DE102018217295A1 - Ladekabel für bidirektionales Laden mit Wechselstrom - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ladekabel für ein Elektrofahrzeug, welches bidirektionales Laden eines Hochvoltspeichers des Elektrofahrzeugs mit Wechselstrom ermöglicht, sowie ein Verfahren zum bidirektionalen Energietransfer.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Ladekabel für ein Elektrofahrzeug, welches bidirektionales Laden eines Hochvoltspeichers des Elektrofahrzeugs mit Wechselstrom ermöglicht, sowie ein Verfahren zum bidirektionalen Energietransfer.
  • Aktuelle Elektrofahrzeuge (BEVs) und Hybridfahrzeuge (PHEV, HEV, etc.) verfügen über zwei Möglichkeiten, den elektrischen Hochvoltspeicher zu laden. 1. Die DC-Ladefunktion - hier wird der elektrische Hochvoltspeicher direkt mit einer Gleichspannung geladen. 2. Die AC-Ladefunktion - hier wird der elektrische Hochvoltspeicher über eine Wechselspannung (230V/400V) geladen. Diese Funktionalität erfordert jedoch ein Hochvolt-Ladegerät im Fahrzeug, den sogenannten On-Board Charger (OBC), welcher die Wechselspannung galvanisch getrennt in eine Gleichspannung wandelt und damit den elektrischen Hochvoltspeicher lädt.
  • Um die Funktionalität AC-Laden bereitzustellen, muss in jedes Elektrofahrzeug (BEV) oder Hybridfahrzeug (PHEV, HEV, etc.) ein Hochvolt-Ladegerät (OBC) eingebaut werden. Dadurch erhöht sich das Fahrzeuggewicht. Beispielsweise wiegt ein Ladegerät mit einer Leistung von 11 kW etwa 10 kg. Durch das erforderliche komplexe Hochvolt-Steuergerät erhöhen sich Fehleranfälligkeit und Komplexität des Systems sowie die Herstellkosten des Gesamtfahrzeugs. Auch ist der Aufwand für die Entwicklung der Leistungselektronik erhöht.
  • Für zukünftige Elektrofahrzeuge (BEV) sowie Hybridfahrzeuge soll es jedoch weiterhin die Möglichkeit des wahlweisen Wechselstrom- oder Gleichstrom-Ladens geben. Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche es ermöglicht, einen elektrischen Hochvoltspeicher eines Fahrzeugs wahlweise mit Wechselstrom oder Gleichstrom zu laden.
  • Aus der DE 10 2016 216 565 A1 ist ein Ladekabel zum Laden eines Energiespeichers eines Fahrzeugs bekannt. Das Ladekabel umfasst eine Netz-seitige Schnittstelle zur Kontaktierung einer Netz-Schnittstelle und eine Netz-seitige Leistungselektronik mit einem Gleichrichter, welcher die Netzspannung in eine Leiterspannung wandelt, die höher ist als die Netzspannung, einen Leiter zur Übertragung von elektrischer Ladeleistung mit der Leiterspannung, und Fahrzeug-seitige Leistungselektronik mit einem Gleichstrom-Wandler, der die Leiterspannung in eine Fahrzeugspannung wandelt, die niedriger ist als die Leiterspannung; sowie eine Fahrzeug-seitige Schnittstelle zur Kontaktierung einer Lade-Schnittstelle des Fahrzeugs.
  • Die DE 10 2009 045 639 A1 betrifft eine elektrische Verbindungsvorrichtung für ein Hybrid- und Elektrofahrzeug sowie ein zugehöriges Ladeverfahren. Die elektrische Verbindungsvorrichtung dient zur Verbindung eines feststehenden Netzanschlusses und eines Ladeanschlusses des Hybrid- und Elektrofahrzeugs und weist einen Gleichrichter auf. Die elektrische Verbindungsvorrichtung weist mindestens ein Ladekabel sowie eine Kabeltrommel auf, die das Ladekabel und den Gleichrichter aufnimmt.
