DE102018008603A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Laden einer Batterieanordnung mit mehreren Batteriemodulen - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (10) zum Laden einer Batterieanordnung (12) mit mehreren Batteriemodulen. Dazu wird zunächst ermittelt, welcher Anschluss der Schaltungsanordnung (10) stromführend ist und welcher Anschluss als Neutralleiter (N) ausgebildet ist. Dazu wird eine Spannungsmessung zwischen dem Schutzleiter (PE) und einem der beiden Anschlüsse der Schaltungsanordnung durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann eine Spannungsmessung zwischen einem Mittelabgriff (M) und einem der beiden Anschlüsse der Schaltungsanordnung (10) zum Ermitteln dienen. In einem weiteren Schritt kann ein erstes, zweites, drittes und viertes Schaltelement der Schaltungsanordnung (10) derart angesteuert werden, sodass eines der Batteriemodule der Batterieanordnung (12) geladen wird, während zugleich ein anderes Batteriemodul der Batterieanordnung (12) nicht geladen wird. Dabei können das zweite Schaltelement (S2) und das vierte Schaltelement (S4) taktend betrieben werden, um über jeweils eine Batterieschaltung eine vorgegebene Potentialdifferenz zu realisieren.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und Verfahren zum Laden einer Batterieanordnung mit mehreren Batteriemodulen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laden eines Batteriemoduls in einer Batterieanordnung.
  • Beim galvanisch gekoppelten Laden ist es häufig erwünscht, Potentialsprünge im Hochvoltsystem zu vermeiden. Dadurch können Ableitströme über sogenannte Y-Kapazitäten vermieden werden, welche einen Schutzschalter (FI-Typ-A) zum Auslösen bringen würden. Anmelderseitig sind verschiedene Lösungswege bekannt, welche bisher angewendet wurden, um diese Potentialsprünge im Hochvoltsystem zu vermeiden. Der Bereich der Leistungselektronik mit dem springenden Hochvoltpotential kann kleingehalten werden und durch einen Transformator galvanisch vom restlichen Fahrzeug getrennt werden. Dies ist ein üblicher Aufbau eines Bordladers. Nach dem Transformator kann das Bezugspotential wieder frei gewählt werden.
  • Ein anderes Konzept sieht vor, dass bei einem galvanisch gekoppelten Ladesystem der Ableitstrom über die Y-Kapazitäten gemessen wird und über eine Stromquelle ein kompensierender Strom zu den Ableitströmen eingespeist wird.
  • Eine weitere Lösung sieht vor, dass durch zwei in Reihe geschaltete Spannungswandler zunächst das Hochvoltminuspotential und anschließend das Hochvoltpluspotential auf einen zeitlich konstanten Wert eingeregelt werden. Bei diesen Lösungen muss jedoch entweder eine galvanische Trennung realisiert werden oder bei einer geforderten PFC-Funktionalität muss eine Schaltung auf die volle Batteriespannung ausgelegt werden.
  • Die Druckschrift US 2013/0094255 A1 beschreibt eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung, welche in der Lage ist, eine Eingangsstromstärke zu prognostizieren. Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung und ein dazugehöriges Steuerungsverfahren verwenden eine Leistungsfaktorsteuerung, um ein Kompensationsstromsignal gemäß einer Eingangsspannung eines AC-DC-Wandlergerätes und eines Filterkondensatorwertes zu erzeugen.
  • Die Offenlegungsschrift DE 10 2011 077 701 A1 beschreibt eine Fahrzeugbatterie mit mehreren Spannungslagen und ein Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeugbatterie mit mehreren Spannungslagen. Ein Batteriegehäuse weist eine Vielzahl von seriell gekoppelten Batteriezellenblöcken auf. Die Batteriezellenblöcke sind in einem Batteriegehäuse angeordnet. Diese umfassen jeweils mindestens eine Batteriezelle. Die Fahrzeugbatterie weist eine Vielzahl von ersten Polanschlüssen auf, welche mit jeweils einem Knoten zwischen den seriell gekoppelten Batteriezellenblöcken verbunden sind und welche aus dem Batteriegehäuse herausgeführt sind. Ferner weist die Fahrzeugbatterie eine Vielzahl von zweiten Polanschlüssen auf, welche mit den Endabgriffen der Fahrzeugbatterie verbunden sind. Dabei ist eine Vielzahl von Spannungslagen in Abhängigkeit von den zwischen den zwei Polanschlüssen liegenden Batteriezellenblöcken abgreifbar. Dies ist an jeweils zwei der ersten und zweiten Polanschlüsse möglich.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, die ein effizienteres beziehungsweise verbessertes Laden einer Batterie ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche dieser Anmeldung sinnvoll gelöst. Alternative Ausführungsformen sowie weitere Beispiele ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Figuren.
  • Die Erfindung sieht eine Schaltungsanordnung zum Laden einer Batterieanordnung mit mehreren Batteriemodulen vor. In vielen Fällen weist die Batterieanordnung genau zwei Batteriemodule auf, jedoch kann eine Batterieanordnung deutlich mehr als zwei Batteriemodule enthalten. Die Schaltungsanordnung weist einen Gleichrichter zum Transformieren eines Wechselstroms in einen Gleichstrom auf. Die Schaltungsanordnung weist einen an dem Gleichrichter in Serie an einem ersten Ausgang des Gleichrichters angeschlossenen ersten Leitungsabschnitt auf, wobei der erste Leitungsabschnitt eine erste Induktivität, ein dazu paralleles erstes Schaltelement und eine zu diesen parallelen Bauelementen seriell geschaltete erste Batterieschaltung aufweist. Dabei ist die erste Induktivität mithilfe des ersten Schaltelements überbrückbar und die erste Batterieschaltung weist eine erste Parallelschaltung auf. Diese Parallelschaltung weist in einem ersten Zweig ein zweites Schaltelement und in einem dazu parallelen zweiten Zweig ein erstes Batteriemodul auf.
  • Die Schaltungsanordnung weist ferner einen an dem Gleichrichter in Serie an einem zweiten Ausgang des Gleichrichters angeschlossenen zweiten Leitungsabschnitt auf. Der zweite Leitungsabschnitt weist eine zweite Induktivität, ein dazu paralleles drittes Schaltelement und eine zu diesen parallelen Bauelementen zweite Batterieschaltung auf. Dabei ist die zweite Induktivität mithilfe des dritten Schaltelements überbrückbar und die zweite Batterieschaltung weist eine zweite Parallelschaltung auf. Die zweite Parallelschaltung weist in einem dritten Zweig ein viertes Schaltelement auf und in einem vierten Zweig ein zweites Batteriemodul. Die Schaltungsanordnung weist ferner einen Mittelabgriff auf, der zwischen dem ersten Batteriemodul und dem zweiten Batteriemodul angeordnet ist und mit dem ersten Zweig der ersten Parallelschaltung und/oder mit dem dritten Zweig der zweiten Parallelschaltung verbunden ist. Darüber hinaus weist die Schaltungsanordnung eine Steuereinheit auf, welche ausgestaltet ist in Abhängigkeit von einer Polarität des Wechselstroms das erste und das zweite Schaltelement oder das dritte und das vierte Schaltelement zum jeweiligen Laden einer der beiden Batteriemodule durchzuschalten. Insbesondere kann die Steuereinheit ebenfalls das erste und das vierte Schaltelement sowie das dritte und das zweite Schaltelement zum jeweiligen Laden einer der beiden Batteriemodule durchschalten. Vorzugsweise kann die Steuereinheit sämtliche Schaltelemente so ansteuern und schalten, dass ein vorgegebenes Batteriemodule oder eine Vielzahl von vorgegebenen Batteriemodulen aufgeladen werden. Mithilfe einer solchen Schaltungsanordnung kann ein Batteriemodul geladen werden, während ein anderes Batteriemodul nicht geladen wird. Eine solche Schaltungsanordnung ermöglicht es, auf eine galvanische Trennung im Bordlader zu verzichten. Dies kann helfen, die Kosten zu reduzieren sowie den Wirkungsgrad während des Ladevorgangs zu erhöhen. Da auf eine galvanische Trennung im Bordlader verzichtet werden kann, können sich auch Vorteile hinsichtlich des Gewichts ergeben.
