DE102018204779A1 - Ladegerät - Google Patents

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Alexander Kern
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Abstract

Ladegerät (11) zum Laden eines sekundären Energiespeichers (2) an einer 1-phasigen, 2-phasigen oder 3-phasigen Wechselstromquelle (1), wobei das Ladegerät ein erstes Lademodul (M1) für eine erste Phase (L1), ein zweites Lademodul (M2) für eine zweite Phase (L2) und ein drittes Lademodul (M3) für eine dritte Phase (L3) umfasst, und wobei das Ladegerät einen ersten Phasenschalter (5) umfasst, durch den das erste Lademodul (M1) mit der ersten Phase (L1) verbindbar und von dieser trennbar ist, das Ladegerät einen zweiten Phasenschalter (6) umfasst, durch den das zweite Lademodul (M2) mit der zweiten Phase (L2) verbindbar und von dieser trennbar ist, das Ladegerät einen dritten Phasenschalter (7) umfasst, durch den das dritte Lademodul (M3) mit der dritten Phase (L3) verbindbar und von dieser trennbar ist, das Ladegerät einen ersten Ausgleichsschalter (8) umfasst, durch den das zweite Lademodul (M2) mit der ersten Phase (L1) verbindbar und von dieser trennbar ist, und das Ladegerät einen zweiten Ausgleichsschalter (9) umfasst, durch den das dritte Lademodul (M3) mit der ersten Phase (L1) verbindbar und von dieser trennbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Ladegerät zum Laden eines sekundären Energiespeichers an einer 1-phasigen, 2-phasigen oder 3-phasigen Wechselstromquelle, wobei das Ladegerät ein erstes Lademodul für eine erste Phase, ein zweites Lademodul für eine zweite Phase und ein drittes Lademodul für eine dritte Phase umfasst.
  • Ladegeräte nach dem Stand der Technik, die zum Laden eines sekundären Energiespeichers an einer 1-phasigen, 2-phasigen oder 3-phasigen Wechselstromquelle geeignet sind, umfassen drei Lademodule, wobei jedes Lademodul einer der maximal 3 Phasen zugeordnet ist. Unter einem Lademodul wird ein AC/DC-Wandler verstanden, der die elektrischen Wechselgrößen Strom und Spannung in regelbare Gleichgrößen von Strom und Spannung wandelt. Beim Laden an einer Quelle mit weniger als drei Phasen, also z.B. an einer Quelle, die nur eine oder zwei Phasen mit elektrischer Leistung belegt, werden nur die den jeweiligen Phasen zugeordneten Lademodule zum Laden genutzt.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Ladegerät zum Laden eines sekundären Energiespeichers an einer 1-phasigen, 2-phasigen oder 3-phasigen Wechselstromquelle, wobei das Ladegerät ein erstes Lademodul für eine erste Phase, ein zweites Lademodul für eine zweite Phase und ein drittes Lademodul für eine dritte Phase umfasst, anzugeben.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Ladegerät gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß umfasst das Ladegerät einen ersten Phasenschalter, durch den das erste Lademodul mit der ersten Phase verbindbar und von dieser trennbar ist, einen zweiten Phasenschalter, durch den das zweite Lademodul mit der zweiten Phase verbindbar und von dieser trennbar ist, einen dritten Phasenschalter, durch den das dritte Lademodul mit der dritten Phase verbindbar und von dieser trennbar ist, einen ersten Ausgleichsschalter, durch den das zweite Lademodul mit der ersten Phase verbindbar und von dieser trennbar ist, und einen zweiten Ausgleichsschalter, durch den das dritte Lademodul mit der ersten Phase verbindbar und von dieser trennbar ist.