  • Die US 2015/258902 A1 offenbart ein tragbares bidirektionales Multiport-AC/DC-Ladekabelsystem. Das System umfasst ein Leistungsmodul, in dem sich ein Gleichrichter befindet, sowie ein Eingangskabel für Wechselstrom und ein Ausgangskabel für Gleichstrom.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Ladekabel mit einem in einen DC-Combostecker integrierten bidirektionalen AC/DC-Wandler bereitgestellt. Eine erforderliche Leistungselektronik ist ausschließlich in den DC-Combo-Stecker integriert, im AC Stecker ist keine Elektronik vorgesehen.
  • Das Ladekabel erlaubt es, einen Hochvolt-Energiespeicher eines Fahrzeugs, das nur eine DC-Ladeschnittstelle aufweist, über eine Wechselstromquelle zu laden. Zukünftige Elektrofahrzeuge können somit ausschließlich mit einer DC-Ladeschnittstelle ausgestattet werden. In einem solchen Elektrofahrzeug muss keine Wechselspannung mehr umgewandelt werden und der On-Board Charger kann entfallen. Die Funktionen des On-Board-Chargers werden von einer Leistungselektronik bereitgestellt, die in den DC-Combostecker des Ladekabels integriert ist. Das erfindungsgemäße Ladekabel stellt zudem die Möglichkeit einer bidirektionalen Energieübertragung zwischen Fahrzeug und Wechselstromquelle zur Verfügung.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Ladekabel für einen bidirektionalen Energietransfer zwischen einer Wechselstromquelle und mindestens einer Hochvolt-Batterie eines Kraftfahrzeugs, welches eine wechselstromseitige Schnittstelle zum Anschluss an eine Wechselstromquelle und eine gleichstromseitige Schnittstelle zum Anschluss an eine Ladeschnittstelle des Kraftfahrzeugs aufweist. Erfindungsgemäß ist die gleichstromseitige Schnittstelle als Typ-2-Fahrzeugkupplung oder Combo-2-Fahrzeugkupplung nach IEC 62196 ausgeführt. Die Fahrzeugkupplung enthält einen bidirektionalen Wandler, welcher dafür eingerichtet ist, wahlweise einen Ladestrom aus der Wechselstromquelle in Gleichstrom umzuwandeln oder einen Ladestrom aus der mindestens einen Hochvolt-Batterie des Kraftfahrzeugs in Wechselstrom umzuwandeln. In einer Ausführungsform des Ladekabels umfasst der bidirektionale Wandler eine Leistungsfaktorkorrektur („Power Factor Correction“, PFC).
  • In einer Ausführungsform des Ladekabels enthält die gleichstromseitige Schnittstelle einen Gleichstromwandler, der zwischen dem bidirektionalen Wandler und der Ladeschnittstelle des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. In einer Ausführungsform umfasst der Gleichstromwandler eine galvanische Trennung.
  • In einer Ausführungsform des Ladekabels weist die gleichstromseitige Schnittstelle an ihrem elektrischen Eingang und/oder ihrem elektrischen Ausgang Tiefpassfilter auf. Die Tiefpassfilter fungieren als Eingangs- bzw. Ausgangsfilter, um hochfrequente Störsignale aus dem Ladestrom auszufi ltern.
  • In einer speziellen Ausführungsform des Ladekabels weist die wechselstromseitige Schnittstelle Anschlüsse für dreiphasigen Wechselstrom auf (N, L1, L2, L3). Anschlüsse für einen Neutralleiter (N) und eine der Phasen (L1) sind mit dem bidirektionalen Wandler verbunden, wogegen Anschlüsse für die beiden anderen Phasen (L2, L3) zu entsprechenden Anschlüssen der gleichstromseitigen Schnittstelle durchgeschleift sind, die dafür eingerichtet sind, mit einem im Kraftfahrzeug eingebauten Ladegerät (OBC) verbunden zu werden.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ermöglicht diese Variante des Ladekabels bei einem Fahrzeug ohne On-Board Charger eine Ladeleistung von maximal 3,6 kW. Bei einem Fahrzeug mit On-Board Charger kommen zusätzlich 7,2 kW Ladeleistung hinzu, wodurch sich eine Gesamtladeleistung von 11 kW ergibt.
  • Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Ladekabels gehört eine Verringerung des Fahrzeuggewichts durch Entfall des OBC. Damit verbunden sind eine Verringerung der Herstellkosten und des Entwicklungsaufwands für das Fahrzeug. Außerdem ergibt sich eine Verringerung der Komplexität und Fehleranfälligkeit der Ladeschnittstelle des Fahrzeugs. Es kann auf eine AC-Ladedose am Fahrzeug verzichtet werden und es wird eine Möglichkeit zum bidirektionalen Energietransfer zwischen einer Wechselstromquelle und einem Hochvolt-Energiespeicher des Fahrzeugs bereitgestellt.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum bidirektionalen Energietransfer zwischen einer Wechselstromquelle und mindestens einer Hochvolt-Batterie eines Kraftfahrzeugs, bei dem die Wechselstromquelle und die mindestens eine Hochvolt-Batterie des Kraftfahrzeugs über ein erfindungsgemäßes Ladekabel miteinander verbunden werden und wahlweise ein Stromfluss von der Wechselstromquelle zu der mindestens einen Hochvolt-Batterie oder von der mindestens einen Hochvolt-Batterie zu der Wechselstromquelle bewirkt wird.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens steuert eine Steuereinheit den bidirektionalen Wandler des Ladekabels so an, dass er wahlweise als Gleichrichter oder als Inverter arbeitet. Arbeitet der bidirektionale Wandler als Gleichrichter, so wird die mindestens eine Hochvolt-Batterie des Kraftfahrzeugs von der Wechselstromquelle geladen; arbeitet der bidirektionale Wandler als Inverter, so wird Energie aus der mindestens einen Hochvolt-Batterie des Kraftfahrzeugs der Wechselstromquelle zugeführt. Dadurch kann beispielsweise ein Stromnetz bei Auftreten von Spitzenlasten stabilisiert werden.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Steuereinheit mit dem Batteriemanagementsystem (BMS) der mindestens einen Hochvolt-Batterie verbunden und schaltet in Abhängigkeit von dem Ladezustand (SOC) der mindestens einen Hochvolt-Batterie den bidirektionalen Wandler des Ladekabels in den Gleichrichter-Modus oder den Inverter-Modus. Bei einem niedrigen Ladezustand der mindestens einen Hochvolt-Batterie schaltet das Steuergerät den bidirektionalen Wandler des Ladekabels in den Gleichrichter-Modus, so dass die mindestens eine Hochvolt-Batterie geladen werden kann und ein Energieabfluss aus der mindestens einen Hochvolt-Batterie über das Ladekabel unterbunden wird. Bei einem hohen Ladezustand der mindestens einen Hochvolt-Batterie schaltet das Steuergerät den bidirektionalen Wandler des Ladekabels in den Inverter-Modus, entweder automatisch oder auf Anforderung durch die über das Ladekabel angeschlossene Wechselstromquelle. Die mindestens eine Hochvolt-Batterie kann dann bei Bedarf Energie an die über das Ladekabel angeschlossene Wechselstromquelle transferieren.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens schaltet die Steuereinheit den bidirektionalen Wandler des Ladekabels auf eine Anforderung durch die über das Ladekabel verbundene Wechselstromquelle in den Inverter-Modus, wenn der SOC der mindestens einen Hochvolt-Batterie höher ist als ein vorgegebener Mindestwert. Der Mindestwert wird in der Regel höher sein als 20% der maximalen Kapazität der mindestens einen Hochvolt-Batterie, um eine mögliche Schädigung der mindestens einen Hochvolt-Batterie durch Tiefentladung zu verhindern, und kann beispielsweise 40%, 60%, oder 80% der maximalen Kapazität betragen. Der Mindestwert wird sich daran orientieren, welche Reichweite des Fahrzeugs im elektrischen Fahrbetrieb nach Abtrennung des Ladekabels mindestens zur Verfügung stehen soll.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den beigefügten Zeichnungen illustriert und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung eines mit einer Wechselstromquelle über ein Ladekabel des Standes der Technik verbundenen Fahrzeugs;
    • 2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs und einer mit einer Wechselstromquelle verbundenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladekabels;
    • 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der gleichstromseitigen Schnittstelle des erfindungsgemäßen Ladekabels.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Fahrzeug 20 mit einem eingebauten Hochvolt-Ladegerät (OBC) 22, das über ein Ladekabel 10 des Standes der Technik mit einer Wechselstromquelle 30 verbunden ist. Das Ladekabel 10 weist an beiden Enden Anschlüsse für Wechselstrom auf. Wechselstrom aus der Wechselstromquelle 30 wird durch das Ladekabel 10 dem OBC 22 zugeführt. Der OBC 22 wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom um und lädt damit eine in der Zeichnung nicht dargestellte Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs 20.