  • Eine weitere Ausführungsform sieht eine Schaltungsanordnung vor, wobei der Gleichrichter an eine Spannungsquelle mit einem stromführenden Leiter, einem Neutralleiter und einem Schutzleiter angeschlossen ist. Ist der Wechselstrom als Starkstrom ausgebildet, so kann der stromführende Leiter sich in weitere stromführende Leiter aufteilen. Bei einem Starkstrom können dies zum Beispiel drei einzelne stromführende Leiter sein. Mithilfe des Schutzleiters kann die Gefahr eines versehentlichen Aufladens einer Fahrzeugkarosserie unterbunden werden. Damit ist es möglich, eine Batterieanordnung sicher und zuverlässig aufzuladen.
  • Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der zweite Zweig der ersten Batterieschaltung eine erste Diode aufweist und der vierte Zweig der zweiten Batterieschaltung eine zweite Diode aufweist, um ein Entladen der Batteriemodule zu verhindern. Da Dioden einen Stromfluss idealerweise nur in eine Richtung passieren lassen, kann so ein versehentliches Entladen der Batteriemodule verhindert werden.
  • Eine weitere Ausführungsform sieht eine Schaltungsanordnung mit einem angeschlossenen elektrischen Verbraucher und einem Entstörkondensator vor, der an den Schutzleiter angeschlossen ist. Mithilfe des Entstörkondensators können elektromagnetische Störungen verringert werden. Sie können insbesondere hochfrequente Störsignale, welche durch das Betreiben elektrischer oder elektronischer Betriebsmittel hervorgerufen werden, gegen die Masse oder den Neutralleiter leiten oder kurzschließen. Damit kann eine Herabsetzung der elektromagnetischen Störungen bewirkt werden. So kann sichergestellt werden, dass auch im Falle taktend betriebener Schaltelemente innerhalb der Schaltungsanordnung keine elektromagnetischen Störungen auftreten beziehungsweise diese zumindest verringert werden können.
  • Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Laden eines Batteriemoduls in einer Batterieanordnung bereit. Dazu werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt. In einem ersten Schritt a) wird ermittelt, welcher Anschluss einer Schaltungsanordnung gemäß einer der vorhergehenden Varianten stromführend ist und welcher Anschluss als Neutralleiter ausgebildet ist. Dies geschieht mithilfe einer Spannungsmessung zwischen dem Schutzleiter und einem der beiden Anschlüsse der Schaltungsanordnung. Alternativ kann im Schritt a) auf eine andere Weise ermittelt werden, welcher Anschluss der Schaltungsanordnung gemäß einer Variante der Schaltungsanordnung stromführend ausgebildet ist und welcher Anschluss als Neutralleiter ausgebildet ist. Dabei wird bei diesem alternativen Verfahrensschritt die Spannungsmessung zwischen dem Mittelabgriff und einem der beiden Anschlüsse der Schaltungsanordnung durchgeführt. So kann ermittelt werden, welcher Anschluss mit dem stromführenden Leiter und welcher mit dem Neutralleiter verbunden ist.
  • In einem Schritt b) werden das erste, zweite, dritte und vierte Schaltelement der Schaltungsanordnung derart angesteuert, sodass eines der Batteriemodule der Batterieanordnung geladen wird, während zugleich ein anderes Batteriemodul der Batterieanordnung nicht geladen wird. Dabei werden das zweite Schaltelement und das vierte Schaltelement taktend betrieben, um über jeweils eine Batterieschaltung eine vorgegebene Potentialdifferenz zu realisieren. Alternativ ist es auch möglich, dass alle vier Schaltelemente taktend betrieben werden können.
  • Somit kann bei einer Traktionsbatterie als Batterieanordnung der Mittelabgriff als Bezugspotential genutzt werden. Im Normalfall befindet sich dieses Bezugspotential in der Mitte der beiden Hochvoltpotentiale und zudem auf dem Potential des Schutzleiters und Neutralleiteranschlusses. Der Normalfall stellt jenen Fall dar, welcher keinen Isolationsfehler beinhaltet. Die Schaltungsanordnung beziehungsweise das galvanisch gekoppelte Ladesystem besitzt am Hochvoltplus- und Hochvoltminusanschluss nach dem Gleichrichter jeweils eine Drossel beziehungsweise Induktivität, die getaktet betrieben werden kann. Dies bedeutet, dass das erste Schaltelement und das dritte Schaltelement taktend betrieben werden können. Des Weiteren können auch das zweite und das vierte Schaltelement taktend betrieben werden. Somit ist es möglich, dass die Steuereinheit alle Schaltelemente oder vorgegebene Schaltelemente taktend schalten kann. In diesem Zusammenhang kann „taktend steuern“ ebenfalls „taktend schalten“ bedeuten. Damit kann insbesondere steuern auch das ansteuern und/oder schalten von Schaltelementen bedeuten. Je Induktivität kann somit über einen Bypassschalter inaktiv geschaltet werden. In diesem Fall stellen das erste Schaltelement und das dritte Schaltelement jeweils einen Bypassschalter dar. Je nach Halbwelle des L-Anschlusses wird abwechselnd der Hochvoltplus- und Hochvoltminusanschluss des Gleichrichters mit dem Mittelabgriff verbunden. Der andere Anschluss fungiert währenddessen über die zugeordnete Induktivität als Leistungskorrekturfaktorschalter. Ebenso kann das zweite Schaltelement und das vierte Schaltelement taktend betrieben werden. Diese taktenden Schalter sind parallel zum jeweiligen Batteriemodul angeordnet. In dem Verfahrensschritt a) kann ermittelt werden, welcher Anschluss den L-Anschluss oder den N-Anschluss repräsentiert. Um zu identifizieren, welcher Anschluss welchem Leiter zugeordnet wird, werden die im Verfahrensschritt a) genannten Messungen ausgeführt. Ein Isolationsfehler kann während des Ladevorgangs über einen FI-Typ-B-Fehlerschutzschalter entdeckt werden.
  • Die beschriebenen Beispiele und Vorteile zur Schaltungsanordnung sowie zu deren verschiedenen Ausführungsformen gelten sinngemäß für das Verfahren und umgekehrt.
  • Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
  • 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.
  • Dabei zeigt:
    • 1 ein exemplarisches Schaltbild mit Möglichkeit zum Schalten auf eine Zwischenspannung;
    • 2 ein schematisches Schaltbild zum galvanisch gekoppelten Laden mit Nutzung eines Mittelabgriffs einer Batterieanordnung;
    • 3 Schaltungsanordnung mit Darstellung eines Ladevorgangs während einer positiven Halbwelle, wobei der Neutralleiter am unteren Anschluss der Spannungsquelle angeschlossen ist; und
    • 4 Ausschnitt einer Schaltdarstellung zum Darstellen des Mittelabgriffs der Batterieanordnung bei einer Vielzahl von Batteriemodulen.
  • Es existieren verschiedene Gründe für die Verwendung eines galvanisch isolierenden Bordladers. Bei einem Isolationsfehler nach der Gleichrichtung der AC-Eingangsspannung wird zusätzlich zum AC-Ladestrom an der Anschlussseite ein überlagerter DC-Strom addiert. Dieser überlagerte DC-Strom treibt den FI-Schutzschalter Typ A in der Haustechnik in die Sättigung. Damit wird dieser Schutzschalter unwirksam. Als Abhilfemaßnahmen sind eine verstärkte Isolation im Bereich des Laders zwischen der AC-Gleichrichtung und der Sekundärseite des Transformators bekannt. Wäre der Bordlader galvanisch gekoppelt ausgeführt, beispielsweise ohne nachgelagerten galvanisch isolierenden DC/DC-Wandler oder mit einem nachgelagerten galvanisch gekoppelten DC/DC-Wandler nach dem heutigen Stand der Technik, so würde die Anforderung der verstärken Isolation auf alle Komponenten in einem Kraftfahrzeug übertragen werden. Dies beträfe alle Komponenten, welche galvanisch mit einem derartigen Ladegerät verbunden werden, wie zum Beispiel die Fahrzeugbatterie, der Antriebsstrang und sämtliche Hochvoltkomponenten im Hochvoltbordnetz des Kraftfahrzeugs.
  • Nach dem Gleichrichten der Wechselnetzspannung ist das negative Spannungspotential bezogen auf den Neutralleiter N und den Schutzleiter PE eine negative Sinus-Halbwelle. Ein Ladegerät würde diesen negativen Potentialverlauf auf das gesamte Hochvoltsystem des Kraftfahrzeugs übertragen. Um dem entgegenzuwirken, wird oft ein galvanisch getrennter Spannungswandler eingesetzt. Damit kann auf einer Sekundärseite des Transformators ein neues Bezugspotential gewählt werden. Der negative Potentialverlauf würde sich nicht auf das Hochvoltsystem des Kraftfahrzeugs übertragen.
  • Galvanisch gekoppelte Bordlader weisen in der Regel mehrere Komponenten auf. Sie werden oft an eine Wechselstromquelle angeschlossen, welche einphasig oder mehrphasig sein kann. Dies kann zum Beispiel eine Ladesäule oder ein Hausanschluss sein. Der galvanisch gekoppelte Bordlader weist eine Schaltung mit mehreren Komponenten auf. Eine Komponente davon ist ein Leistungskorrekturfilter PFC, welcher beispielsweise einphasig oder mehrphasig sein kann. Dieser Leistungskorrekturfilter PFC kann eine Sternschaltung oder Dreiecksverschaltung aufweisen. Diese Schaltung kann unidirektional oder bidirektional sein. Der galvanisch gekoppelte Bordlader kann einen oder mehrere DC/DC-Wandler beinhalten. Beispielsweise kann ein erster DC/DC-Wandler zur Stabilisierung des Hochvoltminuspotentials vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise ein Buck-, ein Boost- oder ein Buck-Boost-Wandler sein. Diese Wandler können unidirektional oder bidirektional ausgeführt sein. Ein zweiter DC/DC-Wandler kann optional vorgesehen sein. Dieser zweite DC/DC-Wandler kann zur Stabilisierung der Hochvoltausgangsspannung dienen. Dieser zweite DC/DC-Wandler kann ebenfalls als Buck-Wandler, Boost-Wandler oder als Buck-Boost-Wandler ausgeführt sein. Auch dieser zweite Wandler kann unidirektional oder bidirektional sein. Diese Komponenten können das galvanisch gekoppelte Ladegerät bilden. An dieses galvanisch gekoppelte Ladegerät kann beispielsweise ein Hochvoltbordnetz des Kraftfahrzeugs angeschlossen werden. Zu diesem Hochvoltbordnetz können zum Beispiel eine Fahrzeugbatterie, ein Inverter oder weitere Nebenaggregate zählen. Auch elektrische Verbraucher wie zum Beispiel eine Klimaanlage oder ein Infotainmentsystem des Kraftfahrzeugs können an den galvanisch gekoppelten Bordlader angeschlossen werden.
  • 1 zeigt beispielhaft eine Schaltung mit zwei wählbaren Spannungsniveaus. Die Schaltung beinhaltet einen Gleichrichter 14, einen Stromsensor SS, einen Sensor zur Spannungsmessung SM, eine erste Induktivität L1, eine erste Drossel D1, einen ersten Widerstand R1, ein erstes Batteriemodul BM1, ein zweites Batteriemodul BM2, eine zweite Drossel D2, ein viertes Schaltelement S4 sowie eine erste Batterieschaltung B1 und eine zweite Batterieschaltung B2. Diese Schaltung ist an eine Wechseleingangsspannung angeschlossen. Dies kann zum Beispiel eine Ladesäule oder ein Hausanschluss sein. Die Basis für das Prinzip dieser Schaltung ist eine Batterieanordnung 12, welche aus zwei Batterieschaltungen B1 und B2 besteht. Die Verbindung der jeweiligen Batterieschaltungen B1 und B2 ist über einen Anschluss zugänglich zu gestalten. Dieser Anschluss ist leitend verbunden mit den Halbleiterschaltern. Im Beispiel von 1 sind das zweite Schaltelement S2 und das vierte Schaltelement S4 die Halbleiterschalter. Der positive und negative Pol der Batterieanordnung 12 ist über jeweils eine Diode mit dem zweiten Schaltelement S2 und dem vierten Schaltelement S4 verbunden. Vorzugsweise sind die beiden Dioden D1 und D2 derart ausgerichtet, sodass bei einem Ladestrom der Batteriemodule BM1 und BM2 sie leitend sind. Bei einem Entladestrom der Batteriemodule sind die beiden Dioden vorzugsweise so angeordnet, dass sie sperrend ausgerichtet sind. Eine zweite Anschlussseite dieser horizontal dargestellten Dioden D1 und D2 wird über das zweite Schaltelement S2 sowie das vierte Schaltelement S4 verbunden. Mithilfe des zweiten Schaltelements S2, des vierten Schaltelements S4 (vertikal dargestellte Halbleiterschalter) sowie mithilfe des Abgriffs zwischen den beiden Batteriemodulen BM1 und BM2 kann erreicht werden, dass an der batterieseitigen Verbindungsstelle zu ersten Induktivität (PFC-Drossel) eine in zwei Stufen einstellbare Gegenspannung eingestellt werden kann. So kann an der ersten Batterieschaltung B1 eine erste Gegenspannung eingestellt werden und an der zweiten Batterieschaltung B2 kann eine zweite unterschiedliche Gegenspannung eingestellt werden.
