DE102018000578A1 - Electrical coupling of a vehicle electrical system of a motor vehicle with a charging station - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiekoppeleinrichtung (10) zum elektrischen Koppeln eines Bordnetzes (12) eines Kraftfahrzeugs mit einer kraftfahrzeugexternen, eine elektrische Wechselspannung bereitstellenden Ladestation (14), mit einem mit der Ladestation (14) elektrisch koppelbaren und die Wechselspannung gleichrichtenden Brückengleichrichter (16), der einen Gleichspannungsanschluss (18) aufweist, der mit einem Gleichspannungszwischenkreis (20) des Bordnetzes (12) elektrisch gekoppelt ist, gekennzeichnet durch einen Gleichspannungswandler (22), der mit einem ersten Anschluss (24) mit dem Gleichspannungsanschluss (18) und mit einem zweiten Anschluss (26) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (20) des Bordnetzes (12) elektrisch gekoppelt ist, wobei der Gleichspannungswandler (22) ausgebildet ist, elektrische Potentiale (28, 30) einer am zweiten Anschluss (26) für den Gleichspannungszwischenkreis (20) bereitgestellten Zwischenkreisgleichspannung (32) in Bezug auf ein vorgebbares elektrisches Bezugspotential (34) auf vorgebbare, im Wesentlichen konstante Werte einzustellen.The invention relates to an energy coupling device (10) for electrically coupling an electrical system (12) of a motor vehicle with a charging station (14) providing an electrical alternating voltage external to the motor vehicle, with a bridge rectifier (16) which can be electrically coupled to the charging station (14) and rectifies the AC voltage. comprising a DC voltage terminal (18) which is electrically coupled to a DC intermediate circuit (20) of the electrical system (12), characterized by a DC voltage converter (22) having a first terminal (24) with the DC voltage terminal (18) and with a second Terminal (26) to the DC voltage intermediate circuit (20) of the electrical system (12) is electrically coupled, wherein the DC-DC converter (22) is formed, electrical potentials (28, 30) at the second terminal (26) for the DC intermediate circuit (20) provided DC link voltage (32) with respect to a specifiable electr Set reference potential (34) to predetermined, substantially constant values.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiekoppeleinrichtung zum elektrischen Koppeln eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer kraftfahrzeugexternen, eine elektrische Wechselspannung bereitstellenden Ladestation, mit einem mit der Ladestation elektrisch koppelbaren und die Wechselspannung gleichrichtenden Brückengleichrichter, der einen Gleichspannungsanschluss aufweist, der mit einem Gleichspannungszwischenkreis des Bordnetzes elektrisch gekoppelt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum elektrischen Koppeln eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer kraftfahrzeugexternen, eine elektrische Wechselspannung bereitstellenden Ladestation, bei dem eine Wechselspannung der Ladestation mittels eines mit der Ladestation elektrisch koppelbaren und die Wechselspannung gleichrichtenden Brückengleichrichters gleichgerichtet und an einem mit einem Gleichspannungszwischenkreis des Bordnetzes elektrisch gekoppelten Gleichspannungsanschluss bereitgestellt wird.The invention relates to an energy coupling device for electrically coupling a vehicle electrical system of a motor vehicle with a charging station providing an electrical alternating voltage, with a charging station electrically coupled to the rectifier bridge rectifier rectifier having a DC voltage terminal which is electrically coupled to a DC voltage intermediate circuit of the electrical system. Furthermore, the invention relates to a method for electrically coupling a vehicle electrical system of a motor vehicle with a motor vehicle external, an electrical alternating voltage providing charging station in which an AC voltage of the charging station rectified by means of an electrically dockable with the charging station and rectifying the AC rectifying bridge rectifier and rectified at one with a DC voltage intermediate circuit of the electrical system electrically coupled DC voltage connection is provided.

Gattungsgemäße Energiekoppeleinrichtungen sowie auch gattungsgemäße Verfahren sind im Stand der Technik umfänglich im Einsatz und finden insbesondere dann Einsatz, wenn ein elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit der kraftfahrzeugexternen Ladestation elektrisch gekoppelt werden soll, beispielsweise um dem elektrischen Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrische Energie zuführen zu können. Mittels der Energiekoppeleinrichtung können die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der Ladestation und des elektrischen Bordnetzes angepasst werden, sodass eine zuverlässige vorgebbare Energieübertragung ermöglicht werden kann. Besonders häufig finden derartige elektrische Energiekoppeleinrichtungen sowie auch Verfahren zu deren Betrieb mittlerweile Einsatz bei Kraftfahrzeugen, insbesondere solchen Kraftfahrzeugen, die elektrisch antreibbar ausgebildet sind.Generic energy coupling devices as well as generic methods are extensively used in the prior art and find particular use when an electrical system of a motor vehicle with the motor vehicle charging station is to be electrically coupled, for example, to be able to supply electrical power to the electrical system of the motor vehicle. By means of the energy coupling device, the different electrical properties of the charging station and the electrical system can be adjusted so that a reliable specifiable energy transfer can be made possible. Such electrical power coupling devices and also methods for their operation are frequently used in motor vehicles, especially those motor vehicles which are designed to be electrically drivable.

Eine gattungsgemäße Energiekoppeleinrichtung dient insbesondere dazu, eine elektrische Kopplung herzustellen, wenn die Ladestation eine Wechselspannung bereitstellt. Üblicherweise ist das elektrische Bordnetz des Kraftfahrzeugs für die Beaufschlagung mit einer Gleichspannung ausgelegt. Es ist deshalb eine entsprechende Gleichrichtung erforderlich, um eine Energieübertragung zu ermöglichen. Dies erreicht die Koppeleinrichtung des Stands der Technik dadurch, dass eine Gleichrichtereinheit vorgesehen ist, die in der Regel als Brückengleichrichter ausgebildet ist. Durch den Brückengleichrichter kann auf besonders einfache Weise eine effiziente Nutzung der Wechselspannung beim Gleichrichten erfolgen. Daneben sind dem Grunde nach natürlich auch andere Varianten des Gleichrichtens möglich, beispielsweise eine Einweggleichrichtung, eine Zweiweggleichrichtung und/oder dergleichen. Diese erweisen sich jedoch in der Regel als ungünstiger im Vergleich zu einem Brückengleichrichter, insbesondere auch in Bezug auf die Nutzung der Wechselspannung, weshalb sie insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeuge keine Verbreitung gefunden haben.A generic energy coupling device is used in particular to produce an electrical coupling when the charging station provides an AC voltage. Usually, the electrical system of the motor vehicle is designed for the application of a DC voltage. It is therefore necessary a corresponding rectification to allow energy transfer. This achieves the coupling device of the prior art in that a rectifier unit is provided, which is usually designed as a bridge rectifier. The bridge rectifier can be used in a particularly simple manner an efficient use of the AC voltage during rectification. In addition, of course, other variants of the rectification are of course possible, for example, a half-wave rectification, a full-wave rectification and / or the like. However, these generally prove to be less favorable compared to a bridge rectifier, in particular also with regard to the use of the AC voltage, which is why they have found no distribution, especially in the field of motor vehicles.

Ein Brückengleichrichter ist eine spezifische Gleichrichterschaltung, die in der Regel unter Nutzung von vier in einer vorgegebenen Schaltungsanordnung angeschlossenen Schaltelementen ausgebildet ist. Üblicherweise sind die Schaltelemente durch Dioden gebildet. Bei spezifischen Brückengleichrichtern können anstelle oder ergänzend zu den Dioden auch Schaltelemente, insbesondere Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren oder dergleichen, vorgesehen sein. Im Übrigen können die Dioden selbst auch durch Schaltelemente gebildet sein, beispielsweise Transistoren, Thyristoren, Kombinationsschaltungen hiervon oder dergleichen.A bridge rectifier is a specific rectifier circuit, which is usually formed using four switching elements connected in a predetermined circuit arrangement. Usually, the switching elements are formed by diodes. In the case of specific bridge rectifiers, switching elements, in particular semiconductor switches, for example transistors or the like, may be provided instead of or in addition to the diodes. Incidentally, the diodes themselves may also be formed by switching elements, for example, transistors, thyristors, combination circuits thereof, or the like.

