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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ableiten eines Stromflusses in Sperrrichtung in einer Ladeschaltung für ein Kraftfahrzeug. Darüber hinaus stellt diese Erfindung ebenfalls eine Ladeschaltung zum Ableiten eines Stromflusses in Sperrrichtung bei einer Energieübertragung bereit.
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Wird ein AC-Ladegerät mit einem DC/DC-Wandler mit einem gemeinsamen magnetischen Kreis kombiniert, kann es bei Betrieb des DC/DC-Wandlers (ohne gleichzeitiges Laden) dazu kommen, dass sich wegen Dioden-Sperrströmen im netzseitigen EMV-Filter des AC-Ladegeräts eine Spannung aufbaut. Über den magnetischen Kreis wird eine Spannung induziert. Zwar sind die Dioden im dem Leistungsfaktorkorrekturfilter und des Gleichrichters in Sperrrichtung geschaltet, jedoch kann ein geringer Sperrstrom dennoch passieren. Diese Spannung wäre am EMV-Filter an der Ladedose des Fahrzeugs zugänglich und könnte bei einer Berührung zu einem elektrischen Schlag führen.
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Herkömmliche Lösungen sehen entweder Trennschütze zwischen Ladedose und Ladegerät vor oder sie sehen einen Entladewiderstand vor, um die Diodenströme abzuleiten. Mit Hilfe von Trennschützen kann der Zugang zu der Spannung im EMV-Filter unterbrochen werden. Dabei ist jedoch nachteilig, dass zusätzliche Bauteile benötigt werden.
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Die Druckschrift
WO 2015/192133 A2 beschreibt ein integriertes und isoliertes On-Board-Ladegerät für steckerfertige Elektrofahrzeuge. Das On-Board-Ladegerät beinhaltet einen AC-DC-Wandler und einen Dualgleichstromresonanzwandler, der sowohl für Hochvolt-Traktionsbatterien als auch für LV-Lasten vorgesehen ist. Zusätzlich kann das integrierte On-Board-Ladegerät unidirektional oder bidirektional ausgeführt sein. Es kann Energie von Hochvolt-Traktionsbatterien für das Bordnetz von Fahrzeugen bereitstellen. Um die Leistungsdichte des Wandlers zu erhöhen, kann der Dualausgang eines DC-DC-Resonanzwandlers magnetische Komponenten resonanter Netze zu einem einzigen, dreifach gewickelten elektromagnetisch integrierten Transformator kombinieren. Der Resonanzwandler kann als Halbbrückentopologie mit Splitkondensatoren als resonante Netzwerkkomponenten konfiguriert werden, um die Größe des Wandlers weiter zu reduzieren. Das integrierte Ladegerät kann für verschiedene Betriebsmodi konfiguriert werden. Dazu zählen beispielsweise der Betrieb von Netz zu Fahrzeug, von Fahrzeug zu Netz und Hochspannung zu Niederspannung.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Sicherheit von Ladegeräten, insbesondere bei einer Kombination von Ladegerät und der Funktion als DC/DC-Wandler, zu erhalten.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Ableiten eines Stromflusses in Sperrrichtung in einer Ladeschaltung für ein Kraftfahrzeug bei Energieübertragung von einem ersten Bordnetz in ein zweites Bordnetz des Kraftfahrzeugs unter Verwendung eines Leistungsfaktorkorrekturfilters vor. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in dem Leistungsfaktorkorrekturfilter nach einer Diode in Sperrrichtung ein Schaltelement angeordnet ist und das Schaltelement bei dieser Energieübertragung geschlossen wird. Da das erste Bordnetz und das zweite Bordnetz insbesondere magnetisch mit einer Ladedose oder einem EMV-Filter verbunden sein können, kann in Folge von Induktion Spannung auf die Komponenten der Ladedose beziehungsweise des EMV-Filters übertragen werden. Trotz der Diode kann dennoch in Sperrrichtung ein geringer Stromfluss stattfinden. So kann sich dennoch an der Ladedose am EMV-Filter eine Potentialdifferenz aufbauen und wäre an der Ladedose des Fahrzeugs zugänglich. Wird bei der Energieübertragung von dem ersten Bordnetz zum zweiten Bordnetz oder umgekehrt das Schaltelement von dem Leistungsfaktorkorrekturfilter geschlossen, so kann verhindert werden, dass sich am EMV-Filter beziehungsweise an der Ladedose Spannungen aufbauen können. Damit kann die Gefahr eines elektrischen Schlages für einen Nutzer eines Elektrofahrzeugs deutlich reduziert werden.
