DE102018201120A1

DE102018201120A1 - On-Board-Ladegerät eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs

Info

Publication number: DE102018201120A1
Application number: DE102018201120.6A
Authority: DE
Inventors: Daniel Spesser; Tim Pfizenmaier; Stefan Endres
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-01-24
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2019-07-25

Abstract

On-Board-Ladegerät (10) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs zum Laden einer Traktionsbatterie (11) des Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit Gleichspannung durch Anschluss desselben an eine Wechselspannungsversorgung (12). Mit einer Leistungsfaktorkorrektur (14), die eine elektrische Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (12) gleichrichtet. Mit einem Zwischenkreis (16), der die gleichgerichtete elektrische Spannung von der Leistungsfaktorkorrektur (14) empfängt und in mehreren parallelgeschalteten und/oder reihengeschalteten Kondensatoren (17) elektrische Energie zwischenspeichert. Mit einem Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler (18), der elektrische Energie aus dem Zwischenkreis (16) entnimmt und dieselbe zum Laden der Traktionsbatterie (11) unter Zwischenschaltung einer galvanischen Trennung (19) der Traktionsbatterie (11) bereitstellt. Der Zwischenkreis (16) umfasst ein Grundmodul (16a) mit einer ersten Anzahl von parallelgeschalteten und/oder reihengeschalteten Kondensatoren (17). Das Grundmodul (16a) des Zwischenkreises (16) ist über mindestens ein Ergänzungsmodul (16b) mit einer zweiten Anzahl von parallelgeschalteten und/oder reihengeschalteten Kondensatoren (17) erweiterbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein On-Board-Ladegerät eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge verfügen über eine Traktionsbatterie, die aufgeladen werden muss. Beim Aufladen einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs unterscheidet man grundsätzlich zwischen einem sogenannten Gleichspannungsladen und einem sogenannten Wechselspannungsladen. Beim Gleichspannungsladen wird die Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs an eine Stromtankstelle angeschlossen, die Gleichspannung zum Laden der Traktionsbatterie bereitstellt. Beim Wechselspannungsladen wird die Traktionsbatterie an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen, wobei dann ein im Elektrofahrzeug bzw. Hybridfahrzeug verbautes On-Board-Ladegerät die Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung in eine Gleichspannung zum Laden der Traktionsbatterie wandelt.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein On-Board-Ladegerät eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs zum Laden der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs mit Gleichspannung durch Anschluss desselben an eine Wechselspannungsversorgung.
Aus der Praxis bekannte On-Board-Ladegeräte eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs verfügen über eine Leistungsfaktorkorrektur, die auch als PFC (Power Faction Control) bezeichnet wird. Über die Leistungsfaktorkorrektur wird eine Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung gleichgerichtet.
Ferner verfügen aus der Praxis bekannte On-Board-Ladegeräte über einen sogenannten Zwischenkreis, der auch als ZWK bezeichnet wird. Der Zwischenkreis empfängt die gleichgerichtete elektrische Spannung von der Leistungsfaktorkorrektur und speichert elektrische Energie in mehreren parallelgeschalteten und/oder reihengeschalteten Kondensatoren des Zwischenkreises zwischen.
Die im Zwischenkreis zwischengespeicherte elektrische Energie kann mithilfe eines Gleichspannung-Gleichspannung-Wandlers aus dem Zwischenkreis entnommen und über eine galvanische Trennung des On-Board-Ladegeräts der Traktionsbatterie für den Ladevorgang der Traktionsbatterie bereitgestellt werden.
Der Zwischenkreis eines On-Board-Ladegeräts verfügt über mehrere parallelgeschaltete und/oder reihengeschaltete Kondensatoren. Dabei ist es aus der Praxis bekannt, den Zwischenkreis des On-Board-Ladegeräts und damit die Anzahl der Kondensatoren des Zwischenkreises derart auszulegen, dass für ein Worst-Case-Belastungsprofil eine definierte Lebensdauer des On-Board-Ladegeräts gewährleistet ist.
Bei einem solchen Worst-Case-Belastungsprofil handelt es sich zum Beispiel um ein Belastungsprofil, das sich dann ergibt, wenn das Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug permanent in Wüstenstaaten betrieben wird, in denen beim Laden der Traktionsbatterie Temperaturen von mehr als 40 °C herrschen.