Elektrische Bordnetze sowie auch Kraftfahrzeuge mit solchen elektrischen Bordnetzen sind im Stand der Technik umfänglich bekannt. So offenbart zum Beispiel die US 2010/0076636 A1 ein Fahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz. Das elektrische Bordnetz umfasst mehrere Batterien nach Art von Akkumulatoren, die unabhängig voneinander elektrisch beaufschlagt werden können. Zu diesem Zweck sieht die Lehre der US 2010/0076636 A1 entsprechende Energiewandler nach Art von DC/DC-Wandlern vor, mit denen eine entsprechende vorgebbare energietechnische Kopplung erreicht werden kann.Electric vehicle electrical systems as well as motor vehicles with such electrical electrical systems are well known in the art. For example, the US 2010/0076636 A1 a vehicle with an electrical system. The electrical system includes several batteries in the manner of accumulators that can be electrically charged independently. To this end, the doctrine of US 2010/0076636 A1 corresponding energy converter on the type of DC / DC converters, with which a corresponding specifiable energy technology coupling can be achieved.

Kraftfahrzeuge weisen in der Regel ein elektrisches Bordnetz auf, das elektrische Einrichtungen und elektrische Einheiten umfasst. Das elektrische Bordnetz dient dazu, die elektrischen Einrichtungen und die elektrischen Einheiten miteinander in vorgebbarer Weise elektrisch zu koppeln. An dem elektrischen Bordnetz ist zumindest ein Teil der elektrischen Einrichtungen beziehungsweise elektrischen Einheiten angeschlossen. Das elektrische Bordnetz dient somit der Verteilung der elektrischen Energie innerhalb des Kraftfahrzeugs.Motor vehicles usually have an electrical system, which includes electrical equipment and electrical units. The electrical system serves to electrically couple the electrical devices and the electrical units with each other in a predeterminable manner. At least a part of the electrical devices or electrical units is connected to the electrical system. The electrical system thus serves to distribute the electrical energy within the motor vehicle.

Nicht nur aber besonders bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist in der Regel zumindest vorgesehen, dass das Bordnetz einen Gleichspannungszwischenkreis aufweist, der für eine Beaufschlagung mit einer Gleichspannung im Hochvoltbereich ausgebildet ist. Der Begriff „Hochvolt“ umfasst eine elektrische Gleichspannung, die größer als etwa 60 V ist. Vorzugsweise ist der Begriff „Hochvolt“ konform mit der Norm ECE R 100.Not only but especially in electrically driven vehicles is usually provided at least that the electrical system has a DC voltage intermediate circuit, which is designed to be subjected to a DC voltage in the high-voltage range. The term "high voltage" includes a DC electrical voltage that is greater than about 60V. Preferably, the term "high voltage" conforms to the standard ECE R 100.

Besonders bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist das Bordnetz für eine Beaufschlagung im Bereich „Hochvolt“ ausgelegt. So kann zum Beispiel das elektrische Bordnetz mit einer Gleichspannung von etwa 800 V oder auch mit einer Gleichspannung von etwa 400 V beaufschlagt sein. Natürlich können die Werte der Gleichspannung auch abweichend gewählt sein. Grundsätzlich ergeben sich die vorgenannten Spannungswerte jedoch unter Berücksichtigung von standardisierten Bauteilen sowie elektrischen Einrichtungen, die für derartige elektrische Spannungen ausgelegt sind.Especially in electrically driven motor vehicles, the electrical system is designed for admission in the "high voltage". For example, the electrical system with a DC voltage of about 800 V or with a DC voltage of about 400 V be applied. Of course, the values of the DC voltage can also be chosen differently. In principle, however, the aforementioned voltage values result in consideration of standardized components and electrical devices which are designed for such electrical voltages.

Aus Gründen der elektrischen Sicherheit ist in der Regel eine galvanische Verbindung zwischen der Ladestation und dem elektrischen Bordnetz des Kraftfahrzeugs, insbesondere im Bereich „Hochvolt“, in der Regel nicht gewünscht beziehungsweise nicht zulässig. Aus diesem Grund ist im Stand der Technik in der Regel ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler vorgesehen, der eine elektrische Kopplung zwischen der durch den Brückengleichrichter bereitgestellten Gleichspannung und dem Gleichspannungszwischenkreis des Bordnetzes bereitstellt.For reasons of electrical safety is usually a galvanic connection between the charging station and the electrical system of the motor vehicle, especially in the "high voltage", usually not desired or not allowed. For this reason, a galvanically isolated DC / DC converter is usually provided in the prior art, which provides an electrical coupling between the provided by the bridge rectifier DC voltage and the DC voltage intermediate circuit of the electrical system.

Auch wenn sich der Stand der Technik diesbezüglich bewährt hat, so zeigen sich dennoch Probleme. Insbesondere, wenn zwischen dem Brückengleichrichter und dem galvanisch getrennten DC/DC-Wandler ein Isolationsfehler auftritt, besteht die Gefahr von unerwünschten Ableitströmen, die nicht nur gefährliche elektrische Potentiale, insbesondere an berührbaren Teilen, zur Folge haben können, sondern auch ladestationsseitig Sicherungseinrichtungen stören können. Dies kann zum Beispiel für einen Fehlerstromschutzschalter der Fall sein, insbesondere wenn er gemäß einem Typ A ausgebildet ist. Bei derartigen Fehlerstromschutzschaltern, wie sie üblicherweise auch bei elektrischen Haushaltsinstallationen zum Einsatz kommen, kann das Problem auftreten, dass aufgrund eines vorgenannten Isolationsfehlers der Fehlerstromschutzschalter mit einem Gleichstrom als Fehlerstrom beaufschlagt wird, der funktionsbestimmende Elemente, die insbesondere auf Magnetismus basieren, in eine Sättigung treibt, sodass die Funktion des Fehlerstromschutzschalters gestört wird. In einem solchen Fall kann die elektrische Sicherheit also nicht mehr gewährleistet werden. Da die Anwendung derartiger Fehlerstromschutzschalter jedoch weit verbreitet ist und insbesondere auch für Ladestationen zum Einsatz kommt, die im häuslichen Bereich, beispielsweise bei Privathaushalten, zum Einsatz kommen, um elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge außerhalb des Fahrbetriebs aufladen zu können, ist hier ein erhöhter Sicherheitsaufwand erforderlich. Dem Grunde nach besteht natürlich die Möglichkeit, insbesondere den Bereich des Brückengleichrichters zum DC/DC-Wandler mittels einer doppelten Isolation im elektrischen Sinne zu schützen, beispielsweise wie dies in der Norm IEC 60335 angegeben ist oder dergleichen. Dies ist jedoch sehr aufwendig und verursacht zusätzlichen Raumbedarf und Gewicht bei einem Kraftfahrzeug, weshalb eine derartige Lösung unerwünscht ist.Even if the state of the art has proven itself in this respect, problems still show up. In particular, if an insulation fault occurs between the bridge rectifier and the galvanically separated DC / DC converter, there is a risk of undesired leakage currents, which not only can result in dangerous electrical potentials, in particular on accessible parts, but can also disturb charging stations on the safety devices. This may be the case, for example, for a residual current circuit breaker, in particular if it is designed according to a type A. In such residual current circuit breakers, as they are usually used in household electrical installations, the problem may arise that due to an aforementioned insulation fault of the residual current circuit breaker with a DC current is applied as a fault current, the function-determining elements, which are based in particular on magnetism, in a saturation, so that the function of the residual current circuit breaker is disturbed. In such a case, electrical safety can no longer be guaranteed. However, since the application of such residual current circuit breakers is widespread and is also used in particular for charging stations, which are used in the domestic sector, for example in private households to charge electrically driven vehicles outside driving, an increased security effort is required here. Basically, of course, there is the possibility, in particular the area of the bridge rectifier to protect the DC / DC converter by means of a double insulation in the electrical sense, for example, as specified in the standard IEC 60335 or the like. However, this is very expensive and causes additional space and weight in a motor vehicle, which is why such a solution is undesirable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrische Sicherheit insbesondere bei einem Anschluss des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs an eine Ladestation zu verbessern, die eine elektrische Wechselspannung bereitstellt.The invention has for its object to improve electrical safety, in particular in a connection of the electrical system of the motor vehicle to a charging station, which provides an electrical alternating voltage.