  • Anstelle zweier Batteriemodule können auch mehrere Batteriemodule eingesetzt werden. In diesem Fall wären zwischen der ersten Batterieschaltung B1 und der zweiten Batterieschaltung B2 weitere Batterieschaltungen angeordnet. Somit kann die Batterieanordnung 12 mehr als zwei Batteriemodule aufweisen. Die jeweiligen Gegenspannungen können dabei unterschiedlich ausgebildet sein. Es bietet sich allerdings im Rahmen von Gleichteilstrategien und einer vereinfachten Regelung an, die einzelnen Batteriemodule beziehungsweise Zellen gleich zu gestalten. Damit sind insbesondere Batteriemodule angesprochen, welche jeweils dieselbe Gegenspannung aufweisen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, indem bei jeder Batterieschaltung jeweils dasselbe beziehungsweise identische Batteriemodul verwendet wird.
  • 2 zeigt beispielhaft eine Schaltungsanordnung 10, welche mit der Batterieanordnung 12 einem Verbraucher 16 sowie einem Entstörkondensator 18 verbunden ist. Die Schaltungsanordnung 10 weist im Gegensatz zur Schaltung von 1 das erste Schaltelement S1 und dritte Schaltelement S3 auf, welche die jeweiligen Induktivitäten L1 und L2 überbrücken können. Die Batterieanordnung 12 ist gemäß 2 durch einen Mittelabgriff M mit der Schaltungsanordnung 10 verbunden. Der Verbraucher 16 weist im Beispiel von 2 einen dritten Widerstand R3 und eine Kapazität CX auf. Der Entstörkondensator 18 weist im Fall von 2 eine positive Y-Kapazität Cy+, eine negative Y-Kapazität Cy- sowie einen vierten Widerstand R4 und einen fünften Widerstand R5 auf. Die Schaltungsanordnung 10 ist im Fall von 2 mithilfe des L-Leiters, des Neutralleiters N sowie des Schutzleiters PE an die Spannungsquelle angeschlossen.
  • Die Schaltungsanordnung 10 kann in unterschiedliche Leitungsabschnitte unterteilt werden. So beinhaltet ein erster Leitungsabschnitt A1 das erste Schaltelement S1, die erste Induktivität L1, das zweite Schaltelement S2 sowie die dazugehörige erste Batterieschaltung B1. Entsprechend beinhaltet ein zweiter Leitungsabschnitt A2 die zweite Batterieschaltung B2, das vierte Schaltelement S4 sowie die zweite Induktivität L2 und das dritte Schaltelement S3. Bei Betreiben der Schaltungsanordnung 10 ist es vorteilhaft zunächst zu ermitteln, welcher Anschluss von der Spannungsquelle der Neutralleiter N ist, und welcher dieser Anschlüsse der stromführende Leiter L ist. Dies kann beispielsweise mithilfe einer Messung der Spannung zwischen dem Schutzleiter PE und einem der beiden Anschlüsse des Netzanschlusses erfolgen. Die beiden Anschlüsse des Netzanschlusses sind in diesem Fall der Neutralleiter N sowie der stromführende Leiter L.
  • Alternativ oder zusätzlich kann auch die Spannung zwischen einem der Netzanschlüsse und dem Mittelabgriff M der Batterieanordnung 12 gemessen werden. So kann beispielsweise die Spannung zwischen L und M sowie N und M in 2 dazu dienen, die jeweiligen Anschlüssen zu identifizieren. Derjenige Anschluss, bei dem die Spannungsmessung 0 Volt ergibt, wäre der Neutralleiter N, der andere Anschluss wäre dementsprechend der stromführende Leiter L. Bei dieser Spannungsmessung sind die beiden Schaltelemente S2 und S4 bevorzugt geöffnet und/oder nicht in 2 dargestellte weitere Batterieschütze wären geöffnet. Ebenfalls kann eine Spannungsmessung zwischen einem ersten Anschluss N1 und einem dritten Anschluss N3 beziehungsweise zwischen einem zweiten Anschluss N2 und dem dritten Anschluss N3 offenbaren, welcher der beiden Anschlüsse N1 oder N2 der Neutralleiter N und der stromführende Leiter L ist.
  • Derjenige Anschluss, bei dem die Spannungsmessung 0 Volt ergibt, ist der Neutralleiter N, der andere Anschluss ist dementsprechend der stromführende Leiter L. Ebenso kann eine Spannungsmessung zwischen dem ersten Anschluss N1 und einem vierten Anschluss N4 beziehungsweise zwischen dem zweiten Anschluss N2 und dem vierten Anschluss N4 zeigen, welcher Anschluss der beiden Anschlüsse N1 und N2 der Neutralleiter N beziehungsweise der stromführende Leiter L ist. Es ist wichtig zu ermitteln, welcher Netzanschluss der Neutralleiter N ist, um im weiteren Verlauf des Ladevorgangs das korrekte Bezugspotential zu kennen und ein Überspringen der Hochvoltpotentiale bezogen auf die Fahrzeugkarosserie zu vermeiden.
  • Ausgehend von einem AC-Ladeanschluss (Wechselstromladeanschluss) wird der Wechselstrom zunächst gleichgerichtet. Mithilfe des Gleichrichters 14 wird somit ein Wechselstrom in einem Gleichstrom überführt. Am Pluspol des Ausgangs des Gleichrichters 14 ist die erste Induktivität L1 angeordnet, welche über das erste Schaltelement S1 überbrückt werden kann. Das erste Schaltelement S1 kann dabei als Halbleiterschalter ausgeführt sein. Dieselbe Anordnung ist analog mithilfe der zweiten Induktivität L2 und dem dritten Schaltelement S3 am Minusanschluss des Gleichrichterausgangs des Gleichrichters 14 angeordnet. Die Batterieanordnung 12 verfügt über den Mittelabgriff M. Diese Batterieanordnung 12 kann insbesondere mindestens zwei gleichgroße Batteriemodule BM1 und BM2 aufweisen. Jedes dieser Batteriemodule verfügt über jeweils einen eigenen Schalter (zweites Schaltelement S2 für Batterieschaltung 1, viertes Schaltelement S4 für zweite Batterieschaltung B2). Diese beiden genannten Schaltelemente können vorzugsweise taktend betrieben werden. Vorzugsweise verfügt jede Batterieschaltung über eine Freilaufdiode. Die Kombination der Diode D1, des zweiten Schaltelements S2 und der ersten Induktivität L1 kann als Boost-Konverter und zur PFC-Funktionalität genutzt werden. PFC-Funktionalität bedeutet insbesondere, dass die Funktion eines Leistungsfaktorkorrekturfilters bereitgestellt werden kann. Damit können negative Folgen von impulsartigen Spannungsbeziehungsweise Stromspitzen abgemildert werden. Kurzzeitig zu hohe Strombelastungen können mithilfe der PFC-Funktionalität abgeschwächt werden.