Durch die Auslegung des On-Board-Ladegeräts, nämlich des Zwischenkreises desselben, auf den Worst-Case-Belastungsfall, ist dasselbe für andere Belastungsfälle überdimensioniert. Hierdurch werden hohe Kosten verursacht. Dies ist von Nachteil.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges On-Board-Ladegerät eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch ein On-Board-Ladegerät eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Der Zwischenkreis des On-Board-Ladegeräts umfasst ein Grundmodul mit einer ersten Anzahl von parallelgeschalteten und/oder reihengeschalteten Kondensatoren. Das Grundmodul des Zwischenkreises ist über mindestens ein Ergänzungsmodul mit einer zweiten Anzahl von parallelgeschalteten und/oder reihengeschalteten Kondensatoren erweiterbar. Beim erfindungsgemäßen On-Board-Ladegerät weist der Zwischenkreis das Grundmodul mit der ersten Anzahl von Kondensatoren auf. Das Grundmodul des Zwischenkreises ist über mindestens ein Ergänzungsmodul erweiterbar, welches eine zweite Anzahl von Kondensatoren aufweist. Hierdurch ist es möglich, On-Board-Ladegeräte kostengünstiger herzustellen und im Bedarfsfall auf einen Worst-Case-Belastungsfall zu erweitern.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist die Anzahl der Kondensatoren des Grundmoduls derart ausgelegt ist, dass bei definierten ersten Ladebedingungen, vorzugsweise bei mitteleuropäischen Umweltbedingungen fürs Laden, eine definierte Lebensdauer des On-Board-Ladegeräts gewährleistet ist. Die Anzahl der Kondensatoren des oder des jeweiligen Ergänzungsmoduls ist derart ausgelegt ist, dass bei definierten zweiten Ladebedingungen, vorzugsweise bei von den mitteleuropäischen Umweltbedingungen fürs Laden abweichenden Umweltbedingungen, ebenfalls die definierte Lebensdauer des On-Board-Ladegeräts gewährleistet ist. Diese Weiterbildung des On-Board-Ladegeräts erlaubt eine besonders kostengünstige und auf den jeweiligen Belastungsfall zielgerecht ausgelegte Bereitstellung eines On-Board-Ladegeräts.
Das oder das jeweilige Ergänzungsmodul kann abhängig vom Einsatzland des Elektro- oder Hybridfahrzeugs herstellerseitig installiert oder abhängig vom Alterungszustand des On-Board-Ladegeräts werkstattseitig nachrüstbar sein. Beide Varianten sind geeignet, um abhängig vom Belastungsfall des On-Board-Ladegeräts eine definierte Lebensdauer desselben zu gewährleisten.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist das oder das jeweilige Ergänzungsmodul über sein Ergänzungsgehäuse an das Grundgehäuse des On-Board-Ladegeräts vorzugsweise über eine Clipverbindung mechanisch anbindbar, und zwar unter elektrischer Verschaltung der Kondensatoren des oder des jeweiligen Ergänzungsmoduls mit den Kondensatoren des Grundmoduls. Dies erlaubt eine besonders einfache Erweiterung des Grundmoduls des Zwischenkreises des On-Board-Ladegeräts über das oder das jeweilige Ergänzungsmodul.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist das Grundmodul des Zwischenkreises fest in einem Grundgehäuse des On-Board-Ladegeräts verbaut. Das oder das jeweilige Ergänzungsmodul des Zwischenkreises verfügt über ein eigenes Ergänzungsgehäuse. Dies erlaubt eine besonders einfache Erweiterung des Grundmoduls des Zwischenkreises des On-Board-Ladegeräts über das oder das jeweilige Ergänzungsmodul.
Vorzugsweise weist das Ergänzungsgehäuse des oder des jeweiligen Ergänzungsmoduls für jeden Kondensator desselben eine Aufnahmetasche zur individuellen Halterung auf. In die jeweilige Aufnahmetasche ist vorzugsweise eine mit einem Wärmleitmedium gefüllte Nut eingebracht.
Über die Aufnahmetaschen des Ergänzungsmoduls können die Kondensatoren desselben vibrationsarm im Ergänzungsgehäuse des oder des jeweiligen Ergänzungsmoduls aufgenommen werden.
Durch die mit Wärmeleitmedium gefüllte Nut kann Wärme optimal von den Kondensatoren des oder des jeweiligen Ergänzungsmoduls abgeführt werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine stark schematisierte Ansicht eines erfindungsgemäßen On-Board-Ladegeräts eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs;
2 ein Detail der 1;
3 ein weiteres Detail der 1.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein On-Board-Ladegerät eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs.
Mit einem solchen im Elektrofahrzeug oder im Hybridfahrzeug fest verbauten On-Board-Ladegerät kann eine Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs oder des Hybridfahrzeugs durch Anschluss des Elektrofahrzeugs oder des Hybridfahrzeugs an eine Wechselspannungsversorgung geladen werden.
Das On-Board-Ladegerät wandelt dabei die Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung in eine Gleichspannung zum Laden der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs oder des Hybridfahrzeugs.
1 zeigt stark schematisiert ein On-Board-Ladegerät 10 eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs zusammen mit einer Traktionsbatterie 11 und einer Wechselspannungsversorgung 12. Das On-Board-Ladegerät 10 ist über ein Ladekabel 13 an die Wechselspannungsversorgung 12 angeschlossen. Die Wechselspannungsversorgung 12 stellt Wechselspannung bereit, die zum Laden der Traktionsbatterie 11 vom On-Board-Ladegerät 10 in Gleichspannung gewandelt wird.