Als Lösung werden mit der Erfindung eine Energiekoppeleinrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.As a solution, the invention proposes a power coupling device and a method according to the independent claims.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.Advantageous developments will become apparent from the features of the dependent claims.

Bezüglich einer gattungsgemäßen Energiekoppeleinrichtung wird insbesondere vorgeschlagen, dass diese einen Gleichspannungswandler aufweist, der mit einem ersten Anschluss mit dem Gleichspannungsanschluss und mit einem zweiten Anschluss mit dem Gleichspannungszwischenkreis des Bordnetzes elektrisch gekoppelt ist, wobei der Gleichspannungswandler ausgebildet ist, elektrische Potentiale einer am zweiten Anschluss für den Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellten Zwischenkreisgleichspannung in Bezug auf ein vorgebbares elektrisches Bezugspotential auf vorgebbare, im Wesentlichen konstante Werte einzustellen.With respect to a generic power coupling device is in particular proposed that this has a DC-DC converter, which is electrically coupled with a first terminal to the DC voltage terminal and a second terminal to the DC voltage intermediate circuit of the electrical system, wherein the DC-DC converter is formed, electrical potentials one at the second terminal for the DC intermediate voltage provided DC voltage with respect to a predetermined electrical reference potential to predetermined, substantially constant values.

Bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere vorgeschlagen, dass der Brückengleichrichter mittels eines Gleichspannungswandlers mit dem Gleichspannungszwischenkreis des Bordnetzes elektrisch gekoppelt wird, wobei der Gleichspannungswandler elektrische Potentiale einer für den Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellten Zwischenkreisgleichspannung in Bezug auf ein vorgebbares elektrisches Bezugspotential auf vorgebbare, im Wesentlichen konstante, Werte einstellt.With regard to a generic method, it is proposed, in particular, that the bridge rectifier is electrically coupled to the DC intermediate circuit of the vehicle electrical system by means of a DC-DC converter, wherein the DC-DC converter sets electrical potentials of a DC link voltage provided for the DC intermediate circuit to predetermined, substantially constant values with respect to a predeterminable electrical reference potential ,

Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass bei Auftreten eines Isolationsfehlers, der zum Beispiel eines der beiden elektrischen Potentiale der Zwischenkreisgleichspannung betrifft, der Ableitstrom dadurch reduziert werden kann, dass das betroffene Potential so verändert wird, dass ein entsprechender Gleichstrom möglichst gering ist. Das Einstellen des elektrischen Potentials, insbesondere des Potentials, das von dem Isolationsfehler betroffen ist, kann mittels des Gleichspannungswandlers entsprechend realisiert werden. Dadurch, dass das elektrische Potential so verändert werden kann, dass eine elektrische Spannung zwischen diesem Potential und dem Bezugspotential möglichst gering ist, kann auch der Ableitstrom entsprechend gering sein. Dies hat den Vorteil, dass unter anderem auch Schutzeinrichtungen wie Fehlerstromschutzschalter nicht mehr über Gebühr mit einem unzulässigen Gleichstrom beaufschlagt werden, sodass deren Funktion nicht mehr gestört wird. Dadurch kann die elektrische Sicherheit insgesamt wesentlich verbessert werden.The invention is based on the idea that when an insulation fault occurs, which relates, for example, to one of the two electrical potentials of the DC link voltage, the leakage current can be reduced by changing the affected potential so that a corresponding DC current is minimized. The adjustment of the electrical potential, in particular of the potential which is affected by the insulation fault, can be realized correspondingly by means of the DC-DC converter. The fact that the electrical potential can be changed so that an electrical voltage between this potential and the reference potential is as low as possible, the leakage current can be correspondingly low. This has the advantage that, inter alia, protective devices such as residual current circuit breakers are no longer overly charged with an impermissible direct current, so that their function is no longer disturbed. As a result, the overall electrical safety can be substantially improved.

Das Bezugspotential kann zum Beispiel eine Fahrzeugmasse sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch ein Erdpotential, welches insbesondere beim Herstellen einer leitungsgebundenen elektrischen Verbindung zwischen der Ladestation und dem Kraftfahrzeug mit der Fahrzeugmasse gekoppelt sein kann. The reference potential may be, for example, a vehicle ground. However, it is particularly advantageous for a ground potential, which can be coupled in particular when producing a wired electrical connection between the charging station and the motor vehicle with the vehicle mass.

Die Erfindung ermöglicht es darüber hinaus, Wirkungen, die durch eine begrenzte elektrische Isolation hervorgerufen werden, beispielsweise Ableitströme, reduzieren zu können. Solche Ableitströme können zum Beispiel durch Y-Kondensatoren hervorgerufen werden, die an den elektrischen Potentialen der Zwischenkreisgleichspannung angeschlossen sind, um zum Beispiel die elektromagnetische Verträglichkeit herstellen zu können.The invention also makes it possible to reduce effects caused by limited electrical isolation, for example, leakage currents. Such leakage currents can be caused, for example, by Y capacitors which are connected to the electrical potentials of the DC link voltage in order to be able to produce, for example, the electromagnetic compatibility.

Zum Bereitstellen einer elektrischen Isolation zwischen den elektrischen Potentialen der Zwischenkreisgleichspannung gegenüber dem Bezugspotential dient in der Regel eine Isolationseinrichtung. Die Isolationseinrichtung kann dadurch gebildet sein, dass zum Beispiel elektrisch isolierende Werkstoffe zwischen dem Bezugspotential und den Potentialen der Zwischenkreisspannung angeordnet sind, mittels denen eine gewünschte elektrische Isolation bereitgestellt werden kann. Ergänzend oder alternativ kann auch Luft als Werkstoff der elektrischen Isolationseinrichtung zum Einsatz kommen, wobei abhängig von einem Abstand die gewünschte elektrische Isolation erreicht werden kann. Die Zwischenkreisgleichspannung ergibt sich also durch eine Potentialdifferenz ihrer zugehörigen elektrischen Potentiale. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn ein erstes elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises ein Minus-Potential und ein zweites elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises ein Plus-Potential ist.To provide an electrical insulation between the electrical potentials of the DC link voltage relative to the reference potential is usually an isolation device. The isolation device can be formed by, for example, electrically insulating materials being arranged between the reference potential and the potentials of the intermediate circuit voltage, by means of which a desired electrical insulation can be provided. Additionally or alternatively, air can be used as a material of the electrical insulation device, wherein depending on a distance, the desired electrical insulation can be achieved. The DC link voltage thus results from a potential difference of their associated electrical potentials. It proves particularly advantageous if a first electrical potential of the DC intermediate circuit is a negative potential and a second electrical potential of the DC intermediate circuit is a positive potential.

Die für die erfindungsgemäße Energiekoppeleinrichtung angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Insofern können Vorrichtungsmerkmale natürlich auch als Verfahrensmerkmale und umgekehrt formuliert sein.The advantages and effects stated for the energy coupling device according to the invention apply equally to the method according to the invention and vice versa. In this respect, device features can of course also be formulated as process features and vice versa.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele 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.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawings. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Dabei zeigen:

  • 1 in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung eine Ladeeinrichtung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik zum Anschließen an eine Ladestation, die eine dreiphasige Wechselspannung bereitstellt,
  • 2 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine erste Ausgestaltung für eine Gleichrichtereinheit mit Leistungsfaktorkorrektur für die Ladeeinrichtung gemäß 1,
  • 3 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine zweite Ausgestaltung für eine Gleichrichtereinheit mit Leistungsfaktorkorrektur für die Ladeeinrichtung gemäß 1,
  • 4 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine dritte Ausgestaltung für eine Gleichrichtereinheit mit Leistungsfaktorkorrektur für die Ladeeinrichtung gemäß 1,
  • 5 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine Ausgestaltung für einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler für die Ladeeinrichtung gemäß 1,
  • 6 eine schematische Diagrammdarstellung einer elektrischen Spannung zwischen einem Minuspotential nach dem Gleichrichten mit einer Gleichrichtereinheit nach 2 bis 4 gegenüber einem Erdpotential,
  • 7 in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung eine Ladeeinrichtung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gemäß der Erfindung zum Anschließen an eine Ladestation, die eine einphasige Wechselspannung bereitstellt,
  • 8 zwei schematische Diagrammdarstellungen für Spannungsverläufe von elektrischen Spannungen zwischen dem Pluspotential und dem Minuspotential jeweils in Bezug auf das Erdpotential unmittelbar nach dem Gleichrichten bei der Ladeeinrichtung gemäß 7,
  • 9 zwei schematische Diagrammdarstellungen für Spannungsverläufe von elektrischen Spannungen zwischen dem Pluspotential und dem Minuspotential in Bezug auf das Erdpotential unmittelbar nach einer Leistungsfaktorkorrektur bei der Ladeeinrichtung gemäß 7,
  • 10 zwei schematische Diagrammdarstellungen für Spannungsverläufe von elektrischen Spannungen zwischen dem Pluspotential und dem Minuspotential in Bezug auf das Erdpotential unmittelbar nach einer Spannungswandlung mittels eines ersten Wandlermoduls bei der Ladeeinrichtung gemäß 7,
  • 11 zwei schematische Diagrammdarstellungen für Spannungsverläufe von elektrischen Spannungen zwischen dem Pluspotential und dem Minuspotential in Bezug auf das Erdpotential unmittelbar nach einer Spannungswandlung mittels eines zweiten Wandlermoduls bei der Ladeeinrichtung gemäß 7,
  • 12 eine schematische Schaltbilddarstellung für einen konventionellen Tiefsetzsteller,
  • 13 eine schematische Schaltbilddarstellung für einen Tiefsetzsteller zum Einsatz bei einem der Wandlermodule gemäß 7,
  • 14 eine schematische Schaltbilddarstellung für einen konventionellen Hochsetzsteller,
  • 15 eine schematische Schaltbilddarstellung für einen Hochsetzsteller zum Einsatz bei einem der Wandlermodule gemäß 7, und
  • 16 eine schematische Schaltbilddarstellung für die Ladeeinrichtung gemäß 7.
Showing:
  • 1 1 shows a schematic block diagram representation of a charging device for an electrical system of a motor vehicle according to the prior art for connection to a charging station, which provides a three-phase alternating voltage,
  • 2 a schematic diagram representation of a first embodiment of a rectifier unit with power factor correction for the charging device according to 1 .
  • 3 a schematic diagram representation of a second embodiment for a rectifier unit with power factor correction for the charging device according to 1 .
  • 4 a schematic diagram representation of a third embodiment of a rectifier unit with power factor correction for the charging device according to 1 .
  • 5 a schematic diagram representation of an embodiment of a galvanically isolated DC / DC converter for the charging device according to 1 .
  • 6 a schematic diagram of an electrical voltage between a negative potential after rectification with a rectifier unit according to 2 to 4 opposite a ground potential,
  • 7 1 shows a schematic block diagram representation of a charging device for an electrical system of a motor vehicle according to the invention for connection to a charging station, which provides a single-phase AC voltage;
  • 8th two schematic diagrams for voltage waveforms of electrical voltages between the plus potential and the negative potential respectively with respect to the ground potential immediately after the rectification in the charging device according to 7 .
  • 9 two schematic diagrams for voltage waveforms of electrical voltages between the plus potential and the negative potential with respect to the ground potential immediately after a power factor correction in the charging device according to 7 .
  • 10 two schematic diagrams for voltage waveforms of electrical voltages between the plus potential and the negative potential with respect to the ground potential immediately after a voltage conversion by means of a first converter module in the charging device according to 7 .
  • 11 two schematic diagrams for voltage waveforms of electrical voltages between the plus potential and the negative potential with respect to the ground potential immediately after a voltage conversion by means of a second converter module in the charging device according to 7 .
  • 12 a schematic diagram representation for a conventional buck converter,
  • 13 a schematic diagram representation of a buck converter for use in one of the converter modules according to 7 .
  • 14 a schematic diagram representation of a conventional boost converter,
  • 15 a schematic diagram representation of a step-up converter for use in one of the converter modules according to 7 , and
  • 16 a schematic diagram representation of the charging device according to 7 ,

1 zeigt in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung eine Ladeeinrichtung 50 als Energiekoppeleinrichtung zum elektrischen Koppeln eines Bordnetzes 12 eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs mit einer kraftfahrzeugexternen, eine elektrische dreiphasige Wechselspannung bereitstellenden Ladestation 52. Die Ladestation 52 stellt drei in einer Phase um etwa 120° versetzte Wechselspannungen L1 , L1 , L3 bereit, die gegenüber einem gemeinsamen Anschluss, nämlich einem Nullanschluss N eine effektive Spannung von etwa 230 V bei einer Frequenz von etwa 50 Hz bereitstellt. Der 0-Anschluss N ist zugleich auch ein Erdanschluss, der vorliegend mit PE gekennzeichnet ist. Die Ladestation 52 ist über eine lösbare leitungsgebundene Verbindung mit der Ladeeinrichtung 50 koppelbar. Zu diesem Zweck ist das Kraftfahrzeug während der elektrischen Kopplung an der Ladestation 52 abgestellt. Über bekannte Steckverbindungen kann ein Ladekabel der Ladestation 52 an die Ladeeinrichtung 50 angeschlossen werden. 1 shows in a schematic block diagram representation of a charging device 50 as an energy coupling device for electrically coupling a vehicle electrical system 12 a motor vehicle not shown with a motor vehicle external, an electrical three-phase AC voltage charging station 52 , The charging station 52 provides three alternating voltages offset by about 120 ° in one phase L 1 . L 1 . L 3 ready, facing a common connection, namely a zero connection N provides an effective voltage of about 230 V at a frequency of about 50 Hz. The 0 connection N is at the same time also a ground connection, which in the present case is marked PE. The charging station 52 is via a detachable wired connection with the charging device 50 coupled. For this purpose, the motor vehicle during the electrical coupling to the charging station 52 switched off. About known plug connections, a charging cable of the charging station 52 to the charging device 50 be connected.

Die Ladeeinrichtung 50 stellt für jede der Wechselspannungen L1 , L2 , L3 eine jeweilige Gleichrichtereinheit 54 bereit, die neben einer jeweiligen Gleichrichtungsfunktion basierend auf einer Brückengleichrichtung zugleich auch eine Leistungsfaktorkorrektur durchführt. Die hierbei erzeugte Gleichspannung wird an Kondensatoren 56 jeweils bereitgestellt. Über jeweilige galvanisch getrennte DC/DC-Wandler 58 werden die an den Kondensatoren 56 bereitgestellten Gleichspannungen an eine Zwischenkreisgleichspannung 32 eines Gleichspannungszwischenkreises 20 des Bordnetzes 12 angepasst. An die Zwischenkreisgleichspannung 32 sind ferner schematisch elektrische Einrichtungen beziehungsweise elektrische Einheiten angeschlossen, die in 1 vorliegend durch Akkumulatoren 60 gebildet sind. Die Akkumulatoren 60 sind vorliegend Hochvolt-Batterien, die für eine Bemessungsspannung von etwa 450 V ausgelegt sind.The charging device 50 provides for each of the AC voltages L 1 . L 2 . L 3 a respective rectifier unit 54 which, in addition to a respective rectification function, also performs a power factor correction based on a bridge rectification. The DC voltage generated here is applied to capacitors 56 each provided. Via respective galvanically isolated DC / DC converters 58 become the ones on the capacitors 56 provided DC voltages to a DC link DC voltage 32 a DC voltage intermediate circuit 20 of the electrical system 12 customized. To the DC link voltage 32 Furthermore, electrical devices or electrical units are connected schematically, which are in 1 present by accumulators 60 are formed. The accumulators 60 in the present case are high-voltage batteries, which are designed for a rated voltage of about 450 V.