  • 3 zeigt schematisch zwei verschiedene Stromverläufe während eines Ladevorgangs mithilfe der Schaltungsanordnung 10. Der obere Ausgang des Gleichrichters 14 ist im Fall von 3 der positive Anschluss des Gleichrichters 14, der untere Ausgang des Gleichrichters 14 ist im Fall von 3 der negative Anschluss des Gleichrichters 14. Im Beispiel von 3 ist der untere Anschluss der Wechselstromspannungsquelle der Neutralleiter N und der obere Anschluss weist eine Spannung zwischen 0 Volt bis zur Peakspannung auf. Das erste Schaltelement S1 ist geöffnet, während das vierte Schaltelement S4 geschlossen ist. Ebenfalls ist das dritte Schaltelement S3 im Beispiel von 3 geschlossen. Das zweite Schaltelement S2 kann im Fall von 3 taktend betrieben werden. In der Regel ist das Potential der Fahrzeugkarosserie in der Mitte der beiden Hochvoltpotentiale. Beispielsweise wäre bei einem Kraftfahrzeug mit einer 800 Volt-Batterie das Hochvoltpotential bei +400 Volt, das Hochvoltminuspotential bei -400 Volt und die Fahrzeugkarosserie bei 0 Volt. Dies kann insbesondere durch den Entstörkondensator 18 (Y-Kapazitäten) und Isolationswiderstände erreicht werden, die üblicherweise symmetrisch sind. Bei einem Ladevorgang wird die Fahrzeugkarosserie (Chassis) mit dem Neutralleiter N verbunden. Der Neutralleiter N wird oft auch als Nullleiter bezeichnet. Verfügt die Batterieanordnung 12 über einen Mittelspannungsabgriff (Mittelabgriff M), so befindet sich dessen Potential ebenfalls auf 0 Volt. Diese Möglichkeit kann genutzt werden, um in der jeweils positiven oder negativen Halbwelle des Wechselstroms ein definiertes Bezugspotential zu haben. Im Folgenden werden unterschiedliche Szenarien beim Ladevorgang beschrieben. Dabei ist zu beachten, dass 3 lediglich für eines dieser Ladeszenarien den korrekten Stromverlauf zeigt. Aufgrund wechselnder Bezugspotentiale bei der Spannungsquelle sowie unterschiedlich geschalteter Schaltelemente können sich andere Stromverläufe ergeben.
  • In 3 ist beispielhaft ein Stromverlauf in der Freilaufphase SVF sowie ein Stromverlauf während des Drosselstromaufbaus SVD eingezeichnet. Diese beiden Stromverläufe repräsentieren einen ersten Ladezustand. Gemäß 3 ist klar ersichtlich, dass das zweite Schaltelement S2, welches taktend betrieben wird, den Stromverlauf verändert. Insbesondere dadurch resultieren die beiden unterschiedlichen Stromverläufe. Im Beispiel von 3 werden das vierte Schaltelement S4 sowie das dritte Schaltelement S3 geschlossen. Damit wird der negative Ausgang des Gleichrichters 14 mit dem Mittelabgriff M verbunden. Somit ergibt sich im zweiten Leitungsabschnitt A2 eine Verbindung vom negativen Ausgang des Gleichrichters 14 zum Mittelabgriff M. Die zweite Batterieschaltung B2 ist gebrückt und damit stromlos. Die zweite Diode D2 verhindert einen Kurzschluss-Entladestrom aus der zweiten Batterieschaltung B2. Das erste Schaltelement ist im Fall von 3 geöffnet, das heißt die Spule (erste Induktivität L1 ist nun in den Pfad der Leistungsübertragung eingebunden). Das zweite Schaltelement wird taktend betrieben, sodass die Anordnung bestehend aus der ersten Induktivität L1, dem ersten Schaltelement S1 und der ersten Diode D1 ein Boost-Konverter dargestellt wird. Dieser Boost-Konverter bildet zusammen mit dem Gleichrichter 14 eine PFC-Schaltung. Somit kann eine Leistungskorrekturfilterschaltung realisiert werden. Während des Ladevorgangs befinden sich die Potentiale von Hochvoltplus und Hochvoltminus bezogen auf den Neutralleiter N immer auf einem konstanten Wert. Das heißt die Potentiale innerhalb der Batterieanordnung 12 weisen stets einen konstanten Wert auf. Dies wird durch den Boost-Konverter beziehungsweise die zusammen mit dem Gleichrichter 14 realisierte PFC-Schaltung ermöglicht. Dadurch kann ein Ableitstrom über die Y-Kapazitäten Cy+ und Cy- vermieden werden. Dies würde einen Fehlerstromschutzschalter zum Auslösen bringen, was jedoch unerwünscht ist. Im Beispiel von 3 wird die zweite Batterieschaltung beziehungsweise das zweite Batteriemodul nicht geladen. Selbstverständlich ist es möglich, dass neben den hier dargestellten Bezugsspannungen von 0 Volt, +400 Volt und -400 Volt auch andere Spannungsgrößen verwendet werden können.
  • Im Fall der negativen Halbwelle und dem Neutralleiter am unteren Anschluss der Wechselspannungsquelle stellt sich der Ladevorgang anders dar als in 3 gezeigt ist. Dies repräsentiert einen zweiten Ladevorgang. In diesem Fall sind das zweite Schaltelement S2 und das erste Schaltelement S1 geschlossen. Damit wird der positive Ausgang des Gleichrichters 14 mit dem Mittelabgriff verbunden. Somit ergibt sich im ersten Leitungsabschnitt A1 eine Verbindung vom positiven Ausgang des Gleichrichters zum Mittelabgriff M. die erste Batterieschaltung B1 ist gebrückt und damit stromlos. Die erste Diode D1 verhindert einen Kurzschluss-Entladestrom der ersten Batterieschaltung B1 beziehungsweise des ersten Batteriemoduls BM1. Das dritte Schaltelement ist in diesem Fall geöffnet, das heißt die Spule beziehungsweise zweite Induktivität L2 ist nun in den Pfad der Leistungsübertragung eingebunden. Das vierte Schaltelement S2 wird taktend betrieben, sodass bestehend aus der zweiten Induktivität L2, dem vierten Schaltelement S4 und der zweiten Diode D2 ein Boost-Konverter dargestellt wird. Zusammen mit dem Gleichrichter 14 ergibt dieser Boost-Konverter eine PFC-Schaltung. Mithilfe dieser PFC-Schaltung kann das zweite Batteriemodul BM2 geladen werden. Während des Ladevorgangs sind die Potentiale der Batterieanordnung 12 von Hochvoltplus und Hochvoltminus immer bezogen auf den Neutralleiter N stets auf einem konstanten Wert. In diesem Fall betragen die Potentiale -400 Volt, 0 Volt und +400 Volt. Damit kann der Ableitstrom über die Y-Kapazitäten vermieden werden, was einem Fehlerstromschutzschalter zum Auslösen bringen würde. Das erste Batteriemodul BM1 wird nicht geladen.