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In einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schaltelement bei der Energieübertragung permanent geschlossen gehalten wird. Da aufgrund der Energieübertragung von dem ersten Bordnetz in das zweite Bordnetz oder umgekehrt ständig ein geringer Sperrstrom in Richtung Ladedose fließen kann, kann mit dem permanent geschlossenen Schaltelement ein unerwünschter Spannungsaufbau an der Ladedose beziehungsweise des EMV-Filters effektiv unterbunden werden. So kann sichergestellt werden, dass sich zu keinem Zeitpunkt an der Ladedose oder dem EMV-Filter unerwünschte Spannungen aufbauen können. Daher wird beim Betrieb des DC/DC-Wandlers (Energieübertragung) das entsprechende Schaltelement in dem Leistungsfaktorkorrekturfilter geschlossen um dadurch Diodensperrströme abzuleiten.
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Eine weitere Variante dieser Erfindung sieht vor, dass in dem Leistungsfaktorkorrekturfilter ein Ladeeingang bei der Energieübertragung von dem ersten Bordnetz in das zweite Bordnetz des Kraftfahrzeugs solange kurzgeschlossen wird, solange kein Laden erfolgt. Diese Variante bietet den Vorteil, dass bei der Energieübertrag von dem ersten zum zweiten Bordnetz stets ein Spannungsaufbau an der Ladedose oder dem EMV-Filter konsequent unterbunden wird. Das Kurzschließen erfolgt jedoch insbesondere nicht, wenn das Kraftfahrzeug geladen wird. Im diesem Fall würde ein schädlicher Kurzschluss im Bereich der Ladedose beziehungsweise des EMV-Filters entstehen, der entsprechende Komponenten beschädigen kann. Außerdem würde die eigentliche Funktion des Laders bzw. der Ladeschaltung, nämlich das Fahrzeug zu laden, unmöglich gemacht, da der entsprechende Schalter für das Kurzschließen Teil der Ladeschaltung ist. Daher erfolgt das Kurzschließen des Ladeeingangs bei der Energieübertragung von dem ersten Bordnetz in das zweite Bordnetz insbesondere nur dann, wenn kein Laden des Kraftfahrzeugs erfolgt. Somit kann jeglicher Spannungsaufbau bei einem Nicht-Ladebetrieb besser unterbunden werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Ladeschaltung zum Ableiten eines Stromflusses in Sperrrichtung bei Energieübertragung von einem ersten Bordnetz in ein zweites Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit einem Leistungsfaktorkorrekturfilter bereit. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter weist ein Schaltelement nach einer Diode in Sperrrichtung auf. Dabei ist der Leistungsfaktorkorrekturfilter dazu ausgebildet, das Schaltelement bei der Energieübertragung von dem ersten Bordnetz in das zweite Bordnetz des Kraftfahrzeugs geschlossen zu halten.
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Ebenso stellt die vorliegende Erfindung eine Ladeschaltung bereit, wobei ein Ladeeingang des Leistungsfaktorkorrekturfilters bei einem Nicht-Ladebetrieb fortwährend kurzgeschlossen ist. Die genannten Ausführungen und Vorteile bei den vorangegangenen Varianten zu dieser Erfindung gelten sinngemäß auch für diese Variante der vorliegenden Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels/bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 Eine schematische Ladeschaltung mit einem Leistungsfaktorkorrekturfilter, Diode und einem Schaltelement, sowie zwei magnetisch angeschlossenen Bordnetzen;
- 2 Eine schemenhafte Totem-Pole-Schaltung mit einem Leistungsfaktorkorrekturfilter.
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Ein Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC kann aktiv oder passiv ausgeführt sein. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC ist im Englischen unter dem Begriff „Power Factor Correction“ oder „Power Factor Compensation“ bekannt. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC ist eine elektrische oder elektronische Schaltung, welche den so genannten Leistungsfaktor erhöht, damit dieser in einem vorgegebenen Bereich bleibt.
