden.
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Ausgehend von der ermittelten ersten Spannung wird daraufhin mindestens ein Schalter des Inverters, welcher zwischen einem ersten Pol der Batterie und einer Induktivität des Elektromotors angeordnet ist, derart angesteuert, dass der Schalter in einen getakteten Betrieb übergeht. Bei dem angesteuerten Schalter kann es sich um einen beliebigen Low-Side-Schalter (falls es sich bei dem zweiten Pol der Batterie um den positiven Pol handelt) bzw. High-Side-Schalter (falls es sich bei dem zweiten Pol der Batterie um den negativen Pol handelt) des Inverters handeln, (üblicherweise einen Transistor wie z. B. einen Hochleistungs-MOSFET), also einen Schalter, welcher eine schaltbare leitende Verbindung zwischen einer Induktivität der elektrischen Maschine und dem ersten Pol der Batterie bereitstellt. Der mindestens eine Schalter, die dazugehörige Stranginduktivität und die dazugehörige Diode, welche parallel zu dem anderen in der Halbbrücke des angesteuerten Schalters angeordneten Schalter angeordnet ist, bilden bei geeigneter Ansteuerung des Schalters einen Aufwärtswandler. Bei Bedarf können die entsprechenden Bauteile der anderen Halbbrücken samt dazugehöriger Stranginduktivität verwendet werden zur Realisierung weiterer Aufwärtswandler, die parallel zueinander geschaltet sind. Bei einem dreiphasigen Elektromotor beispielsweise können also auch zwei Low-Side bzw. High-Side-Schalter oder drei Low-Side bzw. High-Side-Schalter alle in gleicher Weise getaktet angesteuert werden, um zwei oder drei parallel geschaltete Aufwärtswandler bereitzustellen. Die Taktung des Betriebes des mindestens einen Schalters bestimmt das Übersetzungsverhältnis bzw. den Tastgrad (duty cycle) des dazugehörigen Aufwärtswandlers. Durch den getakteten Betrieb des Schalters stellt sich zwischen dem ersten Pol der Batterie, an den ein Anschluss des getaktet betriebenen Schalters angeschlossen ist, und dem Sternpunkt der elektrischen Maschine eine zweite Spannung ein, welche geringer ist als die erste Spannung. Die zweite Spannung entspricht auch der Spannung, die sich auf der Fahrzeugseite an den Ladeschützen einstellt. Unter einem Ladeschütz kann ein Trennschalter verstanden werden, welcher zur galvanischen Verbindung/Trennung der fahrzeugseitigen Ladedose vom HV-System, also der Gleichstromladevorrichtung, verwendet wird.
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Im nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zweite Spannung, welche sich durch den getakteten Betrieb des mindestens einen Schalters des Inverters zwischen dem Sternpunkt des Elektromotors und dem ersten Pol der Batterie eingestellt hat, ermittelt. Daraufhin wird eine Differenz zwischen der zweiten Spannung und der von der Gleichstromladevorrichtung bereitgestellten Ladegleichspannung ermittelt. Schließlich wird, falls die ermittelte Differenz einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, die Ladegleichspannung und/oder die zweite Spannung angepasst. Ziel der Anpassung ist es, die Differenz zwischen der zweiten Spannung und der Ladegleichspannung zu minimieren, so dass sie mindestens kleiner ist als der vorgegebene Grenzwert. Ist diese Bedingung erfüllt, kann das Elektrofahrzeug eine Leistungsanforderungsnachricht an die Gleichstromladevorrichtung übermitteln, um seine Bereitschaft für den Ladevorgang zu signalisieren.
