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Kraftfahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen ein Bordnetz mit einem elektrischen Energiespeicher in Form einer Batterie auf, die zum Antreiben des Kraftfahrzeugs den elektrischen Antrieb speist. Es werden bekanntermaßen Plug-In-Anschlüsse, d.h. galvanisch verbindende am Kraftfahrzeug verwendet, um den Energiespeicher aufzuladen oder zur Rückspeisung mit einem stationären Versorgungsnetz verbinden. Hierzu werden Ladestationen eingesetzt, die zwischen dem Versorgungsnetz und dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs geschaltet sind. Fahrzeuge, die konduktiv ladbar (allgemein: an ein stationäres Netz konduktiv verbindbar) sind, werden hierin auch als „Plug-In-Fahrzeuge“ bezeichnet. Derartige Fahrzeuge können Elektrofahrzeuge sein oder können Hybridfahrzeuge sein, die im Gegensatz zu Elektrofahrzeugen einen von mehreren Antrieben aufweisen, der elektrisch ist. Mit anderen Worten sind konduktiv ladbare Fahrzeuge, die über einen (konduktiven) Anschluss, etwa ein Steckanschluss, elektrisch von außen kontaktiert werden können. Über einen derartigen Anschluss elektrische Leistung von oder zu einer Fahrzeugbatterie (insbesondere eine Traktionsbatterie) zu übertragen, ist der Anschluss direkt oder indirekt (etwa über einen Wandler, eine Ladevorrichtung, Sicherheitselemente u.a.) mit der Batterie (insbesondere eine Traktionsbatterie) des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs verbunden.
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Um gefährliche Berührspannungen am Kraftfahrzeug zu vermeiden, werden galvanisch trennende Einrichtungen wie Transformatoren in der Ladestation verwendet, wobei auch bekannt ist, Einrichtungen zur Begrenzung der Berührspannung im Fahrzeug, etwa fahrzeugseitige Transformatoren oder andere Mittel, zu verwenden.
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Eine galvanisch verbindende Anbindung des Fahrzeugbordnetzes hat den Vorteil, dass stationäre (oder fahrzeuggebundene) Transformatoren entfallen können und ferner der Strom nicht durch die Maximalleistung der Transformatoren begrenzt ist. Allerdings sind entsprechende Ladestationen nicht geeignet, um mit Kraftfahrzeugen verbunden zu werden, die eine ladestationsseitige galvanische Trennung erfordern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Vorteile und Wirkungsweisen ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der beigefügten Figur.
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Es ist vorgesehen, in der Ladestation einen galvanisch trennenden DC/DC-Wandler vorzusehen, über den bei Bedarf der Strom geleitet wird, d.h. wenn das anzuschließende Kraftfahrzeug einen galvanisch trennenden Anschluss an die Ladestation erfordert. Falls das anzuschließende Fahrzeug zur galvanisch verbindenden Anbindung an die Ladestation ausgerüstet ist, wird ein Überbrückungsschalter, der parallel zum DC/DC-Wandler liegt, geschlossen. Dadurch lassen sich höhere Ströme übertragen, insbesondere Ströme, die über dem Maximalstrom des DC/DC-Wandlers liegen.
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Dadurch wird eine Kompatibilität auch für Fahrzeuge erreicht, die eine galvanische Trennung seitens der Ladestation erfordern. Gleichzeitig können Fahrzeuge, die diese nicht nutzen, von der direkten Anbindung an eine Gleichspannungsschiene profitieren, da in diesem Fall die Ladeleistung bzw. allgemein die zwischen Fahrzeug und Ladestation übertragene Leistung nicht durch die Maximalleistung des galvanisch trennenden DC/DC-Wandlers beschränkt ist.
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Es wird somit eine Ladestation für Plug-in-Fahrzeuge vorgesehen. Diese kann unidirektional ausgestattet sein, d. h. zur Übertragung von Leistung an das Fahrzeug, kann jedoch auch bidirektional ausgestattet sein, um (auch) eine Rückspeisung von Energie vom Fahrzeug in ein Versorgungsnetz (an das die Station angeschlossen ist) zu ermöglichen. Die Ladestation kann somit auch ferner die Funktion des Rückspeisens übernehmen und bildet somit eine Lade-/Rückspeisestation oder, mit anderen Worten, eine Anschlussstation für Plug-in-Fahrzeuge. Die Ladestation ist eine kabelgebundene Ladestation, welche zum Anschluss an das Fahrzeug einen Fahrzeuganbindungsanschluss umfasst. Dieser kann auch als Ladeanschluss bezeichnet werden und/oder als Rekuperationsanschluss. Der Fahrzeuganbindungsanschluss ist insbesondere ein Steckanschluss, der vorzugsweise gemäß einer Norm für elektrische Stecker ausgebildet ist (etwa IEC 62196, CGS oder ISO/IEC 61851-23 bzw. ISO/IEC 61851-24). Der Fahrzeuganbindungsanschluss ist insbesondere ein Gleichstromanschluss und umfasst somit zumindest einen Plus- und einen Minuskontakt zur Übertragung einer Gleichspannung bzw. Gleichstroms.
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Das Plug-In-Fahrzeug umfasst einen hierzu komplementären Anbindungsanschluss, der zum Anschluss an eine Ladestation ausgestattet ist. Der fahrzeugseitige Anschluss weist Elemente auf, die komplementär zu den Elementen des Fahrzeuganbindungsanschlusses der Ladestation sind, zumindest jedoch einen Plus- und Minuskontakt zur Anbindung. Neben den genannten Kontakten zur Übertragung der Energie können auch drahtlose oder drahtgebundene Verbindungselemente zur Signalübertragung vorgesehen sein, insbesondere am Fahrzeuganbindungsanschluss bzw. in diesem, oder auch hierzu komplementären Anschluss des Fahrzeugs.