  • Dieser zweite Ladevorgang ergibt sich aus dem ersten Ladevorgang von 3, indem der erste Leitungsabschnitt A1 und der zweite Leitungsabschnitt A2 vertauscht werden. Beim zweiten Ladevorgang während der negativen Halbwelle und dem Neutralleiter N am unteren Anschluss der Wechselstromspannungsquelle werden die Schaltelemente so geschaltet, dass das erste Batteriemodul BM1 stets gebrückt wird und mithilfe des vierten Schaltelements S4 das zweite Batteriemodul geladen werden kann. Dabei wird ebenfalls wie in 3 eine PFC-Schaltung realisiert, welche im Bereich der Batterieanordnung 12 konstante Spannungsniveaus herstellen kann. Bei diesem zweiten Ladevorgang kann der Stromverlauf in der Freilaufphase SVF das zweite Batteriemodul erfassen. Im Fall von 3 ist dies für das erste Batteriemodul BM1 zutreffend.
  • Ein weiterer dritter Ladevorgang ergibt sich im Falle einer positiven Halbwelle, wobei der Neutralleiter N am oberen Anschluss der Wechselspannungsquelle angeordnet ist. Aufgrund des Gleichrichters 14 wird der Wechselstrom wie im Fall von 3 gleichgerichtet. Somit ergibt sich insbesondere unmittelbar nach dem Gleichrichter 14 beziehungsweise zwischen dem Gleichrichter 14 und der ersten beziehungsweise zweiten Induktivität derselbe Stromverlauf wie beim ersten Ladevorgang. Dies gilt sowohl für den Stromverlauf in der Freilaufphase SVF sowie für den Stromverlauf während des Drosselstromaufbaus SVD. Bei diesem Ladevorgang (positive Halbwelle, Neutralleiter N am oberen Anschluss der Wechselspannungsquelle) werden das dritte Schaltelement S3 und das vierte Schaltelement S4 geschlossen. Dadurch wird der negative Ausgang des Gleichrichters 14 mit dem Mittelabgriff M verbunden. Dies entspricht jener Situation aus 3 im zweiten Leitungsabschnitt A2. Die Stromverläufe von 3 können ausgehend vom Gleichrichter 14 in Richtung der Batterieanordnung 12 auf diesen Ladevorgang übertragen werden. Das zweite Batteriemodul BM2 ist bei diesem Ladevorgang gebrückt und stromlos. Die zweite Diode D2 verhindert einen Kurzschluss-Entladestrom des zweiten Batteriemoduls BM2. Das erste Schaltelement S1 ist bei diesem dritten Ladevorgang geöffnet, das heißt die erste Induktivität L1 ist in den Pfad der Leistungsstromübertragung eingebunden. Das zweite Schaltelement S2 wird taktend betrieben, sodass bestehend aus der ersten Induktivität L1, dem zweiten Schaltelement S2 und der ersten Diode D1 ein Boost-Konverter dargestellt wird. Dieser Boost-Konverter bildet zusammen mit dem Gleichrichter 14 eine PFC-Schaltung aus. Mithilfe dieser PFC-Schaltung kann das zweite Batteriemodul geladen werden. Während des Ladevorgangs sind die Potentiale der Batterieanordnung 12 von Hochvoltplus und Hochvoltminus bezogen auf den Neutralleiter N immer auf einem konstanten Wert. Damit kann ein Ableitstrom über die Y-Kapazitäten vermieden werden, der einen Fehlerstromschutzschalter zum Auslösen bringen würde. Bei diesem Ladevorgang wird das zweite Batteriemodul BM2 nicht geladen.
  • Ein weiterer vierter Ladevorgang stellt sich dar, wenn der Neutralleiter N am oberen Anschluss der Wechselspannungsquelle angeordnet ist und eine negative Halbwelle vorhanden ist. Aufgrund des Gleichrichters 14 entsprechen die Stromflüsse zwischen dem Gleichrichter 14 und den beiden Spulen denjenigen der anderen Ladevorgänge. Jedoch ergeben sich unterschiedliche Potentiale in den jeweiligen Leitungsabschnitten. So liegt in diesem Fall im ersten Leitungsabschnitt A1 zwischen dem Gleichrichter 14 und der ersten Spule L1 das Potential 0 Volt an, während ausgehend vom negativen Anschluss des Gleichrichters 14 in Richtung der zweiten Spule L2 ein Spannungsniveau zwischen 0 Volt und der negativen Peakspannung anliegt. Bei diesem vierten Ladevorgang werden das erste Schaltelement S1 und das zweite Schaltelement S2 geschlossen. Somit wird der negative Ausgang des Gleichrichters 14 mit dem Mittelabgriff M verbunden. Das erste Batteriemodul BM1 ist gebrückt und damit stromlos. Die erste Diode D1 verhindert einen Kurzschluss-Entladestrom von der ersten Batterieschaltung B1. Das dritte Schaltelement ist geöffnet, was bedeutet, dass die zweite Induktivität L2 in den Pfad der Leistungsübertragung eingebunden ist. Somit ist der zweite Leitungsabschnitt A2 in den Pfad der Leistungsübertragung integriert. Das vierte Schaltelement S4 wird taktend betrieben, sodass bestehend aus der zweiten Induktivität L2, dem vierten Schaltelement S4 und der zweiten Diode D2 ein Boost-Konverter dargestellt wird. Dieser Boost-Konverter bildet zusammen mit dem Gleichrichter 14 eine PFC-Schaltung. Mithilfe dieser PFC-Schaltung wird das erste Batteriemodul BM1 geladen. Während dieses Ladevorgangs befinden sich die Potentiale von Hochvoltplus und Hochvoltminus in der Batterieanordnung 12 bezogen auf den Neutralleiter N stets auf einem konstanten Wert. Dies bedeutet, dass in der Batterieanordnung 12 die Potentiale von Hochvoltplus und Hochvoltminus stets denselben konstanten Wert haben können. Dadurch kann ein Ableitstrom über die Y-Kapazitäten vermieden werden, welcher einen Fehlerschutzstromschalter zum Auslösen bringen würde. Bei diesem Ladevorgang wird das erste Batteriemodul BM1 nicht geladen.
  • Die Schaltungsanordnung 10 kann in ein Kraftfahrzeug integriert werden. Soll das Kraftfahrzeug geladen werden, so kann es beispielsweise an eine Ladesäule angeschlossen werden. Der stromführende Leiter L kann die benötigte elektrische Energie bereitstellen, um eine Fahrzeugbatterie aufzuladen. Der Neutralleiter N ist mit dem Erdpotential verbunden. Auch der Schutzleiter PE ist mit dem Erdpotential verbunden. Der Schutzleiter PE ist mit der Fahrzeugkarosserie verbunden, um einen Potentialausgleich der Fahrzeughochvoltelektronik zu gewährleisten. Dadurch kann verhindert werden, dass sich zum Beispiel Metallgehäuse von Elektronikbauteilen elektrostatisch aufladen. Um Isolationsfehler vor dem Start des Ladevorgangs erkennen zu können, kann eine DC-Fehlerstrommessung durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass eine Strommessung des Gleichstroms erfolgt. Diese Fehlerstrommessung kann zum einen in der Haustechnik, zum anderen innerhalb des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden.