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Der Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC weist in 1 ein Schaltelement S1, eine Diode D1, sowie eine Kapazität C und eine Induktivität L auf. Die Ausrichtung der Diode D1 legt eine Sperrrichtung 12 fest. Ausgehend vom Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC in Sperrrichtung 12 ist ein erster Wandler W1, ein EMV-Filter EMV sowie eine Ladedose 13 angeordnet. Entgegen der Sperrrichtung 12 sind ein zweiter Wandler W2, sowie ein dritter und vierter Wandler W3 und W4 mit dazugehörigen Bordnetzen B1 und B2 angeordnet. Bei einem Ladebetrieb eines Elektrofahrzeuges würde sich eine Hauptstromrichtung 10 ergeben. In diesem Fall fließt Energie von der Ladedose 13 über die jeweiligen elektrischen Komponenten bis in die Bordnetze B1 und B2. Die Bordnetze B1 und B2 sind im Beispiel der 1 über ihre jeweiligen Wandler W3 und W4 magnetisch induktiv mit der Ladedose 13 verbunden.
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Die obige Ladeschaltung 14 ermöglicht nicht nur das Laden entlang des Hauptstromflusses 10, sondern darüber hinaus eine Energieübertragung TE von dem ersten Bordnetz B1 in das zweite Bordnetz B2. Die Energieübertragung TE kann alternativ von dem zweiten Bordnetz B2 in das erste Bordnetz B1 erfolgen. Dabei unterscheiden sich die beiden Bordnetze B1 und B2 insbesondere durch ihre unterschiedlichen Spannungsniveaus. Das erste Bordnetz B1 kann beispielsweise als ein Hochvoltbereich und das zweite Bordnetz B2 als ein Niedervoltbereich ausgebildet sein. Somit kann im ersten Bordnetz B1 ein Spannungsniveau von über 60 Volt und im zweiten Bordnetz B2 ein Spannungsniveau von etwa 12 Volt vorliegen.
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Die vorliegende Erfindung sieht insbesondere vor, dass zwischen den beiden Bordnetzen B1 und B2 ein Energietransfer, also die Energieübertragung TE, stattfinden kann. Hat ein Bordnetz beispielsweise aufgrund diverser elektrischer Verbraucher einen geringen Energieinhalt, so kann eventuelle überschüssige Energie aus dem anderen Bordnetz in das empfangsbedürftige Bordnetz übertragen werden. Mit Energie bzw. Energiegehalt ist vorzugsweise elektrische Energie gemeint. Dabei wird bevorzugt die Funktion der Ladeschaltung 14 als DC/DC-Wandlers genutzt. Dabei kann ohne das Konzept dieser Erfindung über den magnetischen Kreis eine Rückspeisung in Richtung der Ladedose 13 erfolgen. Dies bedeutet, dass bei einer Energieübertragung TE von dem ersten Bordnetz B1 und zu dem zweiten Bordnetz B2 ohne das Konzept dieser Erfindung ein Stromfluss in Richtung der Ladedose auftreten kann.
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Zwar ist die Diode D1 in Sperrrichtung 12 angeordnet, sodass prinzipiell ein Stromfluss unterbunden werden soll. Jedoch kann bei der Diode D1 auch in Sperrrichtung 12 ein geringer Sperrstrom durch diese Diode D1 fließen. Dieser geringe Sperrstrom kann zu einem Spannungsaufbau im EMV-Filter EMV führen. Der EMV-Filter EMV kann insbesondere Kapazitäten C enthalten, welche durch den geringen Sperrstrom aufgeladen werden. Zu beachten ist, dass die in 1 gezeigte Kapazität C Kapazitäten auch im Allgemeinen anspricht. D.h. der EMV-Filter EMV kann durchaus eigene Kapazitäten C aufweisen, welche in 1 nicht separat dargestellt sind. Damit kann eine Spannung an der Ladedose 13 zugänglich sein und die Spannung bei einer Berührung zu einem elektrischen Schlag führen. Um dieses Szenario zu verhindern, wird bei einem Betrieb der Ladeschaltung 14 als DC/DC-Wandler (also bei der Energieübertragung TE von dem ersten Bordnetz B1 in das zweite Bordnetz B2) der Schalter S1 geschlossen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Schalter S1 während der Energieübertragung TE permanent geschlossen gehalten wird, sodass der Sperrstrom durch die Diode D1 abgeleitet wird und eine Rückspeisung in Richtung der Ladedose 13 konsequent verhindert wird. Durch den geschlossenen Schalter S1 innerhalb des Leistungsfaktorkorrekturfilters PFC können eventuell auftretende unterschiedliche Spannungsniveaus im Bereich der Ladedose 13 oder des EMV-Filters EMV ausgeglichen werden. Damit kann die Gefahr eines ungewollten Stromschlags an der Ladedose 13 oder des EMV-Filters EMV reduziert werden.
