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Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung für das elektrische Laden und Entladen einer Traktionsbatterie in einem Elektroauto mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und ein Ladesystem hierfür.
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Im Stand der Technik sind Ladestationen bekannt, die ein Gleichstromladen von Traktionsbatterien in Elektroautos ermöglichen, bei dem Gleichstrom aus der Ladestation direkt in die Traktionsbatterie gespeist wird. Der Gleichstrom wird beispielsweise durch einen Gleichrichter in der Ladestation, der an das öffentliche Wechselstromnetz gekoppelt ist, oder durch Pufferakkus bereitgestellt, die an Solarmodule gekoppelt sind. Im Elektroauto befindet sich nur ein Batteriemanagementsystem, das mit der Ladestation kommuniziert, um die von der Ladestation zu liefernde Ladestromstärke und Ladespannung anzupassen und das Laden bei vollem Akku abzubrechen. Die Leistungselektronik befindet sich in der Ladestation.
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Aus der gattungsbildenden
DE 10 2012 212 291 A1 ist eine Vorrichtung zum elektrischen Gleichstrom-Schnellladen einer Energiespeichereinrichtung bekannt. Die Vorrichtung weist ein AC/DC-Konverter-Modul, ein DC/DC-Steller-Modul und ein Schnittstellen-Modul zur Einkopplung elektrischer Energie in die Energiespeichereinrichtung auf. Das AC/DC-Konverter-Modul ist an ein elektrisches Leistungsversorgungsnetz direkt elektrisch gekoppelt. Das DC/DC-Steller-Modul ist an das AC/DC-Konverter-Modul direkt elektrisch gekoppelt. Das Schnittstellen-Modul ist an das DC/DC-Steller-Modul direkt elektrisch gekoppelt. Das DC/DC-Steller-Modul weist ein DC/DC-Hochsetz/Tiefsetz-Steller-Modul ohne galvanische Trennung und zur galvanischen Trennung ein DC/DC-Resonanzwandler-Modul auf. Mittels des Schnittstellen-Moduls wird elektrische Energie in die und aus der Energiespeichereinrichtung gekoppelt. Die Ausgangsspannung und der Ladestrom des Schnittstellen-Moduls werden mittels der Ausgangsspannung des DC/DC-Hochsetz/Tiefsetz-Steller-Moduls ohne galvanische Trennung eingestellt. An den AC/DC-Konverter ist ein zusätzliches bidirektionales DC/DC-Hochsetz/Tiefsetz-Steller-Modul direkt elektrisch gekoppelt, das eine stationäre elektrische Energiespeichereinrichtung lädt oder entlädt. Dieses zusätzliche DC/DC-Hochsetz/Tiefsetz-Steller-Modul ist zudem an das DC/DC-Hochsetz/TiefsetzSteller-Modul des DC/DC-Steller-Moduls direkt elektrisch gekoppelt. Die Energiespeichereinrichtung ist Bestandteil eines Elektrofahrzeuges. Somit weist diese bekannte Vorrichtung einen Verbindungsknoten auf, an dem das AC/DC-Konverter-Modul, das DC/DC-Hochsetz/Tiefsetz-Steller-Modul des DC/DC-Steller-Moduls und das zusätzliche DC/DC-Hochsetz/Tiefsetz-Steller-Modul direkt aneinander gekoppelt sind.
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Bei dieser bekannten Vorrichtung ist der Verbindungsknoten zwischen das AC/DC-Konverter-Modul und das DC/DC-Hochsetz/Tiefsetz-Steller-Modul des DC/DC-Steller-Moduls geschaltet und somit über das DC/DC-Hochsetz/Tiefsetz-Steller-Modul des DC/DC-Steller-Moduls und das DC/DC-Resonanzwandler-Modul an das Schnittstellen-Modul gekoppelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Ladevorrichtung für das elektrische Laden und Entladen einer Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug mit besserem Wirkungsgrad und ein Ladesystem hierfür zu schaffen.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch eine Ladevorrichtung und ein Ladesystem für das elektrische Laden und Entladen einer Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die Erfindung schlägt gemäß einem ersten Aspekt eine Ladevorrichtung für das elektrische Laden und Entladen einer Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug vor, aufweisend
- • einen ersten Gleichspannungswandler;
- • einen Fahrzeugstecker, der insbesondere zum Anschluss an die Traktionsbatterie ausgebildet und / oder geeignet und / oder bestimmt ist;
- • einen Netzstecker- oder -anschluss, der insbesondere zum Anschluss an ein Wechselstromnetz ausgebildet und / oder geeignet und / oder bestimmt ist;
- • einen Gleichrichter;
- • einen zweiten Gleichspannungswandler;
- • einen Verbindungsknoten;
wobei
- • der erste Gleichspannungswandler an eine Gleichstromquelle gekoppelt werden kann und an den Verbindungsknoten gekoppelt ist;
- • der Gleichrichter an den Netzstecker gekoppelt werden kann und an den zweiten Gleichspannungswandler gekoppelt ist;
- • der Verbindungsknoten an den Fahrzeugstecker gekoppelt ist;
- • der Verbindungsknoten zwischen den zweiten Gleichspannungswandler und den Fahrzeugstecker geschaltet ist.
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Die Erfindung schlägt gemäß einem zweiten Aspekt ein Ladesystem für das elektrische Laden und Entladen einer Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug vor, aufweisend
- • eine Gleichstromquelle;
- • die erfindungsgemäße Ladevorrichtung;
wobei
- • der erste Gleichspannungswandler an die Gleichstromquelle gekoppelt ist.