  • Dadurch wird erreicht, dass jedes der Lademodule jeweils einer Phase zugeordnet ist, mit dieser Phase mit dem entsprechenden Phasenschalter verbunden werden kann und von dieser getrennt werden kann. Weiterhin wird erreicht, dass jedes der Module unabhängig von den anderen Lademodulen mit der ersten Phase verbunden werden kann. Wird also häufig an einer Quelle mit nur einer Phase geladen, kann wechselweise jedes Modul mit dieser Phase verbunden und von dieser getrennt werden. Somit können die Module gleichmäßig belastet werden. Es wird nicht immer nur das Modul genutzt das nach dem Stand der Technik der ersten Phase zugeordnet ist. Es wird also verhindert, dass häufig nur ein bestimmtes Lademodul des Ladegeräts genutzt wird.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Ladegerät einen dritten Ausgleichsschalter, durch den das dritte Lademodul mit der zweiten Phase verbindbar und von dieser trennbar ist.
  • Somit kann das dritte Lademodul nicht nur mit der ersten Phase, sondern auch mit der zweiten Phase verbunden und von dieser getrennt werden. Damit kann beim Laden an einer Quelle mit zwei Phasen eine beliebige Kombination der drei Lademodule zum Laden genutzt werden. Jede Paarung von Lademodulen ist mit den beiden stromtragenden Phasen verbindbar.
  • Weiterhin wird ein System mit einem solchen Ladegerät vorgeschlagen, das zusätzlich ein Ladefunktionssteuergerät umfasst, wobei das Ladefunktionssteuergerät dazu eingerichtet ist, über einen Steuersignalweg Steuersignale an das Ladegerät zu übermitteln und wobei das Ladegerät dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von den Steuersignalen die Phasenschalter und die Ausgleichsschalter jeweils unabhängig voneinander zu öffnen und zu schließen.
  • Es kann das Ladegerät also jeden der Phasenschalter und jeden der Ausgleichsschalter unabhängig von den anderen Phasenschaltern und von den anderen Ausgleichsschaltern schalten, wobei das Ladefunktionssteuergerät entsprechende Steuersignale an das Ladegerät übermittelt.
  • Nach einer weiteren Variante der Erfindung ist das Ladefunktionssteuergerät dazu eingerichtet, über einen Statussignalweg wiederholt einen Ladeleistungswert von jedem der drei Lademodule zu bestimmten Zeitpunkten zu erfassen, und für jedes der drei Lademodule die Ladeleistungswerte über die Zeit zu integrieren, um einen Gesamtleistungswert zu jeweils jedem der drei Lademodule zu ermitteln.
  • Dies bedeutet, dass das Ladefunktionssteuergerät für jedes der Lademodule einen Gesamtleistungswert ermitteln kann, der sich über die Lebensdauer des Lademoduls kumuliert als das Integral von Betriebsdauer und Ladeleistung des Moduls. Das Integral kann auch als ein Ladeleistungszähler aufgefasst werden, der zu einem bestimmten Zeitpunkt einen bestimmten Wert annimmt. Dieser Wert ist die gesamte Energie, die insgesamt durch das jeweilige Modul geladen wurde. Die Erfassung des Ladeleistungswerts kann mittels Strom- und Spannungssensoren auf der Gleichspannungsseite bewerkstelligt werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ladeleistungswerte mit einem Belastungsfaktor gewichtbar sind, um derart gewichtete Ladeleistungswerte über die Zeit zu integrieren, um einen Gesamtbelastungswert zu jeweils jedem der drei Lademodule zu ermitteln.
  • Der Gesamtbelastungswert stimmt also nicht mit dem Wert für die gesamte geladene Energie überein. Stattdessen wird bei diesem Wert berücksichtigt, dass ein Lademodul ein optimales Betriebsband für die Leistung, mit der das Modul lädt, aufweist. Wird das Modul innerhalb dieses Band betrieben, verschleißt es am wenigsten. Der Belastungsfaktor ist dann gering. Abseits des Bands, d.h. sowohl bei höheren als auch bei niedrigeren Ladeleistungen verschleißt das Modul stärker. Solchen Leistungswerten wird ein umso höherer Belastungsfaktor zugewiesen, je weiter diese von dem optimalen Betriebsband beabstandet sind, und der Leistungswert damit gewichtet. Zur Ermittlung des Gesamtbelastungswerts werden die gewichteten Leistungswerte mit der Betriebsdauer integriert. Je höher der Wert, einer umso größeren Gesamtbelastung war das Modul seit der erstmaligen Inbetriebnahme ausgesetzt.