  • Die Schaltungsanordnung 10 kann an ein Bordnetz mit elektrischen Verbrauchern 16 angeschlossen sein. Ein im Kraftfahrzeughochvoltsystem integrierter Isolationswächter kann die Isolationswiderstände und Y-Kapazitäten überwachen. Wenn die dadurch ermittelten Werte über einem vorgegebenen Schwellenwert liegen, kann das Hochvoltsystem für den Ladevorgang freigegeben werden. Eine weitere Möglichkeit einen Isolationsfehler vor dem Start des Ladevorgangs zu registrieren wäre eine Spannungsmessung des Hochvoltpluspotentials der Batterieanordnung 12 zum Schutzleiter PE. Man könnte ebenso vom Hochvoltminuspotential zum Schutzleiter PE messen oder eine Spannungsmessung zwischen dem Mittelabgriff M und der Batterieanordnung 12 zu dem Schutzleiter PE durchführen. Mithilfe solcher Spannungsmessungen kann auf den Isolationswert des Hochvoltsystems geschlossen werden. Wenn der dabei ermittelte Wert den vorgegebenen Sollwerten entspricht, kann das Hochvoltsystem beziehungsweise die Schaltungsanordnung 10 für den Ladevorgang freigegeben werden. Während eines Ladevorgangs mit Wechselstrom ist der Isolationswächter im Fahrzeug üblicherweise deaktiviert, da die Haustechnik das Messergebnis beeinflussen kann. Ein Isolationsfehler während des Ladevorgangs würde zu einem DC-Fehlerstrom führen. Dieser DC-Fehlerstrom kann durch eine DC-Fehlerstrommessung in der Haustechnik oder im Kraftfahrzeug erkannt werden. Wird ein DC-Fehlerstrom beziehungsweise der Isolationsfehler erkannt, kann der Ladevorgang entsprechend abgebrochen werden. Dies geschieht vorzugsweise, wenn der DC-Fehlerstrom einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
  • 4 zeigt beispielhaft einen Teil einer weiteren Schaltungsanordnung 10 mit mehr als zwei Batterieschaltungen. Im Beispiel von 4 sind bis zu acht Batterieschaltungen dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind jedoch nicht alle Komponenten beschriftet. Zwischen dem ersten Batteriemodul BM1 und dem achten Batteriemodul BM8 sind entsprechend die restlichen Batterieschaltungen angeordnet. Aufgrund der Schaltelemente können im Beispiel von 4 unterschiedliche Stromwege realisiert werden. 4 zeigt zwei mögliche Stromwege SW1 und SW2. Das in den vorangegangenen Absätzen dargestellte Ladeprinzip kann entsprechend auch auf eine Batterieanordnung 12 mit mehr als zwei Batterieschaltungen angewandt werden. Dazu muss der Mittelabgriff M durch ein Durchschalten der vertikalen Halbleiterschalter von einem Hochvoltpotential bis zum Mittelabgriff M erfolgen. Alternativ können sich in der Batterieanordnung 12 zusätzlich noch weitere Hochvolthalbleiterschalter befinden, welche in 4 nicht dargestellt sind. Aufgrund der in 4 dargestellten Stromwege SW1 und SW2 würde das zweite und vierte Modul C2 und C4 geladen werden.
  • Bei Batterien mit mehr als zwei Batteriemodulen kann die PFC-Funktion dahingehend vereinfacht werden, indem die Spannung von einzelnen Batteriemodulen als wählbares Gegenspannungsniveau genutzt wird. So kann in Abhängigkeit von einer Spannung eines jeweiligen Batteriemoduls ein Zellbalancing möglich sein. Ein Zellbalancing kann beispielsweise als ein Ausgleichen oder Austarieren von unterschiedlichen Spannungsniveaus der Batteriemodule sein. Aufgrund der Vielzahl der Schaltelemente, welche flexibel beziehungsweise taktend betrieben werden können, können einzelne Batteriemodule geladen werden, während andere Batteriemodule nicht geladen werden. So kann beispielsweise ein einziges Batteriemodul geladen werden oder eine gewünschte Kombination von Batteriemodulen kann gezielt geladen werden. Insbesondere können somit jene Batteriemodule gezielt geladen werden, welche eine geringe Gegenspannung aufweisen und somit nahezu entladen sind. Die Isolationsüberwachung, wie sie bei der Schaltungsanordnung 10 mit zwei Batteriemodulen beschrieben wurde, ist identisch mit der Schaltungsanordnung 10 von 4.
  • Die dargestellten Beispiele zur Schaltungsanordnung 10 zeigen deutlich, dass dadurch ein effektives und flexibles Laden einer Batterieanordnung 12 ermöglicht werden kann. Einzelne Batteriemodule können gezielt geladen werden. Dabei können an der Batterieanordnung 12 konstante Spannungsniveaus eingestellt werden. Dies wird insbesondere durch die realisierte PFC-Schaltung erreicht. Mithilfe der Schaltungsanordnung 10 kann ein Boost-Konverter realisiert werden, der zusammen mit dem Gleichrichter 14 die PFC-Schaltung realisieren kann. Aufgrund dieser flexiblen Schaltungsanordnung 10 kann auf eine galvanische Trennung im Bordlader verzichtet werden. Dies reduziert die Kosten, das Gewicht und erhöht den Wirkungsgrad während des Ladevorgangs. Da meistens lediglich nur eines von zwei Batteriemodulen geladen wird, müssen die Bauteile für die PFC-Funktionalität lediglich auf die halbe Batteriespannung ausgelegt werden. Die Hochvoltpotentiale der Hochvoltbatterie (Batterieanordnung 12) und des daran angeschlossenen Hochvoltsystems sind zeitlich bezogen auf die Fahrzeugkarosserie während des Ladevorgangs konstant. Die Y-Kapazitäten des Hochvoltbordnetzes verursachen somit keinen Ableitstrom zum Schutzleiter PE, welcher den FI-Schutzschalter in der Haustechnik erblinden lassen würde. Ein Isolationsfehler im Hochvoltsystem des Kraftfahrzeugs kann durch entsprechende Spannungsmessungen oder durch den Einsatz von Isolationswächtern der Batterie ermittelt werden. Isolationsfehler während des Ladevorgangs können durch eine DC-Fehlerstrommessung entdeckt werden. In diesem Fall kann der Ladevorgang abgebrochen werden. Somit ergibt sich keine doppelte Isolationsanforderung des Hochvoltsystems im Kraftfahrzeug. Es ist ferner keine Einspeisung eines Stroms zur Kompensation des Ableitstroms notwendig. Die Schaltungsanordnung 10 kann alle Ländervarianten und Netzformen abdecken. Eine Bedingung dazu allerdings ist, dass die Peakspannung des Stromnetzes kleiner ist als die Hälfte der minimalen Batteriespannung.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Schaltungsanordnung
    12
    Batterieanordnung
    14
    Gleichrichter
    16
    Verbraucher
    18
    Entstörkondensator
    N1 - N4
    erster bis vierter Anschluss
    L
    stromführender Leiter
    N
    Neutralleiter
    PE
    Schutzleiter
    S1 - S4
    erstes bis viertes Schaltelement
    A1
    erster Leitungsabschnitt
    A2
    zweiter Leitungsabschnitt
    M
    Mittelabgriff
    B1
    erste Batterieschaltung
    B2
    zweite Batterieschaltung
    BM1
    erstes Batteriemodul
    BM2
    zweites Batteriemodul
    Cy+
    positive Y-Kapazität
    Cy-
    negative Y-Kapazität
    R1 bis R5
    erster bis fünfter Widerstand
    D1
    erste Diode
    D2
    zweite Diode
    SVD
    Stromverlauf Drosselstromaufbau
    SVF
    Stromverlauf Freilaufphase
    B8
    achte Batterieschaltung
    SW1
    erster Stromweg