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2 zeigt den Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC, welcher in einer Totem-Pole-Schaltung integriert ist. Das heißt die Ladeschaltung 14 ist in 2 als Totem-Pole-Schaltung ausgeführt. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC in der Ladeschaltung 14 der 2 weist mehrere Schaltelemente S1, S2, SD1 und SD2 sowie mehrere Dioden auf. Der EMV-Filter EMV ist über zwei Anschlusspunkte Vs und Vd mit dem Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC verbunden. Soll nun beispielsweise die Energieübertragung TE von dem ersten Bordnetz B1 zu dem zweiten Bordnetz B2 erfolgen, so könnte sich prinzipiell über die magnetische Induktion ein geringer Stromfluss in Richtung Ladedose 13 ergeben. Um dies zu unterbinden, wird der Ladeeingang des Leistungsfaktorkorrekturfilters PFC dauerhaft kurzgeschlossen. Der Ladeeingang des Leistungskorrekturfilters PFC ist vorzugsweise der Ladedose 13 zugewandt. Dazu werden im Beispiel der 2 die Schaltelemente S1 sowie SD1 geschlossen, währenddessen die Schaltelemente S2 und SD2 geöffnet bleiben. Durch die geschlossenen Schaltelemente S1 sowie SD1 ist der EMV-Filter EMV über die Anschlusspunkte Vs und Vd kurzgeschlossen. Die anderen beiden Schaltelemente S2 sowie SD2 bleiben geöffnet, da es ansonsten zu einer dauerhaften Rückspeisung über den magnetischen Kreis kommt. Der Wandler W2, der auch DC/AC-Konverter genannt wird, arbeitet wegen der Body-Dioden als Brückengleichrichter.
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Die Schaltelemente S1, SD1, S2 sowie SD2 können unterschiedlich ausgeführt sein. Sie können beispielsweise als Transistoren oder MOSFET-Schalter ausgebildet sein. Diese Schalter können ferner Feldeffekttransistoren, Bipolartransistoren, aktivierte Halbleiterschalter oder andere elektronische Schalter sein.
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Das Kurzschließen des Ladeeingangs des Leistungsfaktorkorrekturfilters PFC kann auch alternativ über das Schließen der Schaltelemente S2 und SD2 sowie über geöffnete Schaltelemente S1 und SD1 erreicht werden. Auch in diesem Fall ist der Ladeeingang des Leistungsfaktorkorrekturfilters PFC kurzgeschlossen. Somit kann ein etwaiger Spannungsaufbau an der Ladedose 13 oder dem EMV-Filter EMV konsequent unterbunden werden.
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Die vorliegende Erfindung kann insbesondere bei Plug-In-Elektrofahrzeugen mit einem integrierten On-Board-Ladegerät und einem DC/DC-Wandler eingesetzt werden, welcher über einen magnetischen Kreis mit der Ladeschaltung 14 verbunden ist. Wird der DC/DC-Wandler nicht im Ladebetrieb eingesetzt, kann sich aufgrund von Sperrströmen am EMV-Filter EMV beziehungsweise an der Ladedose 13 eine Spannung aufbauen. Diese Spannung könnte zu unangenehmen Stromschlägen führen, wenn ein Kunde die Ladedose 13 berührt. Das Konzept dieser Erfindung sieht vor, dass die Ladeschaltung 14 so modifiziert beziehungsweise betrieben wird, dass ein Spannungsaufbau an der Ladedose 13 sowie an weiteren zugänglichen elektronischen Komponenten, beispielsweise dem EMV-Filter, konsequent unterbunden werden kann. Damit sind keine zusätzlichen Bauteile notwendig und aufgrund eingesparter Bauteile können sich Vorteile hinsichtlich des Gewichts, Bauraums und der Kosten ergeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hauptstromrichtung
- 12
- Sperrrichtung
- 13
- Ladedose
- 14
- Ladeschaltung
- EMV
- EMV-Filter
- W1-W4
- Wandler
- B1
- erstes Bordnetz
- L
- Induktivität
- B2
- zweites Bordnetz
- C
- Kapazität(en)
- D1
- Diode
- S1, S2, SD1, SD2
- Schalter
- PFC
- Leistungsfaktorkorrekturfilter
- TE
- Energieübertragung
- Vs, Vd
- Anschlusspunkte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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