  • Dies kann vorteilhafterweise für ein Verfahren zum Steuern eines solchen Systems zum Laden eines Hochvoltspeichers an einer 1- oder 2-phasigen Wechselstromquelle genutzt werden, bei dem diese Schritte erfolgen:
    • - Ermittlung der jeweiligen Gesamtleistungswerte oder Gesamtbelastungswerte der drei Lademodule,
    • - Vergleich der Gesamtleistungswerte oder Gesamtbelastungswerte der drei Lademodule,
    • - Erteilung einer Ladefreigabe für das Lademodul mit dem geringsten Gesamtleitungswert oder Gesamtbelastungswert und Übermittlung dieser Ladefreigabe an das Ladegerät,
    • - Erteilung einer Ladefreigabe für das Lademodul mit dem nächst geringeren Gesamtleistungswert oder Gesamtbelastungswert, falls das Laden an einer 2-phasigen Wechselstromquelle erfolgt, und Übermittlung dieser Ladefreigabe an das Ladegerät,
    • - Schalten der Phasenschalter und Ausgleichsschalter derart, dass die Lademodule, für die eine Ladefreigabe erteilt ist, mit einer Phase der Wechselstromquelle verbunden werden und die weiteren Lademodule getrennt werden.
  • Mit dem Verfahren kann also erreicht werden, dass an einer externen Wechselstromquelle, die weniger als drei Phasen aufweist, jene Lademodule bevorzugt zum Laden eingesetzt werden - die anderen Lademodule bleiben getrennt-, die die geringsten Gesamtleistungswerte bzw. Gesamtbelastungswerte aufweisen. Auf diese Weise wird die Lebensdauer des Ladegeräts optimiert, da alle umfassten Module einem homogenen Verschleiß ausgesetzt sind.
  • Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
    Je mehr die Ladedauer von Elektrofahrzeugen an einer Wechselstromquelle verkürzt werden soll, desto mehr muss die Ladeleistung von On-Fahrzeug-Ladegeräten gesteigert werden. Als Lösung können mehrere Lademodule mit einer Nennleistung von jeweils 3,5kW in ein Ladegerät des Fahrzeugs eingebaut werden. Die Nennleistung von 3,5 kW ergibt sich aus der Leistung, die dauerhaft an dem haushaltsüblichen, einphasigen Wechselstromnetz in etwa in Deutschland abgegriffen werden kann. Ein Ladegerät mit zwei Modulen kann über zwei Phasen mit maximal 7kW laden, ein Ladegerät mit drei Modulen mit maximal 11 kW. Das Laden mit 11 kW ist an einem dreiphasigen Wechselstromnetz - beispielsweise dem in Deutschland verbreiteten Drehstromnetz - möglich. Dazu hat das Ladegerät drei Phaseneingänge.
  • Nach dem Stand der Technik kann ein Lademodul als Hauptlademodul betrachtet werden. Falls die fahrzeugexterne Ladeinfrastruktur als eine 1-phasige Wechselstromquelle ausgebildet ist, wird das Ladegerät über den ersten von den drei Phaseneingängen mit elektrischer Leistung gespeist. Innerhalb des Ladegeräts können alle Lademodule auf diese erste Phase geschaltet werden. Für den Fall, dass die maximal mögliche Ladeleitung bei einem solchen 1-phasigen Laden kleiner als 3,5 kW ist (beispielsweise aufgrund von Leistungsbeschränkungen des äußeren Wechselstromnetzes, der eingesetzten Leitungen und Kabel oder des Hochvoltspeichers), ist es ausreichend bzw. sogar vorteilhaft, mit nur einem Lademodul - nämlich dem Hauptlademodul - zu laden. In diesem Fall werden die anderen Lademodule in einen Standby-Modus kommandiert, da das Hauptlademodul in einem optimalen Betriebspunkt laden und damit der gesamte Ladevorgang mit bestmöglicher Ladeeffizienz erfolgen kann.