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Da erfindungsgemäß der Verbindungsknoten zwischen den zweiten Gleichspannungswandler und den Fahrzeugstecker geschaltet ist, ist der Wirkungsgrad beim Laden der Traktionsbatterie aus einer beliebigen Gleichstromquelle und beim Entladen der Traktionsbatterie in eine beliebige Gleichstromquelle im Vergleich zu der aus
DE 10 2012 212 291 A1 bekannten Vorrichtung erhöht. Denn dieses Laden und Entladen erfolgt erfindungsgemäß über die folgende Kette: Gleichstromquelle > Gleichspannungswandler > Verbindungsknoten > Fahrzeugstecker > Traktionsbatterie, jedoch gemäß der Lehre der
DE 10 2012 212 291 A1 über die folgende Kette: stationäre Energiespeichereinrichtung > zusätzliches DC/DC-Hochsetz/Tiefsetz-Steller-Modul > Verbindungsknoten > DC/DC-Hochsetz/TiefsetzSteller-Modul des DC/DC-Steller-Moduls > DC/DC-Resonanzwandler-Modul > Schnittstellen-Modul > Energiespeichereinrichtung.
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Die Erfindung verzichtet beim Laden der Traktionsbatterie aus einer Gleichstromquelle auf die galvanische Trennung, da hier die Sicherheitsanforderung des IT-Netzes, mit dem das Laden der Traktionsbatterie auf bekannte Weise - beispielsweise gemäß den Systemen „CHAdeMO“ oder „CCS“ (Abkürzung für „Combined Charging System“) - gesteuert wird, bereits gegeben ist. Dadurch werden Verluste durch die galvanische Trennung vermieden und der Gesamtwirkungsgrad des Systems verbessert.
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Da die Erfindung beim Laden der Traktionsbatterie aus einer Gleichstromquelle auf die galvanische Trennung verzichtet, wird ein Boosten möglich, das von der Leistung der galvanischen Trennung unabhängig ist. Unter „Boosten“ wird hier das Laden der Traktionsbatterie und / oder einer weiteren Gleichstromsenke aus wenigstens zwei Stromquellen gleichzeitig oder zusammen verstanden.
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Prinzipiell lässt sich mit der Topologie dieser Erfindung jede Gleichstromsenke, einschließlich der Traktionsbatterie, von jeder Gleichstromquelle, einschließlich der Traktionsbatterie, laden. Außerdem kann jede Gleichstromquelle, einschließlich der Traktionsbatterie, Leistung ins Wechselstromnetz geben, und jede Gleichstromsenke, einschließlich der Traktionsbatterie, kann Leistung dem Netz entnehmen. Dabei können beliebige Energieflüsse, - richtungen und -stärken realisiert werden, sodass es sich bei dieser Erfindung um ein „Multidirektionales Ladesystem“ handelt.
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Das Elektrofahrzeug kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Pedelec oder Elektromotorroller oder Elektromotorrad oder Elektroauto.
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Die Traktionsbatterie kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein und hat beispielsweise für den Einsatz in einem Elektroauto eine Nennspannung von 450 V oder höher.
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Das Wechselstromnetz kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein, beispielsweise als einphasiges Wechselstromnetz mit einer Nennspannung von 230 V oder als dreiphasiges Wechselstromnetz oder Drehstromnetz mit einer Nennspannung von 400 V.
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Jeder Gleichspannungswandler kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Gleichspannungswandler ohne galvanische Trennung und / oder als Synchronwandler.
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Vorzugsweise bilden erster Gleichspannungswandler, Verbindungsknoten und Fahrzeugstecker und / oder Gleichrichter, zweiter Gleichspannungswandler, Verbindungsknoten und Fahrzeugstecker jeweils eine Reihenschaltung.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist spezifiziert, dass
- • die Ladevorrichtung einen ersten Schalter aufweist;
- • dieser Schalter zwischen den Verbindungsknoten und den Fahrzeugstecker geschaltet ist.
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Durch Öffnen dieses Schalters kann sowohl die positive als auch die negative Verbindungsleitung zwischen Verbindungsknoten und Fahrzeugstecker mechanisch oder galvanisch getrennt und somit eine Not- und Sicherheitsabschaltung der Traktionsbatterie gewährleistet werden, welche im Fehlerfall für zusätzliche Sicherheit sorgt.
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Dieser Schalter kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein, beispielsweise als zweipoliger Schalter, der sowohl die positive als auch die negative Verbindungsleitung zwischen Verbindungsknoten und Fahrzeugstecker mechanisch oder galvanisch trennen kann, oder derart, dass er zwei einpolige Schalter aufweist, von denen der eine die positive und der andere die negative Verbindungsleitung zwischen Verbindungsknoten und Fahrzeugstecker mechanisch oder galvanisch trennen kann. Vorzugsweise weist dieser zweipolige Schalter beziehungsweise jeder dieser einpoligen Schalter ein Relais oder ein Schütz auf.
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Vorzugsweise bilden Verbindungsknoten, erster Schalter und Fahrzeugstecker eine Reihenschaltung.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist spezifiziert, dass
- • die Ladevorrichtung einen zweiten Schalter aufweist;
- • dieser Schalter parallel zu dem zweiten Gleichspannungswandler geschaltet ist.