Das On-Board-Ladegerät 10 verfügt über eine Leistungsfaktorkorrektur 14. Die Leistungsfaktorkorrektur 14 wird auch als PFC (Power Faction Control) bezeichnet, wobei zwischen die Leistungsfaktorkorrektur 14 und die Wechselspannungsversorgung 12 ein Wechselspannungsfilter 15 geschaltet ist.
Die Leistungsfaktorkorrektur 14 empfängt vom Wechselspannungsfilter 15 gefilterte Gleichspannung der Wechselspannungsversorgung 12 und richtet dasselbe gleich.
Das On-Board-Ladegerät verfügt weiterhin über einen Zwischenkreis 16, der auch als ZWK bezeichnet wird. Der Zwischenkreis 16 umfasst mehrere Kondensatoren 17, die parallelgeschaltet und/oder reihengeschaltet sein können, wobei der Zwischenkreis 16 elektrische Energie, die von der Leistungsfaktorkorrektur 14 aus der Wechselspannungsversorgung 12 entnommen wird, zwischenspeichert.
Das On-Board-Ladegerät 10 verfügt weiterhin über einen Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler 18, eine galvanische Trennung 19, einen Gleichrichter 20 und einen Gleichspannungsfilter 21.
Über diese Komponenten 18, 19, 20 und 21 wird die im Zwischenkreis 19 zwischengespeicherte elektrische Energie letztendlich der Traktionsbatterie 11 für den Ladevorgang derselben bereitgestellt.
Beim erfindungsgemäßen On-Board-Ladegerät 10 verfügt der Zwischenkreis 16 über ein Grundmodul 16a, wobei das Grundmodul 16a eine erste Anzahl von parallelgeschalteten und/oder reihengeschalteten Kondensatoren 17 umfasst.
Das Grundmodul 16a des Zwischenkreises 16 ist über mindestens ein Ergänzungsmodul 16b, welches eine zweite Anzahl von parallelgeschalteten und/oder reihengeschalteten Kondensatoren 17 aufweist, erweiterbar.
Die Anzahl der Kondensatoren 17 des Grundmoduls 16a des Zwischenkreises 16 ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass bei definierten ersten Ladebedingungen, zum Beispiel beim Laden unter mitteleuropäischen Umgebungsbedingungen, eine definierte Lebensdauer des On-Board-Ladegeräts 10 gewährleistet ist.
Die Anzahl der Kondensatoren 17 des oder jedes Ergänzungsmoduls 16b des Zwischenkreises 16 ist derart ausgelegt, dass bei definierten zweiten Ladebedingungen, die von den ersten Ladebedingungen abweichen, so zum Beispiel bei Umgebungsbedingungen eines Wüstenstaats, ebenfalls die definierte Lebensdauer des On-Board-Ladegeräts 10 gewährleistet ist.
Hiermit ist es möglich, ein On-Board-Ladegerät 10, nämlich den Zwischenkreis 16 desselben, gezielt auf das Einsatzgebiet des Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs auszulegen und so dasselbe nicht für alle Kraftfahrzeuge auf Worst-Case-Ladebedingungen auslegen zu müssen.
Das Grundmodul 16a des Zwischenkreises 16 ist in einem Grundgehäuse 22 des On-Board-Ladegeräts fest verbaut.
Das oder das jeweilige Ergänzungsmodul 16b verfügt über ein eigenes Ergänzungsgehäuse 23.
Das oder das jeweilige Ergänzungsmodul 16b ist über sein Ergänzungsgehäuse 23 an das Grundgehäuse 22 des On-Board-Ladegeräts 10 mechanisch anbindbar, insbesondere über eine nicht gezeigte Clipverbindung. Hierbei wird dann vorzugsweise gleichzeitig eine elektrische Verschaltung der Kondensatoren 17 des oder des jeweiligen Ergänzungsmoduls 16b mit den Kondensatoren 17 des Grundmoduls 16a des Zwischenkreises 16 gewährleistet.
Die Kondensatoren 16 des oder des jeweiligen Ergänzungsmoduls 16b sind dann mit den Kondensatoren 17 des Grundmoduls 16a parallelverschaltet und/oder seriell in Reihe verschaltet.
Das oder das jeweilige Ergänzungsmodul 16b, welches der bedarfsgerechten Erweiterung des Grundmoduls 16a des Zwischenkreises 16 dient, kann abhängig vom Einsatzland bzw. Auslieferungsland des Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs herstellerseitig bei der Produktion vorinstalliert werden, andererseits ist es auch möglich, das Ergänzungsmodul 16b abhängig vom Alterungszustand des On-Board-Ladegeräts 10 werkstattseitig nachzurüsten.
Das Ergänzungsgehäuse 23 des oder des jeweiligen Ergänzungsmoduls 16b des Zwischenkreises 16 weist für jeden Kondensator 17 vorzugsweise eine Aufnahmetasche 24 auf, um den jeweiligen Kondensator 17 sicher im Ergänzungsmodul 16b zu halten und so vor unerwünschten Vibrationen zu schützen.
Im Bodenbereich jeder Aufnahme 24 ist dabei vorzugsweise eine Nut 25 ausgebildet, die mit einem Wärmeleitmedium 26 gefüllt ist, um von den Kondensatoren 17 des oder des jeweiligen Ergänzungsmoduls 16b im Bedarfsfall Wärme ableiten zu können.
Dabei ist in 3 die mit Wärmeleitmedium gefüllte Nut 25 mäanderförmig konturiert. Dieselbe kann jedoch auch spiralförmig oder dergleichen ausgeführt sein.