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Die Ladestation weist eine Gleichspannungsschiene auf. Diese kann über einen Versorgungsnetzanschluss der Ladestation mit einem Versorgungsnetz (nicht Teil der Ladestation) verbunden sein. Das Versorgungsnetz bzw. der Versorgungsnetzanschluss kann für Wechselstrom oder Gleichstrom ausgelegt sein. Sofern der Versorgungsnetzanschluss (und auch das Versorgungsnetz) für Gleichstrom ausgelegt sind, dann kann insbesondere ohne Wandler (oder auch unter Verwendung eines insbesondere galvanisch verbindenden DC/DC-Wandlers), der Versorgungsnetzanschluss mit der Gleichspannungsschiene verbunden sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass zwischen einem für Gleichstrom ausgelegten Versorgungsnetzanschluss und der Gleichspannungsschiene Grenzschalter, Überlastschutzvorrichtung, Netzfilter, Elemente zur Einstellung des Leistungsfaktors und anderes vorgesehen sein können. Bei einem Versorgungsnetzanschluss, der für Wechselstrom ausgelegt ist, ist zwischen der Gleichspannungsschiene und dem Versorgungsnetzanschluss ein Gleichrichter bzw. AC/DC-Wandler angeschlossen, der gesteuert oder ungesteuert sein kann, wie im weiteren näher erläutert wird.
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Die Gleichspannungsschiene umfasst ein positives und ein negatives Potential und insbesondere einen Minuspol und einen Pluspol. Die Gleichspannungsschiene dient zur Anbindung des Fahrzeuganbindungsanschlusses an den Versorgungsnetzanschluss (bzw. an einen vorgeschalteten AC/DC-Wandler).
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Der Versorgungsnetzanschluss ist insbesondere als Wechselspannungsanschluss ausgebildet, beispielsweise als dreiphasiger Anschluss. Der Versorgungsnetzanschluss kann Klemmen oder andere Verbindungselemente zur vorzugsweise dauerhaften Verbindung für mindestens eine Phase, vorzugsweise für drei Phasen umfassen, und kann ferner einen Geltungsanschluss umfassen.
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Zwischen dem Versorgungsnetzanschluss und dem Fahrzeuganbindungsanschluss ist ein galvanisch trennender DC/DC-Wandler vorgesehen. Dieser ist in Reihe zwischen dem Versorgungsnetzanschluss und dem Fahrzeuganbindungsanschluss angeschlossen. Ferner ist ein Überbrückungsschalter in Reihe zwischen dem Versorgungsnetzanschluss und dem Fahrzeuganbindungsanschluss angeschlossen. Der Überbrückungsschalter und der DC/DC-Wandler sind parallel zueinander geschaltet. Insbesondere sind die beiden Seiten des DC/DC-Wandlers, zwischen denen Gleichstrom gewandelt werden kann, parallel zu dem Überbrückungsschalter angeschlossen. Damit kann der Überbrückungsschalter die beiden Seiten des DC/DC-Wandlers, d. h. den Ausgang und den Eingang, überbrücken. Der Überbrückungsschalter ist somit parallel zu den DC/DC-Wandler angeschlossen, so dass abhängig von der Schaltstellung des Überbrückungsschalters der Strom von der Gleichspannungsschiene zum Fahrzeuganbindungsanschluss über den DC/DC-Wandler (ausschließlich) läuft, oder ob der Strom über den Überbrückungsschalter (ausschließlich) läuft.
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Die Ladestation ist eingerichtet, den Überbrückungsschalter in offenen Zustand zu versetzen, wenn an den Fahrzeuganbindungsanschluss ein Fahrzeug(-bordnetz) angeschlossen ist oder werden soll, das eine galvanische Trennung innerhalb der Ladestation erfordert. Die Ladestation ist ferner eingerichtet, den Überbrückungsschalter in geschlossenen Zustand vorzusehen, wenn ein Fahrzeug angeschlossen werden soll oder angeschlossen ist, dass keine galvanische Trennung innerhalb der Ladestation erfordert.
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Der DC/DC-Wandler ist ein Gleichspannungswandler, der etwa eine vorgegebene Spannung an den Fahrzeuganbindungsanschluss abgeben kann und hierzu Gleichstrom von der Gleichspannungsschiene aufnimmt. Der DC/DC-Wandler ist vorzugsweise bidirektional und ist insbesondere auch eingerichtet, Gleichstrom von dem Fahrzeuganbindungsanschluss in einen Gleichstrom umzuwandeln, der an die Gleichspannungsschiene abgegeben wird, etwa zur Rückspeisung von Energie von dem Fahrzeug an das Versorgungsnetz über den Versorgungsnetzanschluss.
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Der DC/DC-Wandler umfasst insbesondere ein galvanisch trennendes Element, über das der Gleichstrom übertragen wird, beispielsweise ein Transformator. Hierzu kann der DC/DC-Wandler einen Zerhacker aufweisen, der den Transformator vorgeschalten ist, wobei dem Transformator vorzugsweise ein Gleichrichter nachgeschaltet ist, über den Energie an den Fahrzeuganwendungsanschluss übertragen werden kann (oder auch im Falle des Rückspeisens an die Gleichspannungsschiene übertragen werden kann). Dieses galvanisch trennende Element ermöglicht es, dass die am Fahrzeuganwendungsanschluss anliegenden Potentiale gegenüber der Gleichspannungsschiene verschoben sein können, um so eine gefährliche Berührspannung am Fahrzeug zu vermeiden. Insbesondere wird über den DC/DC-Wandler kein durchgehendes Gleichspannungspotential übertragen, vielmehr wird über diesen DC/DC-Wandler elektrische Leistung unter galvanischer Trennung zwischen den Seiten des DC/DC-Wandlers übertragen. Vorzugsweise ist der DC/DC-Wandler eingerichtet, Leistung in Form eines elektrischen Wechselfeldes zu übertragen, das eine Frequenz von mehr als 100 Hz, mehr als 1 kHz und insbesondere mehr als 5 kHz hat. Auf diese Weise kann das Magnetmaterial und auch der Querschnitt des übertragenden magnetischen Kerns gering gehalten werden, während die übertragene Leistung relativ hoch sein kann. Dieses Prinzip ist von Schaltnetzteilen bekannt.