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Durch Schließen dieses Schalters können sowohl die positiven als auch die negativen Kontakte dieses Gleichspannungswandlers direkt miteinander verbunden oder kurzgeschlossen und somit dieser Gleichspannungswandler überbrückt werden, falls dieser Gleichspannungswandler für einen aktuellen Lade- oder Entladevorgang nicht benötigt wird. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die Gleichstromquelle in das Wechselstromnetz entladen werden soll, oder dann, wenn die Gleichstromquelle auch eine Gleichstromsenke ist und aus dem Wechselstromnetz geladen werden soll. Denn dabei kann der erste Gleichspannungswandler die Spannungsanpassung zwischen Wechselstromnetz beziehungsweise Gleichrichter und Gleichstromquelle übernehmen. Hierdurch wird der Wirkungsgrad weiter erhöht.
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Dieser Schalter kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein, beispielsweise als zweipoliger Schalter, der sowohl die positiven als auch die negativen Kontakte dieses Gleichspannungswandlers wahlweise direkt miteinander verbinden oder kurzschließen und mechanisch oder galvanisch oder elektronisch trennen kann, oder derart, dass er zwei einpolige Schalter aufweist, von denen der eine die positiven und der andere die negativen Kontakte dieses Gleichspannungswandlers wahlweise direkt miteinander verbinden oder kurzschließen und mechanisch oder galvanisch oder elektronisch trennen kann. Vorzugsweise weist dieser zweipolige Schalter beziehungsweise jeder dieser einpoligen Schalter ein Relais oder ein Schütz oder einen Halbleiterschalter auf.
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Bei Bedarf kann vor dem Schließen dieses Schalters der erste Schalter geöffnet werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist bei einer Ausführungsform der Erfindung spezifiziert, dass
- • die Ladevorrichtung einen weiteren Schalter aufweist;
- • dieser Schalter parallel zu dem ersten Gleichspannungswandler geschaltet ist.
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Durch Schließen dieses Schalters können sowohl die positiven als auch die negativen Kontakte dieses Gleichspannungswandlers direkt miteinander verbunden oder kurzgeschlossen und somit dieser Gleichspannungswandler überbrückt werden, falls dieser Gleichspannungswandler für einen aktuellen Lade- oder Entladevorgang nicht benötigt wird. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die Gleichstromquelle in das Wechselstromnetz entladen werden soll, oder dann, wenn die Gleichstromquelle auch eine Gleichstromsenke ist und aus dem Wechselstromnetz geladen werden soll. Denn dabei kann der zweite Gleichspannungswandler die Spannungsanpassung zwischen Wechselstromnetz beziehungsweise Gleichrichter und Gleichstromquelle übernehmen. Hierdurch wird der Wirkungsgrad weiter erhöht.
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Dieser Schalter kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein, beispielsweise als zweipoliger Schalter, der sowohl die positiven als auch die negativen Kontakte dieses Gleichspannungswandlers wahlweise direkt miteinander verbinden oder kurzschließen und mechanisch oder galvanisch oder elektronisch trennen kann, oder derart, dass er zwei einpolige Schalter aufweist, von denen der eine die positiven und der andere die negativen Kontakte dieses Gleichspannungswandlers wahlweise direkt miteinander verbinden oder kurzschließen und mechanisch oder galvanisch oder elektronisch trennen kann. Vorzugsweise weist dieser zweipolige Schalter beziehungsweise jeder dieser einpoligen Schalter ein Relais oder ein Schütz oder einen Halbleiterschalter auf.
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Bei Bedarf kann vor dem Schließen dieses Schalters der erste Schalter geöffnet werden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist spezifiziert, dass
- • die Ladevorrichtung einen Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung aufweist;
- • der Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung zwischen den zweiten Gleichspannungswandler und den Verbindungsknoten oder zwischen den Gleichrichter und den zweiten Gleichspannungswandler geschaltet ist.
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Somit bilden der Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung und der zweite Gleichspannungswandler eine Reihenschaltung, die zwischen den Gleichrichter und den Verbindungsknoten geschaltet ist. Es ist in alternativer Ausgestaltung möglich, auf den zweiten Gleichspannungswandler zu verzichten und den Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung auch zur Spannungsanpassung zu nutzen. Bevorzugt ist jedoch die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit zweitem Gleichspannungswandler.
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Vorzugsweise bilden Gleichrichter, Reihenschaltung und Verbindungsknoten eine Reihenschaltung.
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Die von diesem Gleichspannungswandler gelieferte galvanische Trennung zwischen Wechselstromnetz und Fahrzeugstecker kann beispielsweise erforderlich sein, um ein für das Laden und Entladen der Traktionsbatterie zuständiges IT-Netz des Elektrofahrzeugs zu schützen.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Platzierung der galvanischen Trennung ist, dass sich ein effektives Boosten der Ladeleistung ermöglichen lässt. Normalerweise wird im Heimbereich die Ladeleistung durch den Hausanschluss an das Wechselstromnetz begrenzt, welcher in Deutschland typischerweise bei 22 kW liegt. In der Topologie dieser Erfindung lässt sich jedoch die Gleichstromquelle - und bei Bedarf weitere Gleichstromquellen - hinzu schalten, sodass die Ladeleistung so hoch wie die Leistung aller Quellen zusammen werden kann. Hierzu muss auch die galvanische Trennung nicht auf die maximale Boostleistung ausgelegt werden, da über diese lediglich die Leistung des Hausanschlusses fließt. Mit den folgenden Rechenbeispielen wird dies verdeutlicht. In Deutschland hat ein Hausanschluss eine typische Ladeleistung von 22 kW, als Gleichstromquelle wird beispielhaft ein Heimspeicher mit einer Batteriekapazität von 10 kWh angenommen. Somit lässt sich für eine Stunde die Ladeleistung des Hausanschlusses durch ein Boosten aus dem Heimspeicher auf 32 kW erhöhen, was einer Steigerung um ungefähr 45% entspricht. In Italien hat ein Hausanschluss eine typische Ladeleistung von 3 kW, als Gleichstromquelle wird beispielhaft ein Heimspeicher mit einer Batteriekapazität von 10 kWh angenommen. Somit lässt sich für eine Stunde die Ladeleistung des Hausanschlusses durch ein Boosten aus dem Heimspeicher auf 13 kW erhöhen, was einer Steigerung um über 300% entspricht. Vorzugsweise werden die Heimspeicher aufgeladen, wenn kein Elektrofahrzeug an dem Ladesystem hängt und der Hausanschluss somit nur wenig belastet ist.
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Dieser Gleichspannungswandler kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Sperrwandler, der auch als Hoch-Tiefsetzsteller bezeichnet wird, oder als Eintaktflusswandler oder als Gegentaktflusswandler oder als Resonanzwandler.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist spezifiziert, dass
- • die Ladevorrichtung einen dritten Schalter aufweist;
- • dieser Schalter in einem ersten Fall parallel zu dem Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung oder in einem zweiten Fall parallel zu der Reihenschaltung aus Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung und zweitem Gleichspannungswandler geschaltet ist.
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Durch Schließen dieses Schalters können im ersten Fall sowohl die positiven als auch die negativen Kontakte des Gleichspannungswandlers mit galvanischer Trennung direkt miteinander verbunden oder kurzgeschlossen und somit dieser Gleichspannungswandler überbrückt werden oder können im zweiten Fall sowohl die positiven als auch die negativen Kontakte der Reihenschaltung direkt verbunden oder kurzgeschlossen und somit die Reihenschaltung überbrückt werden, falls der Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung für einen aktuellen Lade- oder Entladevorgang nicht benötigt wird. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die Gleichstromquelle in das Wechselstromnetz entladen werden soll, oder dann, wenn die Gleichstromquelle auch eine Gleichstromsenke ist und aus dem Wechselstromnetz geladen werden soll. Denn dabei ist ein für das Laden und Entladen der Traktionsbatterie zuständiges IT-Netz des Elektrofahrzeugs nicht erforderlich. Hierdurch wird der Wirkungsgrad weiter erhöht.
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Dieser Schalter kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein, beispielsweise als zweipoliger Schalter, der im ersten Fall sowohl die positiven als auch die negativen Kontakte des Gleichspannungswandlers mit galvanischer Trennung oder im zweiten Fall sowohl die positiven als auch die negativen Kontakte der Reihenschaltung wahlweise direkt miteinander verbinden oder kurzschließen und mechanisch oder galvanisch oder elektronisch trennen kann, oder derart, dass er zwei einpolige Schalter aufweist, von denen im ersten Fall der eine die positiven und der andere die negativen Kontakte des Gleichspannungswandlers mit galvanischer Trennung oder im zweiten Fall der eine die positiven und der andere die negativen Kontakte der Reihenschaltung wahlweise direkt miteinander verbinden oder kurzschließen und mechanisch oder galvanisch oder elektronisch trennen kann. Vorzugsweise weist dieser zweipolige Schalter beziehungsweise jeder dieser einpoligen Schalter ein Relais oder ein Schütz auf.
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Vorzugsweise wird vor dem Schließen dieses Schalters der erste Schalter geöffnet, um ein sicheres Abtrennen der Traktionsbatterie zu gewährleisten, da in diesem Fall kein IT-Netz zum Elektrofahrzeug vorliegen würde.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist spezifiziert, dass
- • die Ladevorrichtung wenigstens einen weiteren Gleichspannungswandler aufweist;
- • jeder weitere Gleichspannungswandler an eine weitere Gleichstromquelle gekoppelt werden kann und an den Verbindungsknoten gekoppelt ist.
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Jeder der weiteren Gleichspannungswandler kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Gleichspannungswandler ohne galvanische Trennung oder als Synchronwandler.
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Jede der Gleichstromquellen kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein, beispielsweise derart, dass sie auch eine Gleichstromsenke darstellt, wie es beispielsweise bei einem Heimspeicher der Fall ist
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Vorzugsweise bilden jeder weitere Gleichspannungswandler, Verbindungsknoten und Fahrzeugstecker jeweils eine Reihenschaltung.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist spezifiziert, dass der Gleichrichter ein bidirektionaler Gleichrichter ist.
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Der bidirektionale Gleichrichter kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein und arbeitet auf bekannte Weise sowohl als Gleichrichter, wenn wenigstens eine der Gleichstromsenken Leistung aus dem Wechselstromnetz bezieht, als auch als Wechselrichter, wenn wenigstens eine der Gleichstromsenken Leistung in das Wechselstromnetz speist.
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Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladesystems ist spezifiziert, dass
- • das Ladesystem wenigstens eine weitere Gleichstromquelle aufweist;
- • die Ladevorrichtung zu jeder weiteren Gleichstromquelle einen weiteren Gleichspannungswandler aufweist;
- • jeder weitere Gleichspannungswandler an die jeweilige weitere Gleichstromquelle gekoppelt ist und an den Verbindungsknoten gekoppelt ist.
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Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladesystems ist spezifiziert, dass wenigstens eine der Gleichstromquellen eine Photovoltaikanlage und / oder eine Windkraftanlage und / oder ein Blockheizkraftwerk und / oder ein Notstromaggregat und / oder eine Anlage für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, die auch als USV-Anlage bezeichnet wird, und / oder eine Traktionsbatterie eines weiteren Elektrofahrzeugs und / oder einen Heimspeicher aufweist. Der Heimspeicher weist bevorzugt wenigstens einen Akkumulator und / oder wenigstens einen Superkondensator auf.
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Die Ausführungsformen und Erläuterungen zu einem der Aspekte der Erfindung gelten analog auch für die anderen Aspekte der Erfindung.
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Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Ladevorrichtung und das erfindungsgemäße Ladesystem in vorteilhafter Art und Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden darf eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:
- 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladesystems mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung für das elektrische Laden und Entladen einer Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug;
- 2 eine zweite Ausführungsform des Ladesystems mit einer zweiten Ausführungsform der Ladevorrichtung;
- 3 eine dritte Ausführungsform des Ladesystems mit einer dritten Ausführungsform der Ladevorrichtung;
- 4 eine vierte Ausführungsform des Ladesystems mit einer vierten Ausführungsform der Ladevorrichtung;
- 5 eine fünfte Ausführungsform des Ladesystems mit einer fünften Ausführungsform der Ladevorrichtung;
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In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladesystems 10 für das elektrische Laden und Entladen einer Traktionsbatterie 11 in einem Elektrofahrzeug schematisch dargestellt. Das Ladesystem 10 weist eine Gleichstromquelle 12 und eine erfindungsgemäße Ladevorrichtung 13 auf, die gemäß einer ersten Ausführungsform ausgebildet ist.
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Die Ladevorrichtung 13 weist eine nicht dargestellte Steuereinrichtung, einen ersten Gleichspannungswandler 14, einen Fahrzeugstecker 15, einen Netzstecker 16, einen Gleichrichter 17, einen zweiten Gleichspannungswandler 18 und einen Verbindungsknoten 19 auf.
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Der erste Gleichspannungswandler 14 ist an die Gleichstromquelle 12 und an den Verbindungsknoten 19 gekoppelt. Der Netzstecker 16 ist an ein Wechselstromnetz 20 gekoppelt. Der Gleichrichter 17 ist an den Netzstecker 16 und an den zweiten Gleichspannungswandler 18 gekoppelt. Der Verbindungsknoten 19 ist zwischen den zweiten Gleichspannungswandler 18 und den Fahrzeugstecker 15 geschaltet. Somit ist der Verbindungsknoten 19 direkt an den Fahrzeugstecker 15 gekoppelt. Der Fahrzeugstecker 15 ist an die Traktionsbatterie 11 gekoppelt. Die Steuereinrichtung ist an Gleichspannungswandler 14, Gleichrichter 17 und Gleichspannungswandler 18 gekoppelt, um diese geeignet zu steuern.
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Die Gleichstromquelle 12 ist beispielhaft eine Photovoltaikanlage. Der Gleichrichter 17 ist beispielhaft ein unidirektionaler Gleichrichter. Das Wechselstromnetz 20 ist beispielhaft ein dreiphasiges Wechselstromnetz oder Drehstromnetz mit einer Nennspannung von 400 V.
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Die Steuereinrichtung kann die Gleichspannungswandler 14, 18 und den Gleichrichter 17 derart ansteuern, dass die Traktionsbatterie 11 aus der Gleichstromquelle 12 („Lademodus 1“) oder aus dem Wechselstromnetz 20 („Lademodus 2“) oder aus der Gleichstromquelle 12 und dem Wechselstromnetz 20 zusammen („Boostmodus 1“) geladen wird.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform des Ladesystems 10 schematisch dargestellt. Diese Ausführungsform ähnelt der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden vor Allem die Unterschiede näher erläutert werden.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Ladevorrichtung 13 gemäß einer zweiten Ausführungsform ausgebildet. Diese Ausführungsform ähnelt der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden vor Allem die Unterschiede näher erläutert werden.
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Bei dieser Ausführungsform ist der Gleichrichter 17 beispielhaft ein bidirektionaler Gleichrichter. Außerdem weist die Ladevorrichtung 13 einen ersten Schalter 21 und einen zweiten Schalter 22 auf. Der Schalter 21 ist zwischen den Verbindungsknoten 19 und den Fahrzeugstecker 15 geschaltet. Somit sind Verbindungsknoten 19, Schalter 21 und Fahrzeugstecker 15 in Reihe geschaltet, und ist der Verbindungsknoten 19 indirekt, nämlich über den Schalter 21, an den Fahrzeugstecker 15 gekoppelt. Der Schalter 22 ist parallel zum Gleichspannungswandler 18 geschaltet. Die Steuereinrichtung ist an die Schalter 21 und 22 gekoppelt.
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Der erste Schalter 21 ist beispielhaft ein zweipoliges Schütz und kann sowohl die positive als auch die negative Verbindungsleitung zwischen Verbindungsknoten 19 und Fahrzeugstecker 15 mechanisch oder galvanisch trennen.
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Der zweite Schalter 22 weist beispielhaft zwei Halbleiterschalter auf, die synchron angesteuert werden und von denen der eine in 2 oben und der andere unten dargestellt ist. Der Gleichspannungswandler 18 hat zwei positive Kontakte, die in 2 am Quadrat 18 links und rechts oben dargestellt sind, und zwei negative Kontakte, die in 2 am Quadrat 18 links und rechts unten dargestellt sind. Der obere Halbleiterschalter kann die positiven Kontakte des Gleichspannungswandlers 18 wahlweise direkt miteinander verbinden oder kurzschließen und elektronisch trennen, und der untere Halbleiterschalter kann die negativen Kontakte des Gleichspannungswandlers 18 wahlweise direkt miteinander verbinden oder kurzschließen und elektronisch trennen.
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Die Steuereinrichtung kann die Gleichspannungswandler 14, 18, den Gleichrichter 17 und die Schalter 21, 22 derart ansteuern,
- • dass die Traktionsbatterie 11 aus der Gleichstromquelle 12 („Lademodus 1“) oder aus dem Wechselstromnetz 20 („Lademodus 2“) oder aus der Gleichstromquelle 12 und dem Wechselstromnetz 20 zusammen („Boostmodus 1“) geladen wird, oder
- • dass sich die Traktionsbatterie 11 („Entlademodus 1“) oder die Gleichstromquelle 12 („Entlademodus 2“) oder die Traktionsbatterie 11 zusammen mit der Gleichstromquelle 12 („Entlademodus 3“) in das Wechselstromnetz 20 entlädt.
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Die Steuereinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie
- • im Lademodus 1 den Schalter 21 schließt und den Schalter 22 öffnet oder schließt,
- • im Lademodus 2, Boostmodus 1, Entlademodus 1 und Entlademodus 3 den Schalter 21 schließt und den Schalter 22 öffnet, und
- • im Entlademodus 2 den Schalter 21 öffnet und den Schalter 22 schließt.
Denn im Entlademodus 2 übernimmt der erste Gleichspannungswandler 14 die Spannungsanpassung von der Gleichstromquelle 12 auf den Gleichrichter 17, sodass der zweite Gleichspannungswandler 18 nicht erforderlich ist.
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In 3 ist eine dritte Ausführungsform des Ladesystems 10 schematisch dargestellt. Diese Ausführungsform ähnelt der zweiten Ausführungsform, sodass im Folgenden vor Allem die Unterschiede näher erläutert werden.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Ladevorrichtung 13 gemäß einer dritten Ausführungsform ausgebildet. Diese Ausführungsform ähnelt der zweiten Ausführungsform, sodass im Folgenden vor Allem die Unterschiede näher erläutert werden.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Gleichstromquelle 12 beispielhaft ein Heimspeicher, der einen Akkumulator aufweist, und somit gleichzeitig eine Gleichstromsenke. Außerdem weist die Ladevorrichtung 13 einen Gleichspannungswandler 23 mit galvanischer Trennung und einen dritten Schalter 24 auf. Gleichspannungswandler 23 ist zwischen Gleichspannungswandler 18 und Verbindungsknoten 19 geschaltet. Somit bilden Gleichspannungswandler 18 und Gleichspannungswandler 23 eine Reihenschaltung und sind Gleichrichter 17, Gleichspannungswandler 18, Gleichspannungswandler 23, Verbindungsknoten 19, Schalter 21 und Fahrzeugstecker 15 in Reihe geschaltet. Schalter 24 ist parallel zu Gleichspannungswandler 23 geschaltet. Die Steuereinrichtung ist an Gleichspannungswandler 23 und Schalter 24 gekoppelt.
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Der dritte Schalter 24 weist beispielhaft zwei einpolige Schütze auf, die synchron angesteuert werden und von denen der eine in 3 oben und der andere unten dargestellt ist. Der Gleichspannungswandler 23 hat zwei positive Kontakte, die in 3 am Quadrat 23 links und rechts oben dargestellt sind, und zwei negative Kontakte, die in 3 am Quadrat 23 links und rechts unten dargestellt sind. Das obere Schütz kann die positiven Kontakte des Gleichspannungswandlers 23 wahlweise direkt miteinander verbinden oder kurzschließen und mechanisch oder galvanisch trennen, und das untere Schütz kann die negativen Kontakte des Gleichspannungswandlers 23 wahlweise direkt miteinander verbinden oder kurzschließen und mechanisch oder galvanisch trennen.
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Die Steuereinrichtung kann die Gleichspannungswandler 14, 18, 23, den Gleichrichter 17 und die Schalter 21, 22, 24 derart ansteuern,
- • dass die Traktionsbatterie 11 aus der Gleichstromquelle 12 („Lademodus 1“) oder aus dem Wechselstromnetz 20 („Lademodus 2“) oder aus der Gleichstromquelle 12 und dem Wechselstromnetz 20 zusammen („Boostmodus 1“) geladen wird, oder
- • dass die Gleichstromquelle 12 aus der Traktionsbatterie 11 („Lademodus 4“) oder aus dem Wechselstromnetz 20 („Lademodus 5“) oder aus der Traktionsbatterie 11 und dem Wechselstromnetz 20 zusammen („Boostmodus 2“) geladen wird, oder
- • dass sich die Traktionsbatterie 11 („Entlademodus 1“) oder die Gleichstromquelle 12 („Entlademodus 2“) oder die Traktionsbatterie 11 zusammen mit der Gleichstromquelle 12 („Entlademodus 3“) in das Wechselstromnetz 20 entlädt.
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Die Steuereinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie
- • im Lademodus 1 und Lademodus 4 den Schalter 21 schließt, den Schalter 22 öffnet oder schließt und den Schalter 24 öffnet,
- • im Lademodus 2, Boostmodus 1, Boostmodus 2, Entlademodus 1 und Entlademodus 3 den Schalter 21 schließt, den Schalter 22 öffnet und den Schalter 24 öffnet, und
- • im Lademodus 5 und Entlademodus 2 den Schalter 21 öffnet, den Schalter 22 schließt und den Schalter 24 schließt.
Denn im Lademodus 5 und Entlademodus 2 übernimmt der Gleichspannungswandler 14 die Spannungsanpassung von der Gleichstromquelle 12 auf den Gleichrichter 17, sodass der Gleichspannungswandler 18 nicht erforderlich ist. Außerdem trennt im Lademodus 5 und Entlademodus 2 der Schalter 21 die Traktionsbatterie 11 galvanisch von der Ladevorrichtung 13, sodass der Gleichspannungswandler 23 nicht erforderlich ist.
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In 4 ist eine vierte Ausführungsform des Ladesystems 10 schematisch dargestellt. Diese Ausführungsform ähnelt der dritten Ausführungsform, sodass im Folgenden vor Allem die Unterschiede näher erläutert werden.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Ladevorrichtung 13 gemäß einer vierten Ausführungsform ausgebildet. Diese Ausführungsform ähnelt der dritten Ausführungsform, sodass im Folgenden vor Allem die Unterschiede näher erläutert werden.
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Bei dieser Ausführungsform entfällt der zweite Schalter 22 der dritten Ausführungsform und ist der Gleichspannungswandler 23 zwischen den Gleichrichter 17 und den Gleichspannungswandler 18 geschaltet. Somit bilden Gleichspannungswandler 23 und Gleichspannungswandler 18 eine Reihenschaltung und sind Gleichrichter 17, Gleichspannungswandler 23, Gleichspannungswandler 18, Verbindungsknoten 19, Schalter 21 und Fahrzeugstecker 15 in Reihe geschaltet. Außerdem ist der Schalter 24 parallel zu der Reihenschaltung aus Gleichspannungswandler 23 und Gleichspannungswandler 18 geschaltet.
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Die Reihenschaltung aus Gleichspannungswandler 23 und Gleichspannungswandler 18 hat zwei positive Kontakte, die in 4 am Quadrat 23 links oben und am Quadrat 18 rechts oben dargestellt sind, und zwei negative Kontakte, die in 4 am Quadrat 23 links unten und am Quadrat 18 rechts unten dargestellt sind. Das obere Schütz des Schalters 24 kann die positiven Kontakte der Reihenschaltung 23-18 wahlweise direkt miteinander verbinden oder kurzschließen und mechanisch oder galvanisch trennen, und das untere Schütz des Schalters 24 kann die negativen Kontakte der Reihenschaltung 23-18 wahlweise direkt miteinander verbinden oder kurzschließen und mechanisch oder galvanisch trennen.
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Die Steuereinrichtung kann die Gleichspannungswandler 14, 18, 23, den Gleichrichter 17 und die Schalter 21, 24 derart ansteuern,
- • dass die Traktionsbatterie 11 aus der Gleichstromquelle 12 („Lademodus 1“) oder aus dem Wechselstromnetz 20 („Lademodus 2“) oder aus der Gleichstromquelle 12 und dem Wechselstromnetz 20 zusammen („Boostmodus 1“) geladen wird, oder
- • dass die Gleichstromquelle 12 aus der Traktionsbatterie 11 („Lademodus 4“) oder aus dem Wechselstromnetz 20 („Lademodus 5“) oder aus der Traktionsbatterie 11 und dem Wechselstromnetz 20 zusammen („Boostmodus 2“) geladen wird, oder
- • dass sich die Traktionsbatterie 11 („Entlademodus 1“) oder die Gleichstromquelle 12 („Entlademodus 2“) oder die Traktionsbatterie 11 zusammen mit der Gleichstromquelle 12 („Entlademodus 3“) in das Wechselstromnetz 20 entlädt.
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Die Steuereinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie
- • im Lademodus 1, Lademodus 2, Lademodus 4, Boostmodus 1, Boostmodus 2, Entlademodus 1 und Entlademodus 3 den Schalter 21 schließt und den Schalter 24 öffnet, und
- • im Lademodus 5 und Entlademodus 2 den Schalter 21 öffnet und den Schalter 24 schließt.
Denn im Lademodus 5 und Entlademodus 2 übernimmt der Gleichspannungswandler 14 die Spannungsanpassung von der Gleichstromquelle 12 auf den Gleichrichter 17, sodass der Gleichspannungswandler 18 nicht erforderlich ist. Außerdem trennt im Lademodus 5 und Entlademodus 2 der Schalter 21 die Traktionsbatterie 11 galvanisch von der Ladevorrichtung 13, sodass der Gleichspannungswandler 23 nicht erforderlich ist.
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In 5 ist eine fünfte Ausführungsform des Ladesystems 10 schematisch dargestellt. Diese Ausführungsform ähnelt der vierten Ausführungsform, sodass im Folgenden vor Allem die Unterschiede näher erläutert werden.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Ladevorrichtung 13 gemäß einer fünften Ausführungsform ausgebildet. Diese Ausführungsform ähnelt der vierten Ausführungsform, sodass im Folgenden vor Allem die Unterschiede näher erläutert werden.
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Bei dieser Ausführungsform ist wie bei der dritten Ausführungsform der Gleichspannungswandler 23 zwischen den Gleichspannungswandler 18 und den Verbindungsknoten 19 geschaltet. Außerdem weist das Ladesystem 10 eine weitere Gleichstromquelle 25 auf, und die Ladevorrichtung 13 weist zu der oder für die Gleichstromquelle 25 einen weiteren Gleichspannungswandler 26 auf. Die Gleichstromquelle 25 ist beispielhaft eine Photovoltaikanlage. Die Steuereinrichtung ist an den Gleichspannungswandler 26 gekoppelt.