  • 2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Fahrzeug 20 mit einer Gleichstrom-Ladebuchse 21. Über die Ladebuchse 21 kann ein Gleichstrom zugeführt werden, um eine in der Zeichnung nicht dargestellte Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs 20 zu laden. Eine Wechselstromquelle 30 ist mit einem erfindungsgemäßen Ladekabel 10 verbunden. Das Ladekabel 10 weist an seinem einen Ende eine wechselstromseitige Schnittstelle 11 zum Anschluss an eine Wechselstromquelle 30 auf. An seinem anderen Ende weist das Ladekabel 10 eine gleichstromseitige Schnittstelle 12 zum Anschluss an eine Ladeschnittstelle 21 eines Fahrzeugs 20 auf.
  • Ist das Ladekabel 10 über die wechselstromseitige Schnittstelle 11 an die Wechselstromquelle 30 und über die gleichstromseitige Schnittstelle 12 mit der Ladebuchse 21 des Fahrzeugs 20 verbunden, so kann die Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs 20 geladen werden, indem Wechselstrom aus der Wechselstromquelle 30 durch das Ladekabel 10 der gleichstromseitigen Schnittstelle 12 zugeführt wird. Ein darin enthaltener bidirektionaler Wandler wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom um und führt ihn der Ladebuchse 21 des Fahrzeugs 20 zu. Umgekehrt kann auch elektrische Energie aus der Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs 20 der Wechselstromquelle 30, die beispielsweise ein Stromnetz sein kann, zugeführt werden. In diesem Fall wandelt der bidirektionale Wandler in der gleichstromseitigen Schnittstelle 12 des Ladekabels 10 den Gleichstrom aus der Hochvolt-Batterie in Wechselstrom um, der über die wechselstromseitige Schnittstelle 11 des Ladekabels 10 der Wechselstromquelle 30 zugeführt wird.