  • Nachteilig an dieser Lösung ist, dass das Hauptlademodul im Laufe der Zeit umso mehr stärker als die anderen Lademodule belastet wird, je häufiger das Laden an einer 1-phasigen Wechselstromquelle erfolgt. Damit erreicht das Hauptlademodul früher das Ende der Lebensdauer als die anderen Module. Mit dem Ende der Lebensdauer des Hauptlademodul erreicht allerdings auch das Ladegerät das Ende der Lebensdauer, obwohl zwei der drei Lademodule weniger stark belastet sind als das Hauptlademodul und somit noch einsatzfähig wären.
  • Es wird deshalb vorgeschlagen, jeweils einen Belastungszähler für die Lademodule einzuführen, der vom Integral der Ladedauer des Moduls und mit der Ladeleistung abgeleitet wird. Zu beachten ist dabei, dass zwei gleiche Integralwerte unterschiedlich starke Belastung im Sinne einer Lebensdauerverkürzung für das Lademodul darstellen können. Das Laden in einem optimalen Leistungsband kann über einen längeren Zeitraum weniger belastend für das Lademodul sein, als das Laden außerhalb des optimalen Leistungsbands über einen kürzeren Zeitraum. Deshalb wird der Belastungszählerwert geschickt wie folgt generiert: Die Ladeleistungen werden definierten Kategorien zugeordnet. Jede Kategorie entspricht einem Belastungsfaktor, der umso höher ist, je weiter die Ladeleistung von einem optimalen Leistungsband entfernt liegt. Beispielsweise wird eine Ladeleistung außerhalb des optimalen Betriebsbandes über eine lange Ladezeit einer höheren Kategorie zugeordnet als eine Ladeleistung innerhalb des optimalen Betriebsbandes über die gleiche Ladezeit, da der Vorgang in optimalen Leistungsband eine geringere Schädigung verursacht. Der Belastungszähler wiederum skaliert mit dem Integral der mit dem Belastungsfaktor bewerteten Ladeleistung über der jeweiligen Ladedauer. Falls ein Ladvorgang an einer 1-phasigen Wechselstromquelle durchgeführt wird und aufgrund von Leistungsbeschränkungen ein Lademodul allein zum Laden ausreichend ist, wird nur das Lademodul auf die erste Phase geschaltet, das den günstigsten aktuellen Belastungszählerwert aufweist.
  • Durch diese Betriebsstrategie für das Ladegerät werden alle Lademodule gleichmäßig belastet. Damit wird die Lebensdauer des Ladegeräts insgesamt verlängert.
  • Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
    • 1 System zum Laden einer Hochvoltbatterie an einer 1-, 2- oder 3-phasigen Wechselstromquelle mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladegeräts
  • Es zeigt die 1 den Ausschnitt eines Bordnetzes eines Fahrzeugs mit einem elektrifizierten Antriebsstrang. Das Bordnetz umfasst einen Hochvoltspeicher (2), der an einer fahrzeugexternen Wechselstromquelle (1), die auch als Ladestation bezeichnet wird, geladen werden soll. Das Bordnetz des Fahrzeugs umfasst weiterhin ein Ladegerät (11), das mit drei gleichartigen Lademodulen (M1, M2, M3) bestückt ist. Die Steuerung des Ladegeräts wird durch ein Ladefunktionssteuergerät (3) ausgeführt, das bidirektional mit dem Ladegerät über Status- und Steuersignalleitungen (4a, 4b) verbunden ist. In 1 ist also allein die Wechselstromquelle (1) fahrzeugextern, alle weiteren mit Bezugszeichen gekennzeichnete Merkmale bzw. Komponenten sind vom Fahrzeug umfasst.
  • Zum Laden des Hochvoltspeichers wird die Wechselstromquelle konduktiv mit dem Ladegerät über ein Ladekabel verbunden. Das Ladekabel ist durch die durchgezogenen Linien zwischen der Wechselstromquelle und dem Ladegerät dargestellt. Das Ladekabel ist für die Übertragung von 3-phasigem Wechselstrom geeignet. Auch das Ladegerät weist Eingänge für eine erste Phase (L1), für eine zweite Phase (L2) und für eine dritte Phase (L3) der Wechselstromquelle auf. Die Eingänge sind mit jeweils einem Lademodul des Ladegeräts verbunden, d.h. das erste Lademodul (M1) mit der ersten Phase (L1), das zweite Lademodul (M2) mit der zweiten Phase (L2) und das dritte Lademodul (M3) mit der dritten Phase (L3). Jeder der drei Phasen (L1, L2, L3) ist über einen Schalter von dem der jeweiligen Phasen zugeordneten Lademodul trenn- und verbindbar, d.h. das erste Lademodul (M1) über den erste Phasenschalter (5), das zweite Lademodul (M2) über den zweiten Phasenschalter (6) und das dritte Lademodul (M3) über den dritten Phasenschalter (7).
  • Über den ersten Ausgleichsschalter (8) ist das zweite Lademodul mit der ersten Phase (L1) trenn- und verbindbar. Über den zweiten Ausgleichsschalter (9) ist das dritte Lademodul mit der ersten Phase (L1) trenn- und verbindbar. Über den dritten Ausgleichsschalter (10) ist das dritte Lademodul (M3) mit der zweiten Phase (L2) trenn- und verbindbar. Alle Schalter (5, 6, 7, 8, 9, 10) sind von dem Ladefunktionssteuergerät (3) schaltbar. Hierzu sind die Schalter über die Steuersignalleitung (4b) schaltbar.
  • Der Status der Lademodule (M1, M2, M3) wird vom Ladefunktionssteuergerät (3) über die Statussignalleitung (4a) erfasst. Der Status wird durch das Ladefunktionssteuergerät in Form eines Wertes ermittelt, der kumuliert über die Lebensdauer eines jeden Lademoduls für dieses Lademodul fortgeschrieben wird. Der Wert steht für die Belastung des Lademoduls. Dieser Belastungswert ist das über die Lebensdauer des Moduls kumulierte Integral der Ladeleistung über die Dauer, während der das Lademodul lädt, ein. Die Ladeleistung wird dabei in Abhängigkeit von deren Wert zusätzlich mit einem Belastungsfaktor multipliziert.
  • Der Belastungsfaktor liegt bei 1, sofern die Ladeleistung in einem für das Lademodul optimalen Bereich liegt. Der Belastungsfaktor übersteigt den Wert 1, je mehr die Ladeleistung von dem optimalen Bereich abweicht. Das Laden abseits des optimalen Bereichs wirkt auf das Lademodul besonders verschleißend. Je höher also der Belastungswert ist, umso verschleißender wurde das jeweilige Modul bis zu einem bestimmten Zeitpunkt betrieben.
  • Soll zu diesem bestimmten Zeitpunkt 1-phasig über die erste Phase (L1) geladen werden, wird das Lademodul mit dem geringsten Belastungswert vom Ladefunktionssteuergerät kommandiert. Ist dies beispielsweise das Lademodul 3, so werden die Schalter (5, 6, 7, 8) geöffnet. Einzig der zweite Ausgleichsschalter (8) wird geschlossen.
  • Soll zu diesem bestimmten Zeitpunkt 2-phasig über die erste Phase (L1) und über die zweite Phase (L2) geladen werden, werden die beiden Lademodule mit dem geringsten Belastungswerten vom Ladefunktionssteuergerät kommandiert. Sind dies beispielsweise das erste und dritte Lademodul (M1, M3), so werden die Schalter (6, 7, 8, 9) geöffnet. Einzig die der erste Phasenschalter (5) und der dritte Ausgleichsschalter (10) werden geschlossen.
  • Soll zu diesem bestimmten Zeitpunkt 3-phasig über die erste, zweite und dritte Phase (L1, L2, L3) geladen werden, werden alle drei Lademodule vom Ladefunktionssteuergerät kommandiert. Es werden die Schalter (5, 6, 7) geschlossen. Die Schalter (8, 9, 10) werden geöffnet.

Claims (6)

  1. Ladegerät (11) zum Laden eines sekundären Energiespeichers (2) an einer 1-phasigen, 2-phasigen oder 3-phasigen Wechselstromquelle (1), wobei das Ladegerät ein erstes Lademodul (M1) für eine erste Phase (L1), ein zweites Lademodul (M2) für eine zweite Phase (L2) und ein drittes Lademodul (M3) für eine dritte Phase (L3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass - das Ladegerät einen ersten Phasenschalter (5) umfasst, durch den das erste Lademodul (M1) mit der ersten Phase (L1) verbindbar und von dieser trennbar ist, - das Ladegerät einen zweiten Phasenschalter (6) umfasst, durch den das zweite Lademodul (M2) mit der zweiten Phase (L2) verbindbar und von dieser trennbar ist, - das Ladegerät einen dritten Phasenschalter (7) umfasst, durch den das dritte Lademodul (M3) mit der dritten Phase (L3) verbindbar und von dieser trennbar ist, - das Ladegerät einen ersten Ausgleichsschalter (8) umfasst, durch den das zweite Lademodul (M2) mit der ersten Phase (L1) verbindbar und von dieser trennbar ist, und - das Ladegerät einen zweiten Ausgleichsschalter (9) umfasst, durch den das dritte Lademodul (M3) mit der ersten Phase (L1) verbindbar und von dieser trennbar ist.
  2. Ladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - das Ladegerät einen dritten Ausgleichsschalter (10) umfasst, durch den das dritte Lademodul (M3) mit der zweiten Phase (L2) verbindbar und von dieser trennbar ist.
  3. System umfassend ein Ladegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und umfassend ein Ladefunktionssteuergerät (3), wobei das Ladefunktionssteuergerät dazu eingerichtet ist, über einen Steuersignalweg (4b) Steuersignale an das Ladegerät zu übermitteln und das Ladegerät dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von den Steuersignale die Phasenschalter und die Ausgleichsschalter jeweils unabhängig voneinander zu öffnen und zu schließen.
  4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass - das Ladefunktionssteuergerät (3) dazu eingerichtet ist, über einen Statussignalweg (4a) wiederholt eine Ladeleistungswert von jedem der drei Lademodule zu bestimmten Zeitpunkten zu erfassen, und - das Ladefunktionssteuergerät (3) dazu eingerichtet ist, für jedes der drei Lademodule die Ladeleistungswerte über die Zeit zu integrieren, um einen Gesamtleistungswert zu jeweils jedem der drei Lademodule zu ermitteln.
  5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - die Ladeleistungswerte mit einem Belastungsfaktor gewichtbar sind, um derart gewichtete Ladeleistungswerte über die Zeit zu integrieren, um einen Gesamtbelastungswert zu jeweils jedem der drei Lademodule zu ermitteln.
  6. Verfahren zum Steuern eines Systems nach den Ansprüchen 4 oder 5, um einen Hochvoltspeicher (2) mit dem Ladegerät (10) an einer 1- oder 2-phasigen Wechselstromquelle zu laden, mit den Schritten, - Ermittlung der jeweiligen Gesamtleistungswerte oder Gesamtbelastungswerte der drei Lademodule, - Vergleich der Gesamtleistungswerte oder Gesamtbelastungswerte der drei Lademodule, - Erteilung einer Ladefreigabe für das Lademodul mit dem geringsten Gesamtleitungswert oder Gesamtbelastungswert und Übermittlung dieser Ladefreigabe an das Ladegerät, - Erteilung einer Ladefreigabe für das Lademodul mit dem nächst geringeren Gesamtleistungswert oder Gesamtbelastungswert, falls das Laden an einer 2-phasigen Wechselstromquelle erfolgt, und Übermittlung dieser Ladefreigabe an das Ladegerät, - Schalten der Phasenschalter und Ausgleichsschalter derart, dass die Lademodule, für die eine Ladefreigabe erteilt ist, mit einer Phase der Wechselstromquelle verbunden werden und die weiteren Lademodule getrennt werden.
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