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Die Reihenschaltung aus Gleichspannungswandler 18 und Gleichspannungswandler 23 hat zwei positive Kontakte, die in 5 am Quadrat 18 links oben und am Quadrat 23 rechts oben dargestellt sind, und zwei negative Kontakte, die in 5 am Quadrat 18 links unten und am Quadrat 23 rechts unten dargestellt sind. Das obere Schütz des Schalters 24 kann die positiven Kontakte der Reihenschaltung 18-23 wahlweise direkt miteinander verbinden oder kurzschließen und mechanisch oder galvanisch trennen, und das untere Schütz des Schalters 24 kann die negativen Kontakte der Reihenschaltung 18-23 wahlweise direkt miteinander verbinden oder kurzschließen und mechanisch oder galvanisch trennen.
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Die Steuereinrichtung kann die Gleichspannungswandler 14, 18, 23, 25, den Gleichrichter 17 und die Schalter 21, 24 derart ansteuern,
- • dass die Traktionsbatterie 11 aus der Gleichstromquelle 12 („Lademodus 1“) oder aus der Gleichstromquelle 25 („Lademodus 1a“) oder aus dem Wechselstromnetz 20 („Lademodus 2“) oder aus der Gleichstromquelle 12 und dem Wechselstromnetz 20 zusammen („Boostmodus 1“) oder aus der Gleichstromquelle 12 und der Gleichstromquelle 25 zusammen („Boostmodus 1a“) oder aus dem Wechselstromnetz 20 und der Gleichstromquelle 25 zusammen („Boostmodus 1b“) oder aus der Gleichstromquelle 12, dem Wechselstromnetz 20 und der Gleichstromquelle 25 zusammen („Boostmodus 1c“) geladen wird, oder
- • dass die Gleichstromquelle 12 aus der Traktionsbatterie 11 („Lademodus 4“) oder aus der Gleichstromquelle 25 („Lademodus 4a“) oder aus dem Wechselstromnetz 20 („Lademodus 5“) oder aus der Traktionsbatterie 11 und dem Wechselstromnetz 20 zusammen („Boostmodus 2“) oder aus der Traktionsbatterie 11 und der Gleichstromquelle 25 zusammen („Boostmodus 2a“) oder aus dem Wechselstromnetz 20 und der Gleichstromquelle 25 zusammen („Boostmodus 2b“) oder aus der Traktionsbatterie 11, dem Wechselstromnetz 20 und der Gleichstromquelle 25 zusammen („Boostmodus 2c“) geladen wird, oder
- • dass sich die Traktionsbatterie 11 („Entlademodus 1“) oder die Gleichstromquelle 12 („Entlademodus 2“) oder die Gleichstromquelle 25 („Entlademodus 2a“) oder die Traktionsbatterie 11 zusammen mit der Gleichstromquelle 12 („Entlademodus 3“) oder die Traktionsbatterie 11 zusammen mit der Gleichstromquelle 25 („Entlademodus 4“) oder die Gleichstromquelle 12 zusammen mit der Gleichstromquelle 25 („Entlademodus 5“) oder die Traktionsbatterie 11 zusammen mit der Gleichstromquelle 12 und der Gleichstromquelle 25 („Entlademodus 6“) in das Wechselstromnetz 20 entlädt.
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Die Steuereinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie
- • im Lademodus 1, Lademodus 1a, Lademodus 2, Boostmodus 1, Boostmodus 1a, Boostmodus 1b, Boostmodus 1c, Lademodus 4, Boostmodus 2, Boostmodus 2a, Boostmodus 2c, Entlademodus 1, Entlademodus 3, Entlademodus 4 und Entlademodus 6 den Schalter 21 schließt und den Schalter 24 öffnet, und
- • im Lademodus 4a, Lademodus 5, Boostmodus 2b, Entlademodus 2, Entlademodus 2a und Entlademodus 5 den Schalter 21 öffnet und den Schalter 24 schließt.
Denn im Lademodus 4a übernehmen der Gleichspannungswandler 14 und der Gleichspannungswandler 26 die Spannungsanpassung von der Gleichstromquelle 12 auf die Gleichstromquelle 25, im Lademodus 5, Boostmodus 2b und Entlademodus 2 übernimmt der Gleichspannungswandler 14 die Spannungsanpassung von der Gleichstromquelle 12 auf den Gleichrichter 17, im Entlademodus 2a übernimmt der Gleichspannungswandler 26 die Spannungsanpassung von der Gleichstromquelle 25 auf den Gleichrichter 17, und im Entlademodus 5 übernehmen die Gleichspannungswandler 14 und 26 die Spannungsanpassung von den Gleichstromquellen 12 und 25 auf den Gleichrichter 17, sodass in diesen Modi der Gleichspannungswandler 18 nicht erforderlich ist. Außerdem trennt im Lademodus 4a, Lademodus 5, Boostmodus 2b, Entlademodus 2, Entlademodus 2a und Entlademodus 5 der Schalter 21 die Traktionsbatterie 11 galvanisch von der Ladevorrichtung 13, sodass der Gleichspannungswandler 23 nicht erforderlich ist.
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Jede der zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann bei Bedarf mit wenigstens einer der übrigen Ausführungsformen kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ladesystem
- 11
- Traktionsbatterie
- 12
- Gleichstromquelle
- 13
- Ladevorrichtung
- 14
- erster Gleichspannungswandler
- 15
- Fahrzeugstecker
- 16
- Netzstecker
- 17
- Gleichrichter
- 18
- zweiter Gleichspannungswandler
- 19
- Verbindungsknoten
- 20
- Wechselstromnetz
- 21
- erster Schalter
- 22
- zweiter Schalter
- 23
- Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung
- 24
- dritter Schalter
- 25
- weitere Gleichstromquelle
- 26
- weiterer Gleichspannungswandler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012212291 A1 [0003, 0009]