Mit den 2 bis 4 sind unterschiedliche Schaltungsvarianten für die Gleichrichtereinheiten 54 dargestellt. Jede der Gleichrichtereinheiten 54 richtet eine jeweilige der Wechselspannungsphasen L1 , L2 , L3 gleich. Bei der schematischen Schaltbilddarstellung gemäß 2 handelt es sich um einen Brückengleichrichter mit einer unidirektionalen Leistungsfaktorkorrektur und zugleich einem Spannungswandler. Die schematische Schaltbilddarstellung gemäß 3 bezieht sich auf einen unidirektionalen Totem-Pfahl Leistungsfaktorkorrektur-Gleichrichter. Die schematische Schaltbilddarstellung gemäß 4 bezieht sich auf eine entsprechende Schaltung wie 3, wobei diese jedoch für einen bidirektionalen Energiefluss ausgebildet ist.With the 2 to 4 are different circuit variants for the rectifier units 54 shown. Each of the rectifier units 54 directs a respective one of the alternating voltage phases L 1 . L 2 . L 3 equal. In the schematic diagram representation according to 2 it is a bridge rectifier with a unidirectional power factor correction and at the same time a voltage transformer. The schematic diagram representation according to 3 refers to a unidirectional totem pole power factor correction rectifier. The schematic diagram representation according to 4 refers to an appropriate circuit like 3 However, this is designed for a bidirectional flow of energy.

5 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung den galvanisch getrennten DC/DC-Wandler 58. 5 shows in a schematic diagram representation of the galvanically isolated DC / DC converter 58 ,

Tritt im Bereich der Kondensatoren 56, das heißt, in einem Schaltungsbereich zwischen den Gleichrichtereinheiten 54 und den DC/DC-Wandlern 58, ein Isolationsfehler auf, kann dies unter Umständen zu gefährlichen Zuständen, insbesondere auch bezüglich der Ladestation 52 führen. Ist die Ladestation 52 zum Beispiel durch einen privaten Haushalt bereitgestellt, ist die Ladestation 52 in der Regel über einen Fehlerstromschutzschalter, gewöhnlich eines Typs A, vor Fehlerströmen geschützt.Occurs in the area of the capacitors 56 that is, in a circuit area between the rectifier units 54 and the DC / DC converters 58 , an insulation fault, this may under certain circumstances dangerous conditions, especially with respect to the charging station 52 to lead. Is the charging station 52 For example, provided by a private household, is the charging station 52 usually protected by a fault current circuit breaker, usually of type A, against fault currents.

Aufgrund des Gleichrichtungsprinzips bei der Brückengleichrichtung tritt jedoch das Problem auf, dass die gleichgerichteten Potentiale an den Kondensatoren 56 mit der Wechselspannungsfrequenz gegenüber dem Erdpotential 34 schwanken. Ein Isolationsfehler führt hier also zu einem entsprechenden Ableitstrom, der zumindest im Mittel einen erheblichen Gleichanteil aufweist. Wird ein üblicher Fehlerstromschutzschalter, insbesondere des Typs A, mit einem Gleichstrom als Fehlerstrom beaufschlagt, kann ein auf Magnetismus basierender Auslösemechanismus in eine Sättigung gelangen und dadurch unwirksam werden. Die Schutzfunktion des Fehlerstromschutzschalters ist dadurch deaktiviert. Das ist jedoch unzulässig.Due to the principle of rectification in the bridge rectification, however, the problem arises that the rectified potentials at the capacitors 56 with the alternating voltage frequency with respect to the ground potential 34 vary. An insulation fault thus leads to a corresponding leakage current, which has at least on average a significant DC component. If a conventional residual current circuit breaker, in particular of the type A, supplied with a DC current as a fault current, a magnetism-based release mechanism can reach saturation and thus be ineffective. The protective function of the residual current circuit breaker is thereby deactivated. That is inadmissible.

Eine Abhilfemaßnahme wäre, eine doppelte Isolation im relevanten Bereich zwischen den Gleichrichtereinheiten 54 und den DC/DC-Wandlern 58 auszubilden, und zwar unter Einbeziehung einer Primärseite der DC/DC-Wandler-Transformatoren. Würden anstelle der galvanisch getrennten DC/DC-Wandler 58 galvanische gekoppelte DC/DC-Wandler eingesetzt, so würde die Anforderung hinsichtlich der doppelten Isolation auf alle weiteren Komponenten des Bordnetzes 12 übertragen werden müssen, um die Sicherheitsanforderungen erfüllen zu können. Dies würde zum Beispiel die Fahrzeugbatterie, einen Antriebsstrang sowie auch sämtliche, am Bordnetz 12 angeschlossene, elektrische Einrichtungen und elektrische Einheiten betreffen.One remedy would be to double insulation in the relevant area between the rectifier units 54 and the DC / DC converters 58 form, including a primary side of the DC / DC converter transformers. Instead of the galvanically isolated DC / DC converter 58 Galvanic coupled DC / DC converters used, so the requirement for double isolation on all other components of the electrical system 12 must be transmitted to meet the safety requirements. This would include, for example, the vehicle battery, a powertrain and all, on the electrical system 12 connected, electrical facilities and electrical units.

6 zeigt in einem schematischen Spannungs-Zeit-Diagramm mittels eines Graphen 78 die elektrische Spannung zwischen dem Minus-Potential an einem der Kondensatoren 56 in Bezug auf das Erdpotential 34. Zu erkennen ist, dass nach dem Gleichrichten der Wechselspannung L1 , L2 beziehungsweise L3 das negative Potential bezogen auf das Erdpotential 34 negative Sinushalbwellen ausbildet. Durch den Einsatz der galvanisch getrennten DC/DC-Wandler 58 ist dieses Problem auf den Bereich zwischen den Gleichrichtereinheiten 54 und den DC/DC-Wandlern begrenzt. Dies kann im Falle des vorbeschriebenen Isolationsfehlers zu den Problemen insbesondere in Bezug auf den Fehlerstromschutzschalter führen. 6 shows in a schematic voltage-time diagram by means of a graph 78, the electrical voltage between the negative potential on one of the capacitors 56 in relation to the earth potential 34 , It can be seen that after rectifying the AC voltage L 1 . L 2 respectively L 3 the negative potential related to the earth potential 34 forms negative sine half-waves. By using the galvanically isolated DC / DC converter 58 this problem is on the area between the rectifier units 54 and the DC / DC converters limited. In the case of the insulation fault described above, this can lead to problems, in particular with regard to the residual current circuit breaker.

7 zeigt nun eine Ausgestaltung einer Ladeeinrichtung 10 als Energiekoppeleinrichtung gemäß der Erfindung, die dem elektrischen Koppeln des Bordnetzes 12 des Kraftfahrzeugs mit einer kraftfahrzeugexternen, eine elektrische Wechselspannung P bereitstellenden Ladestation 14 dient. Wie bereits zuvor erläutert, ist auch hier der Nullanschluss N mit dem Erdpotential 34 als Bezugspotential elektrisch verbunden. Auch wenn vorliegend lediglich eine einphasige Wechselspannung P bereitgestellt wird, ist das Prinzip der Erfindung jedoch gleichermaßen auch für mehrphasige Wechselspannungen, wie in Bezug auf 1 erläutert, analog anwendbar. 7 now shows an embodiment of a charging device 10 as energy coupling device according to the invention, the electrical coupling of the electrical system 12 of the motor vehicle with a motor vehicle external, an electrical alternating voltage P providing charging station 14 serves. As already explained above, the zero connection is also here N with the earth potential 34 electrically connected as reference potential. Even if in the present case only a single-phase AC voltage P However, the principle of the invention is equally applicable to multi-phase AC voltages, as with respect to 1 explained, analogously applicable.

Die Ladeeinrichtung 10 umfasst einen mit der Ladestation 14 elektrisch koppelbaren und die Wechselspannung P gleichrichtenden Brückengleichrichter 16, der einen Gleichspannungsanschluss 18 aufweist, der mit einem Gleichspannungszwischenkreis 20 des Bordnetzes 12 elektrisch gekoppelt ist.The charging device 10 includes one with the charging station 14 electrically coupled and the AC voltage P rectifying bridge rectifier 16 , which has a DC voltage connection 18 having, which with a DC voltage intermediate circuit 20 of the electrical system 12 is electrically coupled.