    SW2
    zweiter Stromweg
    SS
    Stromsensor
    L1
    erste Induktivität
    L2
    zweite Induktivität
    C1, C2
    erstes, zweites Modul
    SM
    Sensor zur Spannungsmessung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2013/0094255 A1 [0005]
    • DE 102011077701 A1 [0006]

Claims (5)

  1. Schaltungsanordnung (10) zum Laden einer Batterieanordnung (12) mit mehreren Batteriemodulen (B1, B2) mit - einem Gleichrichter (14) zum Transformieren eines Wechselstroms in einen Gleichstrom, - einem an dem Gleichrichter (14) in Serie an einen ersten Ausgang des Gleichrichters (14) angeschlossenen ersten Leitungsabschnitt (A1), wobei der erste Leitungsabschnitt (A1) eine erste Induktivität (L1), ein dazu paralleles erstes Schaltelement (S1) und eine zu diesen parallelen Bauelementen seriell geschaltete erste Batterieschaltung (B1) aufweist, wobei die erste Induktivität (L1) mithilfe des ersten Schaltelements (S1) überbrückbar ist und die erste Batterieschaltung (B1) eine erste Parallelschaltung aufweist, welche in einem ersten Zweig ein zweites Schaltelement (S2) und in einem dazu parallelen zweiten Zweig ein erstes Batteriemodul (BM1) aufweist, - einem an dem Gleichrichter (14) in Serie an einem zweiten Ausgang des Gleichrichters (14) angeschlossenen zweiten Leitungsabschnitt (A2), wobei der zweite Leitungsabschnitt (A2) eine zweite Induktivität (L2), ein dazu paralleles drittes Schaltelement (S3) und eine zu diesen parallelen Bauelementen zweite Batterieschaltung (B2) aufweist, wobei die zweite Induktivität (L2) mithilfe des dritten Schaltelements (S3) überbrückbar ist und die zweite Batterieschaltung (B2) eine zweite Parallelschaltung aufweist, welche in einem dritten Zweig ein viertes Schaltelement (S4) aufweist und in einem vierten Zweig eine zweites Batteriemodul (BM2) aufweist, - einem Mittelabgriff (M), der zwischen dem ersten Batteriemodul (BM1) und dem zweiten Batteriemodul (BM2) angeordnet ist und mit dem ersten Zweig der ersten Parallelschaltung und/oder mit dem dritten Zweig der zweiten Parallelschaltung verbunden ist und - einer Steuereinheit, welche ausgestaltet ist, in Abhängigkeit von einer Polarität des Wechselstroms das erste und das zweite oder das dritte und vierte Schaltelement zum jeweiligen Laden einer der beiden Batteriemodule (BM1, BM2) durchzuschalten.
  2. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei der Gleichrichter (14) an eine Spannungsquelle mit einem stromführenden Leiter (L), einem Neutralleiter (N) und einem Schutzleiter (PE) angeschlossen ist.
  3. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Zweig der ersten Batterieschaltung (B1) eine erste Diode (D1) aufweist und der vierte Zweig der zweiten Batterieschaltung (B2) eine zweite Diode (D2) aufweist, um ein Entladen der Batteriemodule zu verhindern.
  4. Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 3 mit einem angeschlossenen elektrischen Verbraucher (16) und einem Entstörkondensator (18), der an den Schutzleiter (PE) angeschlossen ist.
  5. Verfahren zum Laden eines Batteriemoduls in einer Batterieanordnung (12) gekennzeichnet durch: a) Ermitteln welcher Anschluss einer Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4 stromführend und welcher Anschluss als Neutralleiter (N) ausgebildet ist, mithilfe einer Spannungsmessung zwischen dem Schutzleiter (PE) und einem der beiden Anschlüsse der Schaltungsanordnung (10), oder Ermitteln welcher Anschluss der Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4 stromführend und welcher Anschluss als Neutralleiter (N) ausgebildet ist, mithilfe einer Spannungsmessung zwischen dem Mittelabgriff (M) und einem der beiden Anschlüsse der Schaltungsanordnung (10) b) Ansteuern des ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelements (S1, S2, S3, S4) der Schaltungsanordnung (10) derart, sodass eines der Batteriemodule der Batterieanordnung (12) geladen wird, während zugleich ein anderes Batteriemodul der Batterieanordnung nicht geladen wird, wobei das zweite Schaltelement (S2) und das vierte Schaltelement (S4) taktend betrieben werden, um über jeweils eine Batterieschaltung eine vorgegebene Potentialdifferenz zu realisieren.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019007807A1 (de) 2019-11-11 2020-07-09 Daimler Ag Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, sowie Schaltanordnung
WO2021123440A1 (en) * 2019-12-20 2021-06-24 Delta Motorsport Limited Power routing system
DE102020102658A1 (de) 2020-02-03 2021-08-05 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zur Überwachung von y-Kapazitäten
US11279244B2 (en) * 2019-09-10 2022-03-22 Audi Ag Electroplated AC charger with monitoring and diagnostic system
DE102022207170A1 (de) 2022-07-13 2024-01-18 Vitesco Technologies GmbH Fahrzeug-Hochvolt-Bordnetz mit seriell verbundenen schaltbaren Cy-Kondensatoren und geschalteter Ableitung
DE102022130358A1 (de) 2022-11-16 2024-05-16 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zur Ableitstromkompensation

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011077701A1 (de) 2011-06-17 2012-12-20 Robert Bosch Gmbh Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen und Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen
US20130094255A1 (en) 2011-10-13 2013-04-18 Acbel Polytech Inc. Power factor correction circuit capable of estimating input current and control method for the same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011077701A1 (de) 2011-06-17 2012-12-20 Robert Bosch Gmbh Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen und Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeug-Batterie mit mehreren Spannungslagen
US20130094255A1 (en) 2011-10-13 2013-04-18 Acbel Polytech Inc. Power factor correction circuit capable of estimating input current and control method for the same

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11279244B2 (en) * 2019-09-10 2022-03-22 Audi Ag Electroplated AC charger with monitoring and diagnostic system
DE102019007807A1 (de) 2019-11-11 2020-07-09 Daimler Ag Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, sowie Schaltanordnung
WO2021123440A1 (en) * 2019-12-20 2021-06-24 Delta Motorsport Limited Power routing system
DE102020102658A1 (de) 2020-02-03 2021-08-05 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zur Überwachung von y-Kapazitäten
WO2021156282A1 (de) 2020-02-03 2021-08-12 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zur überwachung von y-kapazitäten
DE102022207170A1 (de) 2022-07-13 2024-01-18 Vitesco Technologies GmbH Fahrzeug-Hochvolt-Bordnetz mit seriell verbundenen schaltbaren Cy-Kondensatoren und geschalteter Ableitung
DE102022130358A1 (de) 2022-11-16 2024-05-16 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zur Ableitstromkompensation

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