Claims

On-Board-Ladegerät (10) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs zum Laden einer Traktionsbatterie (11) des Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit Gleichspannung durch Anschluss desselben an eine Wechselspannungsversorgung (12), mit einer Leistungsfaktorkorrektur (14), die eine elektrische Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (12) gleichrichtet, mit einem Zwischenkreis (16), der die gleichgerichtete elektrische Spannung von der Leistungsfaktorkorrektur (14) empfängt und in mehreren parallelgeschalteten und/oder reihengeschalteten Kondensatoren (17) elektrische Energie zwischenspeichert, mit einem Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler (18), der elektrische Energie aus dem Zwischenkreis (16) entnimmt und dieselbe zum Laden der Traktionsbatterie (11) unter Zwischenschaltung einer galvanischen Trennung (19) der Traktionsbatterie (11) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreis (16) ein Grundmodul (16a) mit einer ersten Anzahl von parallelgeschalteten und/oder reihengeschalteten Kondensatoren (17) umfasst, das Grundmodul (16a) des Zwischenkreises (16) über mindestens ein Ergänzungsmodul (16b) mit einer zweiten Anzahl von parallelgeschalteten und/oder reihengeschalteten Kondensatoren (17) erweiterbar ist.
On-Board-Ladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmodul (16a) fest in einem Grundgehäuse (22) des On-Board-Ladegeräts verbaut ist, das oder das jeweilige Ergänzungsmodul (16b) über ein eigenes Ergänzungsgehäuse (23) verfügt.
On-Board-Ladegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oder das jeweilige Ergänzungsmodul (16b) über sein Ergänzungsgehäuse (23) an das Grundgehäuse (22) des On-Board-Ladegeräts (10) vorzugsweise über eine Clipverbindung mechanisch anbindbar ist, und zwar unter elektrischer Verschaltung der Kondensatoren (17) des oder des jeweiligen Ergänzungsmoduls (16b) mit den Kondensatoren (17) des Grundmoduls (16a).
On-Board-Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren (17) des oder des jeweiligen Ergänzungsmoduls (16b) mit den Kondensatoren (17) des Grundmoduls (16a) parallel und/oder seriell verschaltbar sind.
On-Board-Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kondensatoren (17) des Grundmoduls (16a) derart ausgelegt ist, dass bei definierten ersten Ladebedingungen eine definierte Lebensdauer des On-Board-Ladegeräts gewährleistet ist; die Anzahl der Kondensatoren (17) des oder des jeweiligen Ergänzungsmoduls (16b) derart ausgelegt ist, dass bei definierten zweiten Ladebedingungen ebenfalls die definierte Lebensdauer des On-Board-Ladegeräts gewährleistet ist.
On-Board-Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das oder das jeweilige Ergänzungsmodul (16b) abhängig vom Einsatzland des Elektro- oder Hybridfahrzeugs herstellerseitig installiert ist.
On-Board-Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das oder das jeweilige Ergänzungsmodul (16b) abhängig vom Alterungszustand des On-Board-Ladegeräts werkstattseitig nachrüstbar ist.
On-Board-Ladegerät nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ergänzungsgehäuse (23) des oder des jeweiligen Ergänzungsmoduls (16b) für jeden Kondensator (17) desselben eine Aufnahmetasche (24) zur individuellen Halterung aufweist.
On-Board-Ladegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die jeweilige Aufnahmetasche (24) eine mit einem Wärmleitmedium (26) gefüllte Nut (25) eingebracht ist.
On-Board-Ladegerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Nut (25) spiralförmig oder mäanderförmig ausgebildet ist.