Zu diesem Zweck umfasst die Ladeeinrichtung 10 einen Gleichspannungswandler 22, der mit einem ersten Anschluss 24 mit dem Gleichspannungsanschluss 18 und mit einem zweiten Anschluss 26 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 20 des Bordnetzes 12 elektrisch gekoppelt ist. Der Gleichspannungswandler 22 ist ausgebildet, elektrische Potentiale 28, 30 einer am zweiten Anschluss 26 für den Gleichspannungszwischenkreis 20 bereitgestellten Zwischenkreisspannung 32 in Bezug auf das vorgegebene Erdpotential 34 auf vorgebbare, im Wesentlichen konstante, Werte einzustellen. Dadurch kann der Gleichspannungswandler 22 erreichen, dass die gleichgerichteten elektrischen Potentiale 28, 30 trotz galvanischer Kopplung nicht mehr gegenüber dem Erdpotential 34 schwanken zu brauchen, so wie es anhand von 6 erläutert worden ist. Trotz Brückengleichrichtung besteht durch die Erfindung die Möglichkeit, in Bezug auf das Erdpotential 34 im Wesentlichen konstante elektrische Potentiale 28, 30 einzustellen. Die bezüglich des Stands der Technik erläuterte Problematik kann dadurch erheblich reduziert werden.For this purpose, the charging device includes 10 a DC-DC converter 22 that with a first connection 24 with the DC voltage connection 18 and with a second connection 26 with the DC intermediate circuit 20 of the electrical system 12 is electrically coupled. The DC-DC converter 22 is formed, electrical potentials 28 . 30 one at the second port 26 for the DC intermediate circuit 20 provided DC link voltage 32 in relation to the given earth potential 34 to set to predetermined, substantially constant, values. This allows the DC-DC converter 22 achieve that the rectified electrical potentials 28 . 30 despite galvanic coupling no longer opposite the earth potential 34 need to fluctuate, as it is based on 6 has been explained. Despite bridge rectification is possible by the invention, with respect to the ground potential 34 essentially constant electrical potentials 28 . 30 adjust. The problem explained with reference to the state of the art can thereby be considerably reduced.

Wie aus 7 ersichtlich ist, sind der erste und der zweite Anschluss 24, 26 des Gleichspannungswandlers 22 galvanisch gekoppelt. Eine aufwendige galvanische Trennung wie bei dem DC/DC-Wandler 58 kann dadurch eingespart werden.How out 7 is apparent, are the first and the second port 24 . 26 of the DC-DC converter 22 galvanically coupled. An elaborate electrical isolation as in the DC / DC converter 58 can be saved.

Ferner ist aus 7 ersichtlich, dass der Gleichspannungswandler 22 modular ausgebildet ist und vorliegend zwei Wandlermodule 36, 38 aufweist. Jedes der Wandlermodule 36, 38 ist ausgebildet, ein jeweils zugeordnetes der elektrischen Potentiale 28, 30 einzustellen. Dadurch besteht die Möglichkeit, die elektrischen Potentiale 28, 30 symmetrisch zum elektrischen Bezugspotential 34 einzustellen. Diese Symmetrie braucht jedoch nicht zwingend eingehalten zu werden, insbesondere wenn ein Isolationsfehler vorliegt, der zu einem Ableitstrom führen kann. In diesem Fall kann das durch den Isolationsfehler betroffene Potential so verschoben werden, dass eine elektrische Spannung dieses betroffenen der Potentiale 28, 30 möglichst klein in Bezug auf das Erdpotential 34 ist, damit ein Ableitstrom aufgrund des Isolationsfehlers möglichst gering wird. Dadurch können die zuvor beschriebenen schädlichen Auswirkungen des Ableitstroms, insbesondere wenn er ein Gleichstrom ist, erheblich reduziert, wenn nicht sogar vollständig unterdrückt werden. Trotz galvanischer Kopplung im Bereich der Ladeeinrichtung 10 kann eine erheblich höhere Sicherheit mit erheblich geringerem Aufwand gegenüber dem Stand der Technik erreicht werden.Furthermore, it is off 7 it can be seen that the DC-DC converter 22 is modular and in the present case two converter modules 36 . 38 having. Each of the converter modules 36 . 38 is formed, each associated with the electrical potentials 28 . 30 adjust. This gives the possibility of electrical potentials 28 . 30 symmetrical to the electrical reference potential 34 adjust. However, this symmetry does not necessarily have to be complied with, especially if there is an insulation fault that can lead to a leakage current. In this case, the potential affected by the insulation fault can be shifted so that an electric voltage of the affected one of the potentials 28 . 30 as small as possible in relation to the earth potential 34 is, so that a leakage current due to the insulation error is minimized. Thereby, the above-described harmful effects of the leakage current, in particular if it is a direct current, can be considerably reduced, if not completely suppressed. Despite galvanic coupling in the area of the charging device 10 a much higher security can be achieved with considerably less effort compared to the prior art.

Darüber hinaus umfasst die Ladeeinrichtung 10 auch eine Leistungsfaktoreinheit 40, die dem Einstellen eines Leistungsfaktors bezüglich der Ladestation 14 dient. Die Leistungsfaktoreinheit 40 kann dem Grunde nach wie zu 1 beschrieben ausgebildet sein.In addition, the charging device includes 10 also a power factor unit 40 for adjusting a power factor with respect to the charging station 14 serves. The power factor unit 40 may reason to like 1 be described described.

Um die elektrischen Potentiale 28, 30 in gewünschter Weise einstellen zu können, wird jedes der Wandlermodule 36, 38 dem Einstellen eines der beiden Potentiale 28, 30 zugeordnet. So kann vorgesehen sein, dass eines der beiden Wandlermodule 36, 38 die Aufgabe hat, nach der Gleichrichtung der Wechselspannung P die anhand von 6 erläuterten negativen Halbwellen des Minus-Potentials 30 bezogen auf das Erdpotential 34 auszuregeln. Hierbei ist zu beachten, dass zur Eliminierung der negativen Halbwellen bezüglich des Erdpotentials 34 wenigstens eine Drossel oder ein Kondensator eingeschleift sein muss, der mittels eines taktenden Schaltelements, beispielsweise einem Halbleiterschalter wie einem Transistor oder dergleichen, betrieben wird. Somit kann das Minus-Potential 30 bezogen auf das Erdpotential 34 wieder auf einem zeitlich im Wesentlichen konstanten Wert stabilisiert sein. Vorzugsweise kann der Spannungswert so eingestellt werden, dass er der negativen halben Ausgangsspannung beziehungsweise Zwischenkreisspannung 32 entspricht, damit zum Beispiel Y-Kondensatoren, die ebenfalls am Gleichspannungszwischenkreis 20, und zwar an dessen Potentiale 28, 30, angeschlossen sein können, symmetriert betrieben werden können. Dadurch kann die in diesen Y-Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie reduziert werden, wodurch auch ein Berührstrom reduziert werden kann. Da nach einer derartigen Spannungswandlung die Zwischenkreisspannung 32 nicht konstant gegenüber dem Erdpotential 34 wäre, sondern Schwankungen entsprechend der negativen Halbwellen, wie anhand von 6 erläutert, unterliegen würde, kann dies durch das zweite Wandlermodul 38 ausgeglichen werden. Das Wandlermodul 38 erlaubt es, die Zwischenkreisspannung 32 auf einen in Bezug auf das Erdpotential 34 im Wesentlichen konstanten Wert einzustellen. Eine entsprechende schematische Schaltbilddarstellung ist in 16 gezeigt.To the electrical potentials 28 . 30 in the desired manner, each of the converter modules 36 . 38 adjusting one of the two potentials 28 . 30 assigned. Thus it can be provided that one of the two converter modules 36 . 38 the task is to rectify the AC voltage P the basis of 6 explained negative half waves of the minus potential 30 to correct based on the ground potential 34. It should be noted that to eliminate the negative half-waves with respect to the ground potential 34 at least one choke or a capacitor must be looped, which is operated by means of a clocking switching element, such as a semiconductor switch such as a transistor or the like. Thus, the minus potential 30 based on the earth potential 34 again at a temporally substantially constant value be stabilized. Preferably, the voltage value can be adjusted so that it is the negative half output voltage or intermediate circuit voltage 32 corresponds to, for example, Y capacitors, which are also connected to the DC link 20 , and at its potential 28 . 30 , can be connected, can be operated balanced. As a result, the electric energy stored in these Y capacitors can be reduced, whereby a touch current can be reduced. Because after such a voltage conversion, the DC link voltage 32 not constant with respect to the earth potential 34 would be, but fluctuations corresponding to the negative halfwaves, as based on 6 This could be explained by the second converter module 38 be compensated. The converter module 38 allows the DC link voltage 32 to one in relation to the earth potential 34 to set essentially constant value. A corresponding schematic diagram is shown in FIG 16 shown.

