DE102019003459A1

DE102019003459A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden einer Hochvoltbatterie eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102019003459A1
Application number: DE102019003459.7A
Authority: DE
Inventors: Urs Boehme; Stefan Seiffert
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2020-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Hochvoltbatterie (2) eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, wobei die Hochvoltbatterie (2) über einen ersten Ladeanschluss (4) mit einer ersten Gleichspannung (U1) versorgt wird. Die erste Gleichspannung (U1) wird in eine gegenüber der ersten Gleichspannung (U2) höhere zweite Gleichspannung (U2) umgewandelt, wobei das Umwandeln durch eine Parallelschaltung eines Gleichspannungswandlers (7) eines Bordnetzes und eines Bordladers (8) des Bordnetzes erfolgt, wodurch die Hochvoltbatterie (2) mit der umgewandelten zweiten Gleichspannung (U2) versorgt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Ladevorrichtung (1) zum Laden einer Hochvoltbatterie (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Hochvoltbatterie eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, wobei die Hochvoltbatterie über einen ersten Ladeanschluss mit einer ersten Gleichspannung versorgt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Ladevorrichtung zum Laden einer Hochvoltbatterie, mit einem Gleichspannungsanschluss zum Verbinden der Ladevorrichtung mit einem ersten externen Ladeanschluss.
Mit einem Wechselspannungsanschluss ist die Ladevorrichtung mit einem zweiten externen Ladeanschluss verbindbar und mit einem Gleichspannungswandler ist eine erste Gleichspannung des ersten Ladeanschlusses in eine zweite Gleichspannung, mit welcher die Hochvoltbatterie versorgbar ist, umwandelbar. Mit einem Bordlader ist eine Wechselspannung des zweiten Ladeanschlusses in die zweite Gleichspannung umwandelbar.
Die Druckschrift DE 10 2017 004 467 A1 betrifft ein Verfahren zum Zuführen von elektrischer Energie von einer fahrzeugexternen elektrischen Ladestation zu einem elektrischen Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, welches eine elektrische Bordnetzspannung bereitstellt. Die Ladestation wird an einer mit dem Bordnetz elektrisch gekoppelten Ladesteckverbinder angeschlossen, der für einen Betrieb bei einer elektrischen Bemessungsspannung ausgebildet ist, die größer als die Bordnetzspannung ist. Die Ladestation stellt eine elektrische Spannung bereit, die der Bemessungsspannung entspricht und der Ladesteckverbinder mit dem Bordnetz mittels eines Spannungswandlers gekoppelt wird.
Die Druckschrift DE 10 2015 101 187 A1 stellt einen Hochvolt-Lade-Booster zum Laden einer Gleichstrom-Traktionsbatterie an einer Gleichstrom-Ladesäule mit den folgenden Merkmalen bereit: einen Konverter zum Transformieren der ersten Spannungslage in die zweite Spannungslage, wenn die erste Spannungslage von der zweiten Spannungslage abweicht, und einen Bypass zum Überbrücken des Konverters beziehungsweise Durchschalten einer Leistungsstufe, wenn die erste Spannungslage mit der zweiten Spannungslage übereinstimmt.
Dabei ergibt sich ein Nachteil, dass ein Gleichspannungswandler für einen elektrischen Ladevorgang eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs eine Ladeleistung des elektrischen Ladevorgangs einschränkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Ladevorrichtung bereitzustellen, mit welchen eine Dimensionierung eines Gleichspannungswandlers, bezüglich seiner Leistung, minimiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Ladevorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Hochvoltbatterie eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, wobei die Hochvoltbatterie über einen ersten Ladeanschluss mit einer ersten Gleichspannung versorgt wird. Die erste Gleichspannung wird in eine gegenüber der ersten Gleichspannung höhere zweite Gleichspannung umgewandelt, wobei das Umwandeln durch eine Parallelschaltung eines Gleichspannungswandlers eines Bordnetzes und eines Bordladers des Bordnetzes erfolgt, wodurch die Hochvoltbatterie mit der umgewandelten zweiten Gleichspannung versorgt wird. Insbesondere wird die zweite umgewandelte Gleichspannung dann benötigt, wenn eine Batteriespannung der Hochvoltbatterie des elektrisch betreibbaren Fahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs vollständig oder teilweise oberhalb der maximalen Ausgangsspannung des ersten Ladeanschlusses liegt. Dadurch kann die im Vergleich zur Batteriespannung kleinere Ausgangsspannung des Ladeanschlusses (beispielsweise einer DC-Ladesäule) in die zweite Gleichspannung umgewandelt werden, welche gleich oder größer der Batteriespannung ist. Dadurch kann die Hochvoltbatterie des elektrisch betreibbaren Fahrzeugs geladen werden. Durch die Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers und des Bordladers kann insbesondere eine Reduzierung der Leistung des Gleichspannungswandlers erreicht werden. Insbesondere kann der Gleichspannungswandler um die Leistung des Bordladers reduziert werden. Dadurch können insbesondere Kosten, Bauraum und Gewicht einer Ladevorrichtung in einem elektrisch betreibbaren Fahrzeug eingespart werden. Durch Aufteilung der Leistung, insbesondere der Ladeleistung, eines elektrischen Ladevorgangs des elektrisch betreibbaren Fahrzeugs kann erreicht werden, dass eine DC-Ladeleistung für das elektrisch betreibbare Fahrzeug nicht durch den Gleichspannungswandler beeinflusst beziehungsweise eingeschränkt wird. Insbesondere kann bei einem bidirektionalen Gleichspannungsladen sowohl über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler und/oder einen bidirektionalen Bordlader Energie in das Stromnetz zurückgespeist werden.
Bei dem ersten Ladeanschluss kann es sich insbesondere um eine Gleichspannungsladesäule handeln. Beispielsweise kann mit der ersten Gleichspannung eine Gleichspannung von 400 Volt bereitgestellt werden und mit Hilfe der Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers und des Bordladers können diese 400 Volt in beispielsweise 800 Volt DC umgewandelt werden, und diese der Hochvoltbatterie bereitgestellt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden einer Hochvoltbatterie mit einem Gleichspannungsanschluss zum Verbinden der Ladevorrichtung mit einem externen Ladeanschluss. Die Ladevorrichtung umfasst einen Wechselspannungsanschluss zum Verbinden der Ladevorrichtung mit einem zweiten externen Ladeanschluss und einem Gleichspannungswandler zum Umwandeln einer ersten Gleichspannung des ersten Ladeanschlusses in eine zweite Gleichspannung, mit welcher die Hochvoltbatterie versorgbar ist. Ebenfalls umfasst die Ladevorrichtung einen Bordlader zum Umwandeln einer Wechselspannung des zweiten Ladeanschlusses in die zweite Gleichspannung, wobei durch eine Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers und des Bordladers die erste Gleichspannung in die gegenüber der ersten Gleichspannung höhere zweite Gleichspannung umwandelbar ist. Bei der Ladevorrichtung handelt es sich insbesondere um eine Ladeeinheit eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, mit welcher eine Hochvoltbatterie des elektrisch betreibbaren Fahrzeugs geladen werden kann. Insbesondere kann durch die Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers und des Bordladers eine geringere Gleichspannung des ersten externen Ladeanschlusses gegenüber einer Batteriespannung der Hochvoltbatterie in die zweite Gleichspannung umgewandelt werden. Durch Verwendung der Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers und des Bordladers kann insbesondere die Leistung des Gleichspannungswandlers reduziert werden, insbesondere um die Leistung des Bordladers. Dadurch können insbesondere Einsparungen hinsichtlich Kosten, Bauraum und Gewicht für die Ladevorrichtung