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Mit dem getakteten Betrieb des mindestens einen Schalters des Antriebsinverters wird das Ziel verfolgt, dass der Wert der zweiten Spannung im Optimalfall der Ladegleichspannung entspricht. In der Praxis genügt es, wenn die Abweichung zwischen der zweiten Spannung und der Ladegleichspannung innerhalb einer vordefinierten Toleranz liegt, beispielsweise nicht mehr als 20 V beträgt, wie im Abschnitt 3.2 des Anhangs CC der IEC 61851 Norm vorgegeben. Der initial eingestellte Tastgrad (z. B. D=0,75) kann einem vorbestimmten standardmäßigen Tastgrad entsprechen. Der initial eingestellte Tastgrad kann mittels einer Regelschleife iterativ angepasst werden, um die zweite Spannung an die Ladegleichspannung anzugleichen. Den situationsabhängigen Spannungskonversionen (z. B. von 800 V der HV-Batterie auf 400 V der Gleichspannungsladestation) können initiale Tastgrade zugeordnet sein, die in einem Speicher abrufbar vorliegen, so dass die Angleichung der Spannungen schneller erreicht werden kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann das Anpassen der Ladegleichspannung Übermitteln von mindestens einer Nachricht an die Gleichstromladevorrichtung aufweisen. Mittels der mindestens einen Nachricht, bei der es sich um eine zyklische Nachricht 5b gemäß Abschnitt 3.2 des Anhangs CC der IEC 61851 Norm handeln kann, kann ein für die Batterie des Elektrofahrzeugs erforderlicher Spannungswert der Ladegleichspannung an die Gleichspannungsladestation übermittelt werden. Da sich die zweite Spannung ausgehend von einer herabgesetzten Batteriespannung durch den getakteten Betrieb des Schalters des Antriebsinverters einstellt, kann also gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Ladegleichspannung an die aktuelle Einstellung des Tastgrades angepasst werden. Dadurch wird nach Abschalten der Isolation und bei einsetzendem Ladestrom diese so eingestellte Ladegleichspannung von dem Aufwärtswandler automatisch auf die Betriebsspannung der Batterie hochgesetzt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann das Anpassen der zweiten Spannung Anpassen der Einschaltzeit des mindestens einen Schalters aufweisen. Die Anpassung der Einschaltzeit des mindestens einen Schalters entspricht einer Anpassung des Tastgrades des Aufwärtswandlers, mittels welchem unmittelbar die zweite Spannung angepasst werden kann. Diese Maßnahme kann alternativ oder ergänzend zu (d. h. zusammen mit) dem Anpassen der Ladegleichspannung erfolgen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Verfahren ferner Deaktivieren einer Isolationsvorrichtung zur Herbeiführung eines Stromflusses von der Gleichstromladevorrichtung zur Batterie aufweisen, wenn die Differenz zwischen der zweiten Spannung und der Ladegleichspannung unterhalb des vorgegebenen Grenzwertes liegt. Das Deaktivieren einer Isolationsvorrichtung kann dem Vorgang gemäß Abschnitt 3.2 des Anhangs CC der IEC 61851 Norm entsprechen, welcher in der Zeitspanne (t6->t7) stattfindet.
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Wie eingangs erwähnt, erfolgt nach dem Anschließen des Ladesteckers der Gleichstromladevorrichtung an die fahrzeugseitige Ladeschnittstelle der Stromfluss erst dann, wenn die Initialisierung und die Prüfung der Isolation erfolgreich verlaufen sind. Während dieser Zeit ist die Isolationsvorrichtung aktiv.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann die Einschaltzeit des mindestens einen Schalters in Abhängigkeit von der ersten Spannung, d. h. der Batteriespannung, eingestellt werden. Dazu können beispielsweise verschiedene Werte für den initialen Tastgrad des Schalters in einem Speicher abgelegt sein, auf die im Rahmen des Verfahrens zugegriffen werden kann. Die Tastgrade können beispielsweise in einem zweidimensionalen Array vorliegen, wobei ein in einer jeweiligen Ladeumgebung optimaler Tastgrad sowohl von der Spannung der HV-Batterie des Elektrofahrzeugs als auch von der Ladegleichspannung abhängen kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Verfahren ferner Übermitteln einer Vorladeanfrage an die Gleichstromvorrichtung zur Einstellung der von der dieser bereitgestellten Ladegleichspannung aufweisen. Mittels der Vorladeanfrage können der Gleichstromvorrichtung ein Soll-Wert für den Ladestrom sowie ein Soll-Wert für die Ladegleichspannung übermittelt werden. Mit dem Übermitteln der Vorladeanfrage beginnt die Vorladephase, wie im Abschnitt 3.2 des Anhangs CC der IEC 61851 Norm definiert.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das getaktete Ansteuern des mindestens einen Schalters gleichzeitig mit dem oder nach dem Ermitteln einer ersten Spannung erfolgen. Mit anderen Worten kann die Schaltfreigabe für den Schalter des Antriebsinverters, welche den Zugriff an den Schalter ermöglicht, und das Starten der Ansteuerung des Schalters zum Zeitpunkt t5 erfolgen, wie er im Abschnitt 3.2 des Anhangs CC der IEC 61851 Norm definiert ist. Das Ansteuern des mindestens einen Schalters kann bevorzugt mittels eines PWM-Signals erfolgen.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Startvorgang des DC-Ladevorgangs so definiert werden, dass er mit den Vorgaben der IEC 61851 Norm kompatibel ist. Das hier vorgestellte Verfahren stellt eine Ergänzung bzw. Erweiterung des gemäß IEC 61851 normierten Startvorgangs dar, welche der abgewandelten Schaltkreistopologie des Antriebinverter-Ladens, welche für die Spannungskonversion erforderlich ist, Rechnung trägt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken. Insbesondere sind die Dimensionen und geometrische Relationen der in den Figuren dargestellten Elemente nicht als limitierend zu werten. Die im Rahmen dieser Anmeldung verwendeten Begriffe „gekoppelt“ oder „verbunden“ in Bezug auf elektrische Bauteile werden allgemein so verstanden, dass die entsprechenden elektrischen Bauteile mittels gezielt vorgesehener elektrischer Verbindungen miteinander verbunden sind.
- 1 veranschaulicht den erfindungsgemäßen Ladevorgang der Batterie in einem Elektrofahrzeug.
- 2 veranschaulicht den erfindungsgemäßen Ladevorgang der Batterie in einem Elektrofahrzeug in größerem Detail.
- 3 zeigt ein Flussdiagramm, in dem das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht ist.
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In 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Laden einer Batterie 2 eines Elektrofahrzeugs an einer Gleichstromladevorrichtung 10 veranschaulicht. Auf der Fahrzeugseite ist die Batterie 2 mit einem vorzugsweise bidirektionalen Antriebsinverter 3 gekoppelt, welcher wiederum mit einem elektrischen Motor 4 (elektrische Maschine) gekoppelt ist. Der elektrische Motor 4 wird üblicherweise in einer dreiphasigen Sternschaltung betrieben, so dass auch der Antriebsinverter 3 dreiphasig ist. Statt eines dreiphasigen Systems können auch höherphasige Systeme, beispielsweise vierphasige, fünfphasige, sechsphasige Systeme, verwendet werden. Der Antriebsinverter 3 (auch als Leistungselektronik bezeichnet) wandelt die Gleichspannung der HV-Batterie 2 in eine dreiphasige Wechselspannung um, welche für den Betrieb des elektrischen Motors 4 erforderlich ist. Der elektrische Motor 4 wandelt die elektrische Energie in mechanische Energie um, die zur Bewegung des Fahrzeugs führt. Die Batterie 2, der Antriebsinverter 3 und der elektrische Motor 4 stellen die Grundbestandteile eines ausschließlichen oder ergänzenden elektrischen Antriebsstrangs 1 eines Elektrofahrzeugs dar. Im Allgemeinen kann der Antriebsstrang auch für mehr als drei Phasen ausgelegt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einem Szenario aus, bei dem die Gleichspannungsladevorrichtung 10 nicht in der Lage ist, eine für das Laden der Batterie 2 des Elektrofahrzeugs genügend hohe Ladespannung bereitzustellen. In der Praxis kann es vorkommen, dass es sich bei der Gleichspannungsladevorrichtung 10, welche einen Ladestecker 11 mit mindestens einem ersten Kontakt 12 und einem zweiten Kontakt 13 aufweist, um eine 400 V Ladesäule handelt, das Fahrzeug jedoch über einen modernen Elektroantrieb verfügt, dessen HV-Batterie 2 eine Betriebsspannung von 800 V aufweist. In einem solchen Fall kann die HV-Batterie 2 nicht wie üblich direkt an die Gleichspannungsladevorrichtung 10 angeschlossen werden, d. h. über die beiden Ladekontakte der fahrzeugseitigen Ladedose 5 im Wesentlichen mit den beiden Kontakten 12, 13 des Ladesteckers 11 der Gleichstromladevorrichtung 10.
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Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einem solchen Fall die Ladekontakte der fahrzeugseitigen Ladedose 5 im Vergleich zum gewöhnlichen Ladevorgang, bei dem die beiden Ladekontakte der fahrzeugseitigen Ladedose 5 im Wesentlichen mit den beiden Polen der Batterie 2 verbunden sind, anders geschaltet. In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem der üblicherweise mit dem Pluspol der Batterie 2 verbundene Ladekontakt der fahrzeugseitigen Ladedose 5 mittels einer ersten Leitung 6, welche mit dem oberen Kontakt der fahrzeugseitigen Ladedose 5 gekoppelt ist, mit dem Sternpunkt 8 des elektrischen Motors 4 verbunden. Hierzu kann der Sternpunkt 8 innerhalb des Elektrofahrzeugs entsprechend herausgeführt werden. Es wird also der positive Pol der Gleichstromladesäule 10, welcher in 1 dem ersten Kontakt 12 entspricht, an den Sternpunkt 8 des elektrischen Motors 4 angeschlossen. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bleibt die elektrische Verbindung des negativen Pols der Gleichstromladesäule 10, welcher in 1 dem zweiten Kontakt 13 entspricht, mit dem negativen Pol der HV-Batterie 2 mittels einer zweiten Leitung 7 unverändert, wobei die zweite Leitung 7 mit dem unteren Kontakt der fahrzeugseitigen Ladedose 5 gekoppelt ist. Diese gegenüber dem gewöhnlichen Ladevorgang abgewandelte Schaltungskonfiguration lässt sich beispielsweise mit einem Zwei-Wege-Schalter realisieren, welcher je nach Stellung die Ladedose 5 so konfiguriert, dass der entsprechende Ladekontakt entweder mit dem Sternpunkt 8 der elektrischen Maschine 4 oder direkt mit dem Pluspol der Batterie 2 gekoppelt wird. Abweichend von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel die fahrzeugseitige Ladedose 5 auch anders geschaltet werden, nämlich derart, dass der erste Kontakt 12 des Ladesteckers 11 (d. h. der positive Pol der Gleichstromladesäule 10) mit dem positiven Pol der HV-Batterie 2 und der zweite Kontakt 13 des Ladesteckers 11 (d. h. der negative Pol der Gleichstromladesäule 10) mit dem Sternpunkt 8 des elektrischen Motors 4 gekoppelt wird. Entsprechend würde dann, anders als in 1 gezeigt, die erste Leitung 6 an die zwischen Pluspol der HV-Batterie 2 und Antriebsinverter 3 verlaufende Leitung gekoppelt werden und die zweite Leitung 7 würde an den Sternpunkt 8 der elektrischen Maschine gekoppelt sein.
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Beim normalen Betrieb des Elektrofahrzeugs erfolgt der Energiefluss von der HV-Batterie 2 zum elektrischen Motor 4. Diese Energieflussrichtung wird im Folgenden als normale Energieflussrichtung bezeichnet. Bei dem Ladeverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt der Energiefluss rückwärts, also von der Gleichspannungsladevorrichtung 10 über mindestens eine Induktivität des elektrischen Motors 4 durch den Antriebsinverter 3 zur HV-Batterie 2, wobei eine Induktivität der elektrischen Maschine 4 und mindestens ein dazugehöriger Ast des Inverters 3, zum Beispiel die dazugehörige Halbbrücke, als Aufwärtswandler betrieben werden. Der in 1 gezeigte Sternpunkt 8 der elektrischen Maschine 4 wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren als Zugang verwendet, um entgegen der normalen Energieflussrichtung einen Boost-Konverter zu realisieren. Dabei fungiert eine Stranginduktivität des elektrischen Motors 4 als Boost-Induktivität des Gleichspannungswandlers. Grundsätzlich ist der Sternpunkt bei elektrischen Maschinen weder zugänglich noch elektrisch kontaktierbar. Für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Elektrofahrzeug entsprechend vorbereitet werden und der Sternpunkt kann gezielt aus dem Gehäuse herausgeführt werden. Auf die Funktionsweise eines Aufwärtswandlers als solchen wird im Rahmen dieser Anmeldung nicht näher eingegangen, da dieser aus dem Stand der Technik wohlbekannt ist.
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Die schematische Darstellung der am erfindungsgemäßen Ladevorgang beteiligten Komponenten ist in 2 in größerem Detail dargestellt, wobei Elemente, die denen aus 1 gleichen, auch die gleichen Bezugszeichen wie in 1 aufweisen und nicht wiederholt beschrieben werden. Wie dargestellt, weist die Batterie 2 einen Pluspol und einen Minuspol auf. Die Batterie 2 ist über einen ersten Knoten 27 und einem zweiten Knoten 28 mit dem Inverter 3 verbunden. Die Spannung der Batterie 2 kann beispielsweise zwischen den Knoten 27, 28 bestimmt werden. Der Antriebsinverter 3 weist im gezeigten Beispiel drei Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltern pro Halbbrücke auf, wobei jede Halbbrücke mit jeweils einer Induktivität der elektrischen Maschine 4 gekoppelt ist. Zwischen dem Sternpunkt 8 der elektrischen Maschine 4 und dem ersten Ladekontakt 25 der fahrzeugseitigen Ladedose 5 ist ein erstes optionales Sicherungselement 21 zwischengeschaltet. Ebenso ist zwischen dem zweiten Knoten 28 und dem zweiten Ladekontakt 26 der fahrzeugseitigen Ladedose 5 ein zweites optionales Sicherungselement 22 zwischengeschaltet. Zwischen jedem der Sicherungselemente 21, 22 und dem entsprechenden Ladekontakt 25, 26 ist ferner eine Abschalteinrichtung geschaltet (erste Abschalteinrichtung 23 und zweite Abschalteinrichtung 24). Die Abschalteinrichtungen 23, 24 verbleiben während der anfänglichen Phase des Ladevorgangs (während der Initialisierung und der Prüfung der Isolation) eingeschaltet bzw. aktiviert, so dass kein Stromfluss von der Gleichspannungsladevorrichtung 10 zur Batterie 2 fließen kann. Erst nach erfolgreichem Abschluss der Initialisierung und Prüfung der Isolation werden die Abschalteinrichtungen 23, 24 ausgeschaltet bzw. deaktiviert und geben einen Fluss des Vorladestroms frei. Während des Betriebs des Antriebsstrangs 1 als Aufwärtswandler kann jede der Stranginduktivitäten des elektrischen Motors 4 (in 2 durch schwarz ausgefüllte Rechtecke innerhalb des elektrischen Motors 4 repräsentiert) verwendet werden - einzeln oder gleichzeitig zusammen mit mindestens einer weiteren Stranginduktivität. Wird beispielsweise der oberste Strang des elektrischen Motors 4 verwendet, so entspricht im Antriebsinverter 3 der erste Transistor T4, welcher in 2 einem Low-Side-Schalter des Inverters 3 darstellt, dem Schalter, welcher getaktet betrieben wird und als Schalter des Aufwärtswandlers fungiert. Bei Bedarf kann auch zusätzlich mindestens einer der beiden anderen Low-Side-Schalter (d.h. Transistor T6 und Transistor T2) parallel getaktet betrieben werden, wodurch die anderen Äste des Elektromotors 4 und des Inverters 3 in die Aufwärtswandlung der Spannung einbezogen werden.
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Ausgehend von einem beispielhaften Fall, bei dem der oberste Strang des elektrischen Motors 4 zum Betrieb des Aufwärtswandlers verwendet wird, ist bei geschlossenem Schalter T4 während der Aufwärtswandlungsphase die Batterie 2 zusammen mit einer in der Halbbrücke über dem Schalter T4 angeordneten Diode D1 und einer in 2 nicht dargestellten Kapazität, welche zwischen dem ersten Knoten 27 und dem zweiten Knoten 28 geschaltet ist, kurzgeschlossen. Der Ladestrom von der Gleichstromladevorrichtung 10 fließt dann einzig durch die entsprechende Stranginduktivität des elektrischen Motors 4. Dies führt zum Aufbau eines Magnetfeldes innerhalb der Induktivität und damit zur Speicherung von Energie. Bei geöffnetem Schalter T4 fließt der Strom durch den Lastkreis, d. h. durch die Diode D1 und die Batterie 2. Gleichzeitig baut sich das Magnetfeld der Induktivität des elektrischen Motors 4 ab und lädt sowohl die Batterie 2 als auch die in 2 nicht dargestellte Kapazität auf, welche zwischen dem ersten Knoten 27 und dem zweiten Knoten 28 zwischengeschaltet ist. Wird der Schalter T4 wieder geschlossen, dient diese Kapazität der Batterie 2 weiterhin als Spannungsquelle. Die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers über der Batterie 2 ist insgesamt im Mittel höher als die von der Gleichladevorrichtung 10 bereitgestellte Ladespannung. Auf diese Weise lässt sich eine zu niedrige Ladespannung einer Gleichspannungsladevorrichtung 10 in eine höhere Spannung transformieren, bei der die Batterie 2 geladen werden kann. Da jedoch nach der Leistungsbilanz eines idealen Konverters die Eingangsleistung gleich der Ausgangsleistung sein muss, hat eine erhöhte Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers einen im gleichen Maße verringerten Ausgangsstrom zur Folge.
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In 3 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Flussdiagramms veranschaulicht mit Rückgriff auf das in 2 gezeigte Gesamtsystem. In einem ersten Schritt 31 wird die fahrzeugseitige Ladeschnittstelle 5 mit der Gleichstromladevorrichtung 10, wobei der erste Pol der Gleichstromladevorrichtung 10, beispielsweise der negative Pol 13, mit dem ersten Pol der HV-Batterie 2, beispielsweise dem negativen Pol, gekoppelt wird und der entsprechend andere Pol der Gleichstromladevorrichtung 10 mit dem Sternpunkt 8 des Elektromotors 4 gekoppelt wird. In einem nächsten Schritt 32 wird eine erste Spannung ermittelt, welche der Spannung der Batterie 2 entspricht. Diese kann beispielsweise zwischen dem ersten und zweiten Knoten 27, 28 bestimmt werden. In einem nächsten Schritt 33 wird mindestens ein Schalter des Inverters 4, welcher zwischen dem negativen Pol der Batterie 2 und einer Induktivität des Elektromotors 4 angeordnet ist, derart angesteuert, dass der Schalter in einen getakteten Betrieb übergeht. In einem nächsten Schritt 34 wird eine zweite Spannung ermittelt, welche sich durch den getakteten Betrieb des mindestens einen Schalters des Inverters zwischen dem Sternpunkt 8 des Elektromotors 4 und dem ersten Pol der Batterie 2 eingestellt hat. Die zweite Spannung kann beispielsweise zwischen dem ersten Sicherungselement 21 und dem zweiten Sicherungselement 22 ermittelt werden. In einem nächsten Schritt 35 wird eine Differenz zwischen der zweiten Spannung und der von der Gleichstromladevorrichtung 10 bereitgestellten Ladegleichspannung ermittelt. Abschließend werden in einem nächsten Schritt die Ladegleichspannung und/oder die zweite Spannung angepasst, falls die ermittelte Differenz einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
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Im Hinblick auf den konventionellen Ladevorgang eines Elektrofahrzeugs, wie er in Abschnitt 3.2 „Normaler Startvorgang“ des Anhangs CC der IEC 61851 Norm definiert ist, findet im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem der Ladevorgang mit Boost-Funktion zur Spannungssynchronisation mit der Gleichstromladevorrichtung eine modifizierte Vorladeanfrage <5a> statt. Zu diesem Zwecke werden die in der Norm zu Zeitpunkten t5 und (t6->t7) definierten Vorgänge modifiziert ausgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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