Die 12 bis 15 zeigen geeignete schematische Schaltbilddarstellungen, die zur Realisierung der Wandlermodule 36, 38 dienen können. 12 zeigt einen konventionellen Tiefsetzsteller für eine unidirektionale Wandlung ohne galvanische Trennung. In der Regel werden galvanisch gekoppelte Wandlertypen so dargestellt, dass der Plus-Pfad durch ein taktendes Schaltelement und einen Energiespeicher, beispielsweise eine Spule und/oder einen Kondensator, eingestellt wird und der Minuspfad durchgängig ist. Ein solcher Energiewandler kann für die Wandlermodule 36, 38 so nicht unmittelbar verwendet werden, sondern ist entsprechend anzupassen, dass der Plus-Pfad durchgängig ist und das taktende Schaltelement sowie die Energiespeicher im Minus-Pfad angeordnet sind.The 12 to 15 show suitable schematic diagram representations, which for the realization of the converter modules 36 . 38 can serve. 12 shows a conventional buck converter for a unidirectional conversion without galvanic isolation. In general, galvanically coupled transducer types are shown so that the plus path is set by a clocking switching element and an energy storage, such as a coil and / or a capacitor, and the negative path is continuous. Such an energy converter can be used for the converter modules 36 , 38 are not used directly, but should be adjusted accordingly that the plus path is continuous and the clocking switching element and the energy storage are located in the minus path.

In diesem Sinne zeigt 12 einen konventionellen Tiefsetzsteller, der für die Nutzung in den Wandlermodulen 36, 38 gemäß 13 abzuwandeln ist. Entsprechendes gilt für den konventionellen Hochsetzsteller gemäß 14, der für die Nutzung bei einem Wandlermodul 36, 38 gemäß der Erfindung entsprechend 15 abzuwandeln ist.In this sense shows 12 a conventional buck converter for use in the converter modules 36 . 38 according to 13 is to be modified. The same applies to the conventional boost converter according to 14 which is for use with a converter module 36 . 38 according to the invention accordingly 15 is to be modified.

Die 8 bis 11 verdeutlichen anhand von schematischen Diagrammdarstellungen die Wirkung der Erfindung. In sämtlichen Diagrammen der 8 bis 11 ist die Abszisse der Zeit und die Ordinate einer jeweiligen Spannung U1 oder U2 in Volt zugeordnet. Die Spannung U1 bezieht sich immer auf ein Plus-Potential in Bezug auf das Erdpotential 34, wohingegen die Spannung U2 sich auf eine elektrische Spannung zwischen dem Minus-Potential und dem Erdpotential 34 bezieht. In den Fign. sind jeweils zwei zugehörige Diagramme übereinander angeordnet dargestellt. Im oberen der Diagramme ist jeweils die elektrische Spannung U1 und im unteren der beiden Diagramme die zugeordnete elektrische Spannung U2 mittels jeweiliger Graphen dargestellt.The 8th to 11 illustrate the effect of the invention by means of schematic diagrams. In all diagrams of the 8th to 11 is the abscissa of time and the ordinate of a respective voltage U 1 or U 2 assigned in volts. The voltage U 1 always refers to a plus potential in relation to the earth potential 34 whereas the tension U 2 on an electrical voltage between the negative potential and the ground potential 34 refers. In the Fign. each two associated diagrams are shown arranged one above the other. In the upper part of the diagrams is the electrical voltage U 1 and in the lower of the two diagrams the associated electrical voltage U 2 represented by respective graphs.

8 zeigt in einem oberen schematischen Diagramm mittels eines Graphen 62 den Spannungsverlauf unmittelbar nach der Gleichrichtung, und zwar am Plus-Potential. Mittels eines Graphen 64 zeigt das untere Diagramm den entsprechenden Spannungsverlauf für die Spannung U2 , und zwar in Bezug auf das entsprechende Minus-Potential. 8th shows in an upper schematic diagram by means of a graph 62 the voltage curve immediately after the rectification, namely at the positive potential. By means of a graph 64, the lower diagram shows the corresponding voltage curve for the voltage U 2 , in terms of the corresponding negative potential.

Nach Durchführung der Leistungsfaktorkorrektur durch die Leistungsfaktoreinheit 40 ändern sich die Spannungsverläufe, wie es anhand der Diagramme von 9 mittels der Graphen 66 und 68 dargestellt ist. 10 zeigt in einem weiteren Schritt die Auswirkung des ersten Wandlermoduls 36, bei dem das Minus-Potential bezogen auf das Erdpotential 34 stabilisiert wird. Dies kann anhand der übereinander dargestellten Diagramme gezeigt werden, wobei mittels eines Graphen 70 das entsprechende Plus-Potential dargestellt ist, das im Wesentlichen gegenüber dem in 9 dargestellten Spannungsverlauf unverändert ist, wohingegen das Minus-Potential gemäß dem unteren Diagramm anhand des Graphen 72 ersichtlich im Wesentlichen konstant ist.After performing the power factor correction by the power factor unit 40 the voltage curves change as shown by the diagrams of 9 is represented by the graphs 66 and 68. 10 shows in a further step the effect of the first converter module 36 in which the negative potential is stabilized relative to the ground potential 34. This can be shown with reference to the diagrams shown above, wherein by means of a graph 70, the corresponding positive potential is shown, which is substantially opposite to in 9 the voltage curve shown is unchanged, whereas the negative potential according to the lower diagram can be seen to be substantially constant on the basis of the graph 72.

Um nun die Schwankung des Plus-Potentials gemäß dem Graphen 70 ebenfalls zu reduzieren, ist das zweite Wandlermodul 38 vorgesehen. Mittels des zweiten Wandlermoduls 38 kann auch das Plus-Potential gegenüber dem Erdpotential 34 stabilisiert werden, wie dies aus dem oberen Diagramm der 11 anhand des Graphen 74 für die Spannung U1 ersichtlich ist. Mittels des Graphen 76 im unteren der beiden Diagramme ist ersichtlich, dass die Spannung U2 im Wesentlichen nicht verändert ist. Am zweiten Anschluss 26 steht somit eine Zwischenkreisgleichspannung 32 zur Verfügung, die gegenüber dem Erdpotential 34 im Wesentlichen konstant gehalten ist. Diese Konstanz wird erreicht, obwohl keine galvanische Trennung vorgesehen ist.In order to reduce the fluctuation of the positive potential according to the graph 70 as well, the second converter module is 38 intended. By means of the second converter module 38 can also be the plus potential compared to the earth potential 34 be stabilized, as can be seen from the upper diagram of the 11 from the voltage graph 74 U 1 is apparent. By means of the graph 76 in the lower of the two diagrams it can be seen that the voltage U 2 essentially not changed. At the second connection 26 is thus a DC link voltage 32 available, which is opposite to the earth potential 34 is kept substantially constant. This constancy is achieved, although no galvanic isolation is provided.

Durch die Erfindung, die einen Wechsel von einem galvanisch getrennten Ladegerät auf ein galvanisch gekoppeltes Ladegerät vorschlägt, ergeben sich die folgenden Vorteile:

  • - höherer Wirkungsgrad
  • - kleinere Bauform, woraus sich eine höhere Leistungsdichte ergeben kann
  • - Kostenvorteile, weil weniger Bauteile benötigt werden gegenüber galvanisch getrennten Ladegeräten
  • - eine Stabilisierung der elektrischen Potentiale auf der Gleichspannungsseite kann erreicht werden, insbesondere eine Symmetrierung bezüglich eines elektrischen Bezugspotentials, beispielsweise dem Erdpotential 34, an einer Ausgangsseite des galvanisch gekoppelten Ladegeräts. Dadurch kann auch eine gesamte elektrische Energie, die in Y-Kondensatoren gespeichert ist, reduziert werden.
  • - Durch die Wandlermodule 36, 38 können Überspannungen aus der Ladestation 14 gedämpft beziehungsweise reduziert werden.
The invention, which suggests a change from a galvanically isolated charger to a galvanically coupled charger, provides the following advantages:
  • - higher efficiency
  • - smaller design, which may result in a higher power density
  • - Cost advantages, because fewer components are required compared to galvanically isolated chargers
  • a stabilization of the electrical potentials on the DC voltage side can be achieved, in particular a balancing with respect to an electrical reference potential, for example, the earth potential 34 , on an output side of the galvanic charger. As a result, all electrical energy stored in Y capacitors can also be reduced.
  • - Through the converter modules 36 . 38 Surges can be damped or reduced from the charging station 14.