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Die Ladestation ist im Allgemeinen eine Anschlussstation für Fahrzeuge und kann auch zur Rückspeisung ausgerüstet sein. Die Ladestation kann neben dem galvanisch trennenden DC/DC-Wandler und dem Überbrückungsschalter weitere Leistungselektronik aufweisen, insbesondere Gleichrichter oder andere Wandler, kann jedoch auch keine weiteren Wandler zwischen Versorgungsnetzanschluss und Fahrzeuganbindungsanschluss aufweisen. Insbesondere bei einem Inselnetz als Versorgungsnetz, etwa ein DC-Inselnetz wie eine Solaranlage, kann somit die Ladestation als leistungselektronischen Bauteile nur den galvanisch trennenden DC/DC-Wandler und den Überbrückungsschalter aufweisen. Mit anderen Worten entspricht ein Insel-Versorgungsnetz (abgesehen von der elektrischen Energiequelle), das mit dem DC/DC-Wandler und dem Überbrückungsschalter sowie dem Fahrzeuganbindungsanschluss ausgerüstet ist, der hier beschriebenen Ladestation.
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Der Versorgungsnetzanschluss der Ladestation und somit auch das daran angeschlossene Versorgungsnetz können Gleichstromnetze sein. In diesem Fall kann die Gleichspannungsschiene das gleiche Potential wie der Versorgungsnetzanschluss aufweisen, wobei Sicherungen, Trennschalter und ähnliches zwischen dem Versorgungsnetzanschluss und der Gleichspannungsschiene vorgesehen sein können. Bei der Verwendung eines Wechselstromversorgungsnetzes und somit eines Versorgungsnetzanschlusses, der für Wechselstrom ausgelegt ist (vorzugsweise ein- oder dreiphasig), umfasst die Ladestation einen AC/DC-Wandler zwischen dem Versorgungsnetzanschluss und der Gleichspannungsschiene. Dieser AC/DC-Wandler kann unidirektional ausgestaltet sein zur Übertragung von elektrischer Leistung von dem Versorgungsnetzanschluss an die Gleichspannungsschiene. Ferner kann der AC/DC-Wandler bidirektional ausgestaltet sein und somit die Eigenschaft besitzen, Leistung von der Gleichspannungsschiene an den Versorgungsnetzanschluss zu übertragen. Bei dieser Übertragung wird die Stromart geändert. Der AC/DC-Wandler kann ungesteuert oder gesteuert sein. Insbesondere ist der AC/DC-Wandler ein Gleichrichter, dessen Wechselstromseite mit dem Versorgungsnetzanschluss verbunden ist, und dessen Gleichstromseite mit der Gleichspannungsschiene verbunden ist.
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Der Gleichrichter kann ungesteuert sein und somit ausschließlich aus Dioden (als leistungstragende Bauelemente) ausgebildet sein, wobei auch ein Glättungskondensator auf der Gleichspannungsseite vorgesehen sein kann. Insbesondere kann der Gleichrichter eine B6U-Brücke aufweisen. Der AC/DC-Wandler ist vorzugsweise ein Vollwellengleichrichter, kann jedoch auch ein Halbwellengleichrichter sein. Der AC/DC-Wandler kann zudem als gesteuerter Gleichrichter ausgebildet sein, beispielsweise als B6C-Brücke oder als Mehrfach-H-Brückenschaltung, wobei für jede Phase an dem Versorgungsnetzanschluss eine H-Brücke vorgesehen ist. Sowohl die B6C-Brücke als auch die H-Brückenschaltung umfassen gesteuerte Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, beispielsweise IGBTs oder MOSFET, wobei auch Triacs oder Thyristoren in Betracht kommen (etwa zur Phasenschnittansteuerung). Der AC/DC-Wandler kann ferner zur Pulswellenmodulation ausgeschaltet sein. Mit anderen Worten kann der AC/DC-Wandler als ungesteuerte Einheit ein konstantes Verhältnis von Effektivspannung (an dem Versorgungsnetzanschluss) zu Gleichspannungspegel (an der Gleichspannungsschiene) aufweisen und kann somit ungesteuert sein. Alternativ kann der AC/DC-Wandler als gesteuerter Wandler ausgestaltet sein, und kann ausgebildet sein, an der Gleichspannungsseite, d. h. an der Gleichspannungsschiene eine Spannung gemäß einer (variablen) Soll-Spannung einzustellen, die vorgegeben werden kann. Im Falle eines gesteuerten, bidirektionalen AC/DC-Wandlers kann auch ein Effektivwert vorgegeben sein, der an dem Versorgungsnetzanschluss vorgesehen ist. Alternativ oder zusätzlich kann der AC/DC-Wandler eingerichtet sein, einen Leistungsfaktor am Versorgungsnetzanschluss gemäß einer Vorgabe einzustellen. Insbesondere im Falle eines ungesteuerten AC/DC-Wandlers (unidirektional oder bidirektional) weist dieser eine Nennleistung auf, die größer als die Leistung des DC/DC-Wandlers ist. Dadurch kann bei geschlossenen Überbrückungsschalter eine höhere Leistung übertragen werden als bei offenen Überbrückungsschalter, während der DC/DC-Wandler nicht mit der gleichen (hohen) Nennleistung wie der AC/DC-Wandler ausgebildet sein muss. Die Nennleistung bzw. Maximalleistung des DC/DC-Wandlers kann nicht mehr als 50 %, nicht mehr als 30 % oder nicht mehr als 25 % oder 20 % der Nenn- oder Maximalleistung des AC/DC-Wandlers betragen. Dadurch können galvanisch verbunden ladbare Fahrzeuge mit der hohen Leistung des AC/DC-Wandlers bzw. des Versorgungsnetzes geladen werden, während es auch möglich ist, Fahrzeuge, die eine galvanische Trennung innerhalb der Ladestation erfordern, über den DC/DC-Wandler zu laden.
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Beispielsweise beträgt die Nennleistung des AC/DC-Wandlers mehr als 100 Kilowatt, insbesondere 200 Kilowatt oder mehr als 300 Kilowatt, während die Nennleistung des DC/DC-Wandlers nicht über 60 Kilowatt, 50 Kilowatt oder 40 Kilowatt liegt. Der Versorgungsnetzanschluss und/oder der Fahrzeuganbindungsanschluss kann für eine Übertragungsleistung ausgelegt sein, die der Maximal- oder Nennleistung des AC/DC-Wandlers entspricht. Die Nennleistung des AC/DC-Wandlers entspricht vorzugsweise mindestens dem 2-, 3- oder 5-fachen des galvanisch trennenden DC/DC-Wandlers.
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Wie erwähnt kann der Versorgungsnetzanschluss ein Wechselstromanschluss sein, insbesondere ein Drehstromanschluss mit mindestens drei Phasen, wobei in diesem Fall vorzugsweise der AC/DC-Wandler zwischen dem Versorgungsnetzanschluss und der Gleichspannungsschiene angeschlossen ist. Der Versorgungsnetzanschluss umfasst in diesem Fall Wechselstromphasenanschlüsse, beispielsweise in Form von Anschlüssen eines Drehstromnetzes, die üblicherweise U, V, W bezeichnet werden. Falls, wie erwähnt, der Versorgungsnetzanschluss ein Gleichstromanschluss ist, dann kann die Gleichspannungsschiene mit dem Versorgungsnetzanschluss ohne ein Wandlerelement zur Wandlung der Stromart verbunden sein.
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Der Versorgungsnetzanschluss ist einphasig oder als Drehstromanschluss ausgestaltet. Bei der Ausgestaltung als einphasiger Anschluss kann ein (einziger) Phasenanschluss vorgesehen sein, zusammen mit einem Neutralleiter, wobei jedoch auch zwei Phasenanschlüsse die elektrische Ausgestaltung des Versorgungsnetzanschlusses bilden können, zwischen denen eine Wechselspannung anliegt. Bei der Ausgestaltung des Versorgungsnetzanschlusses als Drehstromanschluss ist dieser vorzugsweise dreiphasig ausgebildet.
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Vorzugsweise ist eine Steuerung vorgesehen, die ansteuernd mit dem Überbrückungsschalter verbunden ist. In einem ersten Zustand ist die Steuerung ausgebildet, den Überbrückungsschalter in einem geschlossenen Zustand anzusteuern, einem zweiten Zustand ist die Steuerung eingerichtet, den Überbrückungszustand in einen offenen Zustand anzusteuern. Der erste Zustand liegt vor, wenn ein Fahrzeug angeschlossen oder anzuschließen ist, dass zum galvanisch verbundenen Laden (galvanisch mit dem Versorgungsnetz verbundenen Laden) ausgestaltet ist. Der zweite Zustand liegt vor, wenn ein Fahrzeug angeschlossen ist oder anzuschließen ist, dass eine galvanisch trennende Ladestation bzw. allgemein eine dem Fahrzeugbordnetz vorgeschaltete galvanische Trennung erfordert. Im ersten Zustand wird Energie über den Überbrückungsschalter übertragen, während im zweiten Zustand Energie (ausschließlich) über den DC/DC-Wandler übertragen wird.
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Die Steuerung weist vorzugsweise einen Eingang auf, der eingerichtet ist, einen Kompatibilitätssignal zu empfangen. Das Kompatibilitätssignal kann von dem Fahrzeug stammen oder kann von einer Auswerteeinrichtung der Ladestation stammen, die eingerichtet ist, zumindest eine Eigenschaft des Fahrzeugs zu erfassen, beispielsweise durch Datenübertragung von dem Fahrzeug an die Ladestation. Das Kompatibilitätssignal gibt an, ob das angeschlossene oder anzuschließende Fahrzeug notwendigerweise eine galvanisch trennende Ladestation (bzw. eine dem Fahrzugbordnetz vorgeschaltete galvanische Trennung) erfordert, oder nicht. Die Steuerung ist eingerichtet, den ersten Zustand einzunehmen, wenn das Kompatibilitätssignal wiedergibt, dass ein an dem Fahrzeuganbindungsanschluss anzuschließendes oder angeschlossenes Fahrzeugbordnetz bzw. Fahrzeug zur galvanisch verbundenen Anbindung eingerichtet ist. In diesem Fall gibt das Kompatibilitätssignal an, dass das angeschlossene Fahrzeugbordnetz bzw. Fahrzeug kompatibel ist mit Ladestationen, die keine galvanische Trennung aufweisen. Mit anderen Worten gibt in diesem Fall das Kompatibilitätssignal an, dass das angeschlossene Fahrzeugbordnetz bzw. Fahrzeug ohne galvanische Trennung an ein Versorgungsnetz angeschlossen werden kann. Die Steuerung ist ausgestaltet, den zweiten Zustand einzunehmen, wenn das Kompatibilitätssignal wiedergibt, dass ein an dem Fahrzeuganbindungsanschluss anzuschließendes oder angeschlossenes Fahrzeugbordnetz (oder Fahrzeug) nicht zur galvanisch verbundenen Anbindung eingerichtet ist. In diesem Fall gibt das Kompatibilitätssignal wieder, dass das Fahrzeug nicht kompatibel ist mit Ladestationen, die keine galvanische Trennung aufweisen. Dies entspricht dem Fall, dass das Fahrzeugbordnetz eine nachgeschaltete galvanische Trennung erfordert bzw. (ausschließlich) elektrische Leistung über eine galvanische Trennung erhalten kann (da ansonsten ein Berührspannungsschutz nicht gewährleistet ist).
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Das Kompatibilitätssignal kann somit zwei unterschiedliche Pegel, Frequenzen oder allgemein Signaleigenschaften aufweisen, die wiedergeben, ob das anzuschließende oder angeschlossene Fahrzeug zur galvanisch verbundenen Kopplung ausgestaltet ist (d. h. an eine galvanisch nicht trennende Ladestation), oder ob das Fahrzeugbordnetz oder das Fahrzeug kompatibel ist mit galvanisch nicht trennenden, d. h. galvanisch verbindenden Ladestationen. Das Kompatibilitätssignal weist somit (mindestens) zwei unterschiedliche Zustände auf, die die Kompatibilität des Fahrzeugbordnetzes bzw. Fahrzeugs zur galvanisch nicht trennenden Ladung bzw. Rückspeisung wiedergeben. Mit anderen Worten gibt das Kompatibilitätssignal mittels seiner verschiedenen Signaleigenschaften an, ob eine galvanisch trennende Ladestation erforderlich ist, oder nicht.
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Die Ladestation kann hierzu einen drahtgebundenen oder drahtlosen Empfänger aufweisen, der eingerichtet ist, mit dem Fahrzeug bzw. mit dem Fahrzeugbordnetz Daten auszutauschen, um diese Eigenschaft anhand von Informationen des Fahrzeugs abzuleiten, oder um diese Eigenschaft direkt von dem Fahrzeug zu empfangen. Beispielsweise kann das Kompatibilitätssignal Teil der Steuersignale sein, die zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation ausgetauscht werden, etwa zur Leistungssteuerung. Ferner kann die Ladestation einen Empfänger aufweisen, der kabelgebunden ist, wobei der Fahrzeuganbindungsanschluss neben Leistungsanschlüssen auch mindestens einen Signalkontakt aufweist, um entsprechende Signale zu übertragen. Es kann auch eine Erfassungseinrichtung vorgesehen sein, die das Kompatibilitätssignal abgibt, und die mit dem Fahrzeuganbindungsanschluss verbunden ist und eingerichtet ist, Signale zu erfassen, die zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug ausgetauscht werden, und die eine zu übertragende Leistung bzw. Maximalleistung betreffen. Anhand der Leistung oder auch anderer Daten, die mittels diesem Signal zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug ausgetauscht werden, kann das Kompatibilitätssignal abgeleitet werden.
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Die Steuerung kann ferner eingerichtet sein, den DC/DC-Wandler in einen inaktiven Zustand zu versetzen, wenn der Überbrückungsschalter geschlossen ist, wobei in dem inaktiven Zustand keine Leistung über den DC/DC-Wandler übertragen wird. Insbesondere wird, bevor der Überbrückungsschalter geschlossen wird, der DC/DC-Wandler in einen inaktiven Zustand versetzt, in den die Steuerung diesen entsprechend ansteuert. Die Steuerung ist hierzu ausgebildet. Insbesondere ist die Steuerung ausgebildet, beim Empfang eines Kompatibilitätssignals, dass ein Schließen des Überbrückungsschalters erfordert, vor der Abgabe des Schließsignals an den Überbrückungsschalter den DC/DC-Wandler in einen inaktiven Zustand zu versetzen.
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Die Gleichspannungsschiene und/oder der Fahrzeuganbindungsanschluss können für Spannungen von mindestens 400 Volt oder 800 Volt ausgelegt sein. Insbesondere kann der DC/DC-Wandler eingerichtet sein, an dem Fahrzeuganbindungsanschluss eine Spannung von 400 Volt oder 800 Volt abzugeben, wobei dieser Wert auch gemäß einer Steuervorgabe variiert werden kann.
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Es wird ferner ein Verfahren zur Übertragung von elektrischen Strom zwischen einer Ladestation und einem Fahrzeugbordnetz beschrieben. Es wird ein Kompatibilitätssignal von dem Fahrzeugbordnetz an die Ladestation übertragen. Alternativ wird das Kompatibilitätssignal abgeleitet anhand von Eigenschaften des Fahrzeugbordnetzes oder des Fahrzeugs und anhand von Signalen, die das Fahrzeugbordnetz abgibt. Dann wird ein Überbrückungsschalter der Ladestation eingestellt. Der Überbrückungsschalter ist parallel zu einem galvanisch trennenden DC/DC-Wandler angeschlossen. Der Überbrückungsschalter wird gemäß einem geschlossenen Zustand eingestellt, wenn das empfangene Kompatibilitätssignal wiedergibt, dass das Fahrzeugbordnetz zur galvanischen Anbindung eingerichtet ist bzw. dass das Fahrzeugbordnetz eine Anbindung an eine galvanisch verbindende Ladestation erlaubt (ohne die Gefahr einer überhöhten Berührungsspannung zu bieten).
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Hierzu wird der Überbrückungsschalter entweder mit geschlossenen Zustand vorgesehen, etwa durch Ansteuerung durch die Steuerung, oder wird geöffnet. Andernfalls wird der Überbrückungsschalter gemäß einem offenen Zustand eingestellt. Insbesondere wird der Überbrückungsschalter gemäß einem offenen Zustand eingestellt, wenn das Kompatibilitätssignal wiedergibt, dass das Fahrzeugbordnetz nicht zur galvanisch verbindenden Anbindung bzw. dass das Fahrzeugbordnetz nicht zur galvanisch verbindenden Anbindung (an eine galvanisch verbindende Ladestation, d. h. eine nicht galvanisch trennende Ladestation) ausgestaltet ist. Nach dem Einstellen des Überbrückungsschalters wird elektrischer Strom zwischen der Ladestation und dem Fahrzeugbordnetz übertragen, insbesondere Gleichstrom. Das Einstellen des Überbrückungsschalters kann ein Ändern des Schaltzustands sein, kann jedoch auch ein Bestätigen (und somit Beibehalten) des Schaltzustandes des Überbrückungsschalters sein. Strom wird hierbei von der Ladestation an das Fahrzeugbordnetz übertragen (Aufladen des Fahrzeugbordnetzes) kann jedoch auch von dem Fahrzeugbordnetz an die Ladestation übertragen werden, etwa zur Rückspeisung von Energie aus dem Fahrzeugbordnetz in das (stationäre) Versorgungsnetz.
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Der Überbrückungsschalter wird gemäß einem geschlossenen Zustand eingestellt, wenn das empfangene Kompatibilitätssignal wiedergibt, dass das Fahrzeugbordnetz zur galvanischen Anbindung an ein Versorgungsnetz eingerichtet ist. Der Überbrückungsschalter wird gemäß einem geschlossenen Zustand eingestellt, wenn das empfangene Kompatibilitätssignal wiedergibt, dass das Fahrzeugbordnetz zur Ankopplung an eine galvanisch (mit einem Versorgungsnetz) verbindende galvanischen Anbindung an ein (stationäres bzw. auf ein Schutzleiterpotential bezogenes) Versorgungsnetz eingerichtet ist. Der geschlossene Zustand wird eingestellt, wenn das Fahrzeugbordnetz eine Anbindung an eine galvanisch (mit einem Versorgungsnetz) verbindende Ladestation erlaubt, insbesondere ohne die Gefahr einer überhöhten Berührungsspannung zu bieten.
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Insbesondere wird der Überbrückungsschalter gemäß einem offenen Zustand eingestellt, wenn das Kompatibilitätssignal wiedergibt, dass das Fahrzeugbordnetz nicht zur galvanischen Anbindung an ein Versorgungsnetz eingerichtet ist. Der Überbrückungsschalter wird gemäß einem offenen Zustand eingestellt, wenn das empfangene Kompatibilitätssignal wiedergibt, dass das Fahrzeugbordnetz nicht zur Ankopplung an eine galvanisch (mit einem Versorgungsnetz) verbindende galvanischen Anbindung an ein (stationäres bzw. auf ein Schutzleiterpotential bezogenes) Versorgungsnetz eingerichtet ist. Der geschlossene Zustand wird eingestellt, wenn das Fahrzeugbordnetz keine Anbindung an eine galvanisch (mit einem Versorgungsnetz) verbindende Ladestation erlaubt, insbesondere ohne die Gefahr einer überhöhten Berührungsspannung zu bieten.
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Eine galvanisch verbindende Verbindung des Bordnetzes mit einem Versorgungsnetz wird auch als galvanisch verbundene Anbindung durch die Ladestation bezeichnet, da die galvanische Trennung, falls vorhanden, von der Ladestation vorgesehen wird.
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Das erwähnte Versorgungsnetz ist insbesondere stationär bzw. auf ein Schutzleiterpotential bezogen bzw. geerdet.
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Der Strom wird ausschließlich über den galvanisch trennenden DC/DC-Wandler übertragen, wenn das Kompatibilitätssignal wiedergibt, dass das Fahrzeugbordnetz nicht zur galvanisch verbundenen Anbindung durch die Ladestation eingerichtet ist (d. h. wenn das Kompatibilitätssignal wiedergibt dass das Fahrzeugbordnetz nicht eingerichtet ist, an eine galvanisch nicht trennende (d.h. galvanisch verbindende) Ladestation angeschlossen zu werden).
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Der DC/DC-Wandler wird gemäß einem inaktiven Zustand angesteuert (d. h. der DC/DC-Wandler nimmt einen inaktiven Zustand ein), wenn der Überbrückungsschalter geschlossen ist. Der inaktive Zustand kann auch dann vorgesehen sein, wenn kein Fahrzeugbordnetz an die Ladestation angeschlossen ist oder anzuschließen ist.
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Der Strom bzw. die Leistung (beim Laden oder auch beim Rückspeisen) wird zwischen der Ladestation und einem Punkt des Fahrzeugbordnetzes übertragen, über den ein Inverter des Bordnetzes mit einer Batterie des Bordnetzes verbunden ist. Der Strom bzw. die Leistung wird beim Laden zwischen der Ladestation und dem Punkt des Fahrzeugbordnetzes in die Batterie übertragen. Der Strom wird beim Rückspeisen zwischen der Ladestation und dem Punkt des Fahrzeugbordnetzes ausgehend von der Batterie übertragen. Insbesondere wird der Strom zwischen der Ladestation und einem Punkt des Fahrzeugbordnetzes übertragen, der direkt mit der Batterie oder über einen DC/DC-Wandler des Fahrzeugbordnetzes mit der Batterie verbunden ist. Zwischen dem Punkt und dem Inverter kann ein DC/DC-Wandler vorgesehen sein, oder diese können ohne Stromwandlung miteinander verbunden sein. Ferner kann zwischen der Batterie und dem Punkt ein DC/DC-Wandler vorgesehen sein (fahrzeugseitig), oder diese können direkt miteinander verbunden sein (d. h. ohne Stromwandlung).
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Die 1 zeigt eine Ladestation L, die an ein Bordnetz BN eines Plug-In-Fahrzeugs angeschlossen ist, und die ferner an einem Versorgungsnetz VN angeschlossen ist. Hierbei ist das Bordnetz BN über ein Fahrzeuganbindungsanschluss (kabelbasierend) mit der Ladestation L verbunden. Die Ladestation L umfasst ferner eine Gleichspannungsschiene 10. Zwischen der Gleichspannungsschiene 10 und dem Fahrzeuganbindungsanschluss 12 ist ein DC/DC-Wandler 20 angeschlossen und, parallel hierzu, ein Überbrückungsschalter 30. In geschlossenen Zustand ist der Überbrückungsschalter 30 eingerichtet, die beiden Seiten des DC/DC-Wandlers 20 zu überbrücken. Durch die beiden, zueinander parallelen Striche in der Diagonalen des DC/DC-Wandlers ist dargestellt, dass dieser galvanisch trennend ist und dieser beispielsweise einen Transformator oder ein anderes galvanisch trennendes Glied aufweist, über das Leistung zwischen den Seitens des Wandlers übertragen wird.
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Ferner ist eine Steuerung C dargestellt, die ansteuernd mit dem Überbrückungsschalter 30 verbunden ist. Ist ein angeschlossenes oder anzuschließendes Bordnetz BN eingerichtet, mit einer Ladestation verbunden zu werden, die eine galvanische Verbindung mit einem Versorgungsnetz VN beim Anschließen herstellt, ohne dass sich Berührungsspannungen ergeben, die über einer vorbestimmten Schwelle liegen, dann kann der Verbindungsschalter geschlossen werden. Die vorangehend dargestellte Eigenschaft wird auch als Kompatibilität zum Anschluss an eine galvanisch verbindende Ladestation bezeichnet. In diesem Fall kann der Überbrückungsschalter geschlossen sein, da über diesen eine galvanische Verbindung zwischen Fahrzeuganwendungsanschluss 12 und einem Versorgungsnetzanschluss 14 hergestellt wird. Ist diese Kompatibilität nicht gegeben, dann ist der Überbrückungsschalter 30 geöffnet und es kann Leistung über den DC/DC-Wandler zwischen Versorgungsnetzanschluss 14 und Fahrzeuganbindungsanschluss 12 über den galvanisch trennenden DC/DC-Wandler 20 übertragen werden.
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Um dies zu entscheiden, empfängt die Steuerung C über einen Eingang E ein Kompatibilitätssignal K, beispielsweise von dem Fahrzeugbordnetz BN. Abhängig von diesem wird der Überbrückungsschalter 30 geöffnet oder geschlossen. Ferner wird abhängig von diesem der DC/DC-Wandler 20 angesteuert, und nimmt gemäß dieser Ansteuerung einen aktiven oder inaktiven Zustand ein). Ist der Überbrückungsschalter 30 geschlossen bzw. gibt das Kompatibilitätssignal an, dass der Überbrückungsschalter 30 geschlossen werden kann bzw. das ein Bordnetz vorliegt, das galvanisch verbindend über die Ladestation mit einem Versorgungsnetz VN verbunden werden kann, dann wird von der Steuerung C der DC/DC-Wandler 20 gemäß einem inaktiven Zustand angesteuert, in dem keine Energie zwischen den Seiten des DC/DC-Wandlers 20 übertragen wird. Dadurch wird verhindert, dass der Überbrückungsschalter 30 die Seiten des DC/DC-Wandlers (zwischen denen Energie übertragen werden kann) kurzschließt.
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Zwischen der Gleichspannungsschiene 10 und dem Versorgungsnetzanschluss 14 ist ein AC/DC-Wandler 40 angeschlossen, der insbesondere als Gleichrichter ausgebildet ist, vorzugsweise als ungesteuerter Gleichrichter. Der AC/DC-Wandler weist eine Gleichspannungsseite auf, die mehrphasig mit dem Versorgungsnetz N über den Versorgungsnetzanschluss (ebenso mehrphasig) verbunden ist.
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Die untere gestrichelte Linie gibt die Schnittstelle zwischen der Ladestation und dem Versorgungsnetz VN an, zu der insbesondere der Versorgungsnetzanschluss 14 gehört. Die obere gestrichelte Linie gibt die Schnittstelle zwischen Ladestation und Bordnetz BN an, zu der insbesondere der Fahrzeuganbindungsanschluss 12 gehört, insbesondere ein Ladestecker, der über ein Kabel mit dem Rest der Ladestation L verbunden ist. Über diesen Fahrzeuganbindungsanschluss 12, über einen anderen Anschluss oder auch drahtlos kann das Kompatibilitätssignal K von dem Bordnetz BN an die Steuerung C bzw. an deren Eingang E übertragen werden.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform wird das Kompatibilitätssignal ermittelt anhand von Informationen, die die Ladestation von dem Fahrzeug bzw. von dem Bordnetz BN selbst erhält, oder aus Eigenschaften oder Signalen des Fahrzeugs bzw. des Fahrzeugbordnetzes schließt. Ist das Bordnetz BN gemäß dem Kompatibilitätssignal K kompatibel für eine galvanisch verbindende Anbindung an den Fahrzeugnetzanschluss und letztendlich auch an das Versorgungsnetz (stationär), dann wird der Überbrückungsschalter 30 geschlossen, so dass die Leistung (ausschließlich) über diesen übertragen wird. Ist das Fahrzeug nicht kompatibel (gemäß Kompatibilitätssignal K), dann ist der Überbrückungsschalter 30 geöffnet und der DC/DC-Wandler 20 wird in einen aktiven Zustand versetzt, so dass Energie überwiesen zwischen Fahrzeugbordnetz BN und Ladestation L übertragen werden kann.
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Der Überbrückungsschalter ist vorzugsweise in einem offenen Schaltzustand, wenn ein Steuereingang des Überbrückungsschalters keinen festgelegten Pegel aufweist (default off). Der Überbrückungsschalter kann ein elektromechanischer Schalter sein oder kann ein Halbleiterschalter sein, beispielsweise ein Triac, ein Thyristor, ein MOSFET oder ein IGBT.
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Die Ladestation kann ferner eingerichtet sein, an das Bordnetz ein Vorabsignal zu senden, welches wiedergibt, dass der Überbrückungsschalter 30 geschlossen werden wird. Das Vorabsignal wird vor dem Schließen des Überbrückungsschalters 30 abgegeben, insbesondere um eine Mindestzeitdauer vor dem Schließen des Überbrückungsschalters. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Überbrückungsschalter nur dann geschlossen wird, wenn vom Bordnetz BN ein Quittierungssignal bzw. Zustimmungssignal abgegeben wird an die Ladestation L, dass es sich um ein Bordnetz handelt, welches zum galvanisch verbundenen Anschließen an ein Versorgungsbordnetz eignet. Zwischen der Ladestation und dem Bordnetz kann somit ein Quittierungsprotokoll ablaufen, bei dem seitens des Bordnetzes BN bestätigt werden muss, dass ein Schließen des Überbrückungsschalters 30 zulässig ist, nachdem die Ladestation ein Kompatibilitätssignal K erhalten hat bzw. nachdem die Ladestation an das Fahrzeugbordnetz ein Signal abgibt, welches ein Schließen des Überbrückungsschalters 30 wiedergibt. Ohne Bestätigung wird der Schalter 30 nicht geschlossen.
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Das Bordnetz BN des Fahrzeugs umfasst eine Batterie B, die über einen Punkt P mit einem Inverter I verbunden ist. Eine Wechselstromseite des Inverter I ist mit einer elektrischen Maschine M verbunden, während die Gleichstromseite des Inverters mit dem Punkt P und somit mit der Batterie B verbunden ist. Ist die Ladestation mit dem Bordnetz verbunden, dann ist der Fahrzeuganbindungsanschluss 12 mit dem Punkt P verbunden. Das Bordnetz BN weist somit einen Ladeanschluss auf, der mit dem Punkt P verbunden ist, und der ausgestaltet ist, mit dem Fahrzeuganbindungsanschluss 12 der Ladestation L verbunden zu werden. Zwischen der Batterie B und dem Inverter I kann ein DC/DC-Wandler zur Aufbereitung der Gleichspannung einer Batterie zur Versorgung des Inverters vorgesehen sein. Der Punkt P, an dem die Ladeleistung eingespeist wird, befindet sich vorzugsweise zwischen einem derartigen DC/DC-Wandler und der Batterie B kann jedoch auch zwischen dem Inverter I und den DC/DC-Wandler des Bordnetzes BN liegen. Wie dargestellt, kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Batterie B direkt, d. h. ohne Stromwandlung mit dem Inverter I verbunden ist, und dass diese Verbindung den Punkt P umfasst.
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Ist es erforderlich, dass das Bordnetz BN in einem bestimmten Zustand versetzt werden muss, der einen galvanisch verbindenden Anschluss an ein Versorgungsnetz erlaubt, dann steuert die Steuerung C den Überbrückungsschalter 30 erst dann gemäß einem geschlossenen Zustand an, wenn von dem Bordnetz BN bzw. von dem Fahrzeug bestätigt wird, dass dieser bestimmte Zustand erreicht ist. Dadurch kann erreicht werden, dass etwaige Schutzmaßnahmen zur Verringerung einer zu hohen Berührungsspannung seitens des Fahrzeugs bzw. des Bordnetzes durchgeführt werden können, bevor die galvanische Verbindung durch den Überbrückungsschalter durchgeführt werden. Der Überbrückungsschalter wird vorzugsweise stromlos geschlossen und vorzugsweise auch stromlos geöffnet, so dass vor der Änderung eines Schaltzustands des Überbrückungsschalters das Bordnetz BN, das Versorgungsnetz VN oder AC/DC-Wandler 40 in einen stromlosen Zustand versetzt werden, bevor sich der Überbrückungsschalter öffnet oder schließt. Daher ist es möglich, den Überbrückungsschalter 30 als elektromechanischen Schalter auszubilden, wobei das die Ausbildung als IGBT, MOSFET, Thyristor oder Triac nicht ausschließt.
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Allgemein sei bemerkt, dass die Ladestation L zunächst als stationäre Einheit betrachtet werden kann, die fest mit einem Untergrund verbunden ist und insbesondere auch fest mit dem Versorgungsnetz VN verbunden ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Ladestation ein mobiles Gerät ist, und beispielsweise über eine Steckverbindung als Versorgungsnetzanschluss mit dem Versorgungsnetz VN verbunden sein kann.
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Wie erwähnt kann die Ladestation alternativ oder in Kombination auch zur Rückspeisung von Energie von dem Bordnetz in ein Versorgungsnetz hinein ausgebildet sein. Das Versorgungsnetz kann ein öffentliches Versorgungsnetz sein, kann jedoch auch ein Inselnetz sein. Falls das Versorgungsnetz als Gleichstromnetz ausgelegt ist, dann kann die Ladestation ohne AC/DC-Wandler ausgebildet sein, wobei der Versorgungsnetzanschluss 14 in diesem Fall entweder direkt, d. h. ohne Spannungswandlung mit der Gleichspannungsschiene 10 verbunden ist, oder über einen DC/DC-Wandler mit dieser verbunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gleichspannungsschiene
- 12
- Fahrzeuganbindungsanschluss
- 14
- Versorgungsnetzanschluss
- 20
- DC/DC-Wandler
- 30
- Überbrückungsschalter
- 40
- AC/DC-Wandler
- BN
- Bordnetz (eines Plug-In-Fahrzeugs)
- L
- Ladestation
- VN
- Versorgungsnetz
- B
- Batterie des Fahrzeugbordnetzes
- I
- Inverter des Fahrzeugbordnetzes
- M
- elektrische Maschine des Fahrzeugbordnetzes, insbesondere
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- Traktionsmotor
- P
- Verbindungspunkt zwischen Batterie und Inverter
- K
- Kompatibilitätssignal
- C
- Steuerung
- E
- Eingang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEC 62196 [0007]
- ISO/IEC 61851-23 [0007]
- ISO/IEC 61851-24 [0007]