  • 3 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform der gleichstromseitigen Schnittstelle 12 des erfindungsgemäßen Ladekabels 10. Die Schnittstelle 12 enthält einen bidirektionalen Wandler 13, der in der Lage ist, sowohl als Gleichrichter als auch als Inverter zu arbeiten. In der gezeigten Ausführungsform ist zwischen dem bidirektionalen Wandler 13 und den Ausgängen der Schnittstelle 12 in Richtung der Ladebuchse 21 ein Gleichstromwandler 14 mit galvanischer Trennung angeordnet. Am Eingang und Ausgang der Schnittstelle 12 sind Tiefpassfilter 15 als Eingangs- bzw. Ausgangsfilter angeordnet, um hochfrequente Störsignale auszufiltern.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Ladekabel
    11
    Wechselstromseitige Schnittstelle (AC-Stecker)
    12
    Gleichstromseitige Schnittstelle (DC-Fahrzeugkupplung)
    13
    bidirektionaler Wandler
    14
    Gleichstromwandler
    15
    Tiefpassfilter
    20
    Fahrzeug
    21
    Fahrzeugseitige Schnittstelle (Ladebuchse)
    22
    On-Board Charger (OBC)
    30
    Wechselstromquelle
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016216565 A1 [0005]
    • DE 102009045639 A1 [0006]
    • US 2015258902 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Ladekabel (10) für einen bidirektionalen Energietransfer zwischen einer Wechselstromquelle (30) und mindestens einer Hochvolt-Batterie eines Kraftfahrzeugs (20), welches eine wechselstromseitige Schnittstelle (11) zum Anschluss an eine Wechselstromquelle (30) und eine gleichstromseitige Schnittstelle (12) zum Anschluss an eine Ladeschnittstelle (21) des Kraftfahrzeugs (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichstromseitige Schnittstelle (12) als Typ-2-Fahrzeugkupplung oder Combo-2-Fahrzeugkupplung nach IEC 62196 ausgeführt ist, die einen bidirektionalen Wandler (13) enthält, welcher dafür eingerichtet ist, wahlweise einen Ladestrom aus der Wechselstromquelle (30) in Gleichstrom umzuwandeln oder einen Ladestrom aus der mindestens einen Hochvolt-Batterie des Kraftfahrzeugs (20) in Wechselstrom umzuwandeln.
  2. Ladekabel (10) nach Anspruch 1, bei dem der bidirektionale Wandler (13) eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) umfasst.
  3. Ladekabel (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die gleichstromseitige Schnittstelle (12) einen Gleichstromwandler (14) enthält, der zwischen dem bidirektionalen Wandler (13) und der Ladeschnittstelle (21) des Kraftfahrzeugs (20) angeordnet ist.
  4. Ladekabel (10) nach Anspruch 3, bei dem der Gleichstromwandler (14) eine galvanische Trennung umfasst.
  5. Ladekabel (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die gleichstromseitige Schnittstelle (12) an ihrem elektrischen Eingang und/oder ihrem elektrischen Ausgang Tiefpassfilter (15) aufweist.
  6. Ladekabel (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die wechselstromseitige Schnittstelle (11) Anschlüsse für dreiphasigen Wechselstrom aufweist, wobei Anschlüsse für einen Neutralleiter und eine der Phasen mit dem bidirektionalen Wandler (13) verbunden sind und Anschlüsse für die beiden anderen Phasen zu entsprechenden Anschlüssen der gleichstromseitigen Schnittstelle (12) durchgeschleift sind, welche dafür eingerichtet sind, mit einem im Kraftfahrzeug (20) eingebauten Ladegerät (22) verbunden zu werden.
  7. Verfahren zum bidirektionalen Energietransfer zwischen einer Wechselstromquelle (30) und mindestens einer Hochvolt-Batterie eines Kraftfahrzeugs (20), bei dem die Wechselstromquelle (30) und die mindestens eine Hochvolt-Batterie des Kraftfahrzeugs (20) über ein Ladekabel (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche miteinander verbunden werden und wahlweise ein Stromfluss von der Wechselstromquelle (30) zu der mindestens einen Hochvolt-Batterie oder von der mindestens einen Hochvolt-Batterie zu der Wechselstromquelle (30) bewirkt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine Steuereinheit den bidirektionalen Wandler (13) des Ladekabels (10) so ansteuert, dass er wahlweise als Gleichrichter oder als Inverter arbeitet.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Steuereinheit mit dem Batteriemanagementsystem (BMS) der mindestens einen Hochvolt-Batterie verbunden ist und in Abhängigkeit von dem Ladezustand (SOC) der mindestens einen Hochvolt-Batterie den bidirektionalen Wandler (13) des Ladekabels (10) in den Gleichrichter-Modus oder den Inverter-Modus schaltet.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Steuereinheit den bidirektionalen Wandler (13) des Ladekabels (10) auf eine Anforderung durch die über das Ladekabel (10) verbundene Wechselstromquelle (30) in den Inverter-Modus schaltet, wenn der SOC der mindestens einen Hochvolt-Batterie höher ist als ein vorgegebener Mindestwert.
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