Grundsätzlich ist für die Erfindung das zweite Wandlermodul nicht zwingend erforderlich. Die grundsätzliche Funktion kann lediglich mit dem Wandlermodul 36 bereits erreicht werden. Die Ausgangsspannung wäre dann gegebenenfalls keine konstante Gleichspannung.In principle, the second converter module is not absolutely necessary for the invention. The basic function can only be done with the converter module 36 already reached. The output voltage would then possibly not a constant DC voltage.

Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.The exemplary embodiments serve exclusively to explain the invention and are not intended to limit this.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Ladeeinrichtungloader
1212
Bordnetzboard network
1414
Ladestationcharging station
1616
BrückengleichrichterBridge rectifier
1818
GleichspannungsanschlussDC voltage connection
2020
GleichspannungszwischenkreisDc link
2222
GleichspannungswandlerDC converter
2424
erster Anschlussfirst connection
2626
zweiter Anschlusssecond connection
2828
Plus-PotentialPlus potential
3030
Minus-PotentialNegative potential
3232
ZwischenkreisgleichspannungIntermediate circuit voltage
3434
Erdpotentialground
3636
erstes Wandlermodulfirst converter module
3838
zweites Wandlermodulsecond converter module
4040
LeistungsfaktoreinheitPower factor unit
5050
Ladeeinrichtungloader
5252
Ladestationcharging station
5454
GleichrichtereinheitRectifier unit
5656
Kondensatorcapacitor
5858
DC/DC-WandlerDC / DC converter
6060
Fahrzeugbatterievehicle battery
62 bis 7862 to 78
Graphgraph
L1, L2, L3 L 1 , L 2 , L 3
Phasenanschlussphase connection
PP
Phasenanschlussphase connection
NN
Nullanschlusszero connection
U1 U 1
Spannungtension
U2 U 2
Spannungtension

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2010/0076636 A1 [0005]US 2010/0076636 A1 [0005]

Claims (7)

Energiekoppeleinrichtung (10) zum elektrischen Koppeln eines Bordnetzes (12) eines Kraftfahrzeugs mit einer kraftfahrzeugexternen, eine elektrische Wechselspannung bereitstellenden Ladestation (14), mit einem mit der Ladestation (14) elektrisch koppelbaren und die Wechselspannung gleichrichtenden Brückengleichrichter (16), der einen Gleichspannungsanschluss (18) aufweist, der mit einem Gleichspannungszwischenkreis (20) des Bordnetzes (12) elektrisch gekoppelt ist, gekennzeichnet durch einen Gleichspannungswandler (22), der mit einem ersten Anschluss (24) mit dem Gleichspannungsanschluss (18) und mit einem zweiten Anschluss (26) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (20) des Bordnetzes (12) elektrisch gekoppelt ist, wobei der Gleichspannungswandler (22) ausgebildet ist, elektrische Potentiale (28, 30) einer am zweiten Anschluss (26) für den Gleichspannungszwischenkreis (20) bereitgestellten Zwischenkreisgleichspannung (32) in Bezug auf ein vorgebbares elektrisches Bezugspotential (34) auf vorgebbare, im Wesentlichen konstante Werte einzustellen.Energy coupling device (10) for electrically coupling an on-board network (12) of a motor vehicle with a charging station (14) providing an electrical alternating voltage outside the vehicle, with a bridge rectifier (16) which can be electrically coupled to the charging station (14) and rectifies the AC voltage, which has a DC voltage connection (16). 18), which is electrically coupled to a DC voltage intermediate circuit (20) of the electrical system (12), characterized by a DC-DC converter (22) having a first terminal (24) with the DC voltage terminal (18) and with a second terminal (26) is electrically coupled to the DC intermediate circuit (20) of the electrical system (12), wherein the DC-DC converter (22) is formed, electrical potentials (28, 30) at the second terminal (26) for the DC intermediate circuit (20) provided DC link voltage (32) in Reference to a predeterminable electrical reference potential (34) to set to predetermined, substantially constant values. Energiekoppeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Anschluss (24, 26) des Gleichspannungswandlers (22) galvanisch gekoppelt sind.Energy coupling device according to Claim 1 , characterized in that the first and the second terminal (24, 26) of the DC-DC converter (22) are galvanically coupled. Energiekoppeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (22) modular ausgebildet ist und wenigstens zwei Wandlermodule (36, 38) aufweist, wobei jedes der Wandlermodule (36, 38) ausgebildet ist, ein jeweils zugeordnetes der elektrischen Potentiale (28, 30) einzustellen.Energy coupling device according to Claim 1 or 2 , characterized in that the DC-DC converter (22) is modular and has at least two converter modules (36, 38), wherein each of the converter modules (36, 38) is adapted to set a respectively associated one of the electrical potentials (28, 30). Energiekoppeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (22) ausgebildet ist, die elektrischen Potentiale (28, 30) symmetrisch zum elektrischen Bezugspotential (34) einzustellen.Energy coupling device according to one of the preceding claims, characterized in that the DC-DC converter (22) is designed to adjust the electrical potentials (28, 30) symmetrically to the electrical reference potential (34). Energiekoppeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsfaktoreinheit (40) zum Einstellen eines Leistungsfaktors bezüglich der Ladestation (14).Energy coupling device according to one of the preceding claims, characterized in that a power factor unit (40) for setting a power factor with respect to the charging station (14). Energiekoppeleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsfaktoreinheit (40) und wenigstens eines des Wandlermodule (36, 38) einstückig ausgebildet sind.Energy coupling device according to Claim 5 , characterized in that the power factor unit (40) and at least one of the converter modules (36, 38) are integrally formed. Verfahren zum elektrischen Koppeln eines Bordnetzes (12) eines Kraftfahrzeugs mit einer kraftfahrzeugexternen, eine elektrische Wechselspannung bereitstellenden Ladestation (14), bei dem eine Wechselspannung der Ladestation (14) mittels eines mit der Ladestation (14) elektrisch koppelbaren und die Wechselspannung gleichrichtenden Brückengleichrichters (16) gleichgerichtet und an einem mit einem Gleichspannungszwischenkreis (20) des Bordnetzes (12) elektrisch gekoppelten Gleichspannungsanschluss (18) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Brückengleichrichter (18) mittels eines Gleichspannungswandlers (22) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (20) des Bordnetzes (12) elektrisch gekoppelt wird, wobei der Gleichspannungswandler (22) elektrische Potentiale (28, 30) einer für den Gleichspannungszwischenkreis (20) bereitgestellten Zwischenkreisgleichspannung (32) in Bezug auf ein vorgebbares elektrisches Bezugspotential (34) auf vorgebbare, im Wesentlichen konstante Werte einstellt.Method for electrically coupling a vehicle electrical system (12) of a motor vehicle with a charging station (14) providing an electrical alternating voltage in which an AC voltage of the charging station (14) can be electrically coupled by means of a bridge rectifier (16) electrically coupled to the charging station (14) and rectifying the AC voltage ) is rectified and is provided at a DC voltage connection (18) electrically coupled to a DC intermediate circuit (20) of the electrical system (12), characterized in that the bridge rectifier (18) is connected to the DC intermediate circuit (20) of the vehicle electrical system (12) by means of a DC voltage converter (22) is electrically coupled, wherein the DC-DC converter (22) electrical potentials (28, 30) provided for the DC intermediate circuit (20) DC link voltage (32) with respect to a predetermined electrical reference potential (34) to predetermined, substantially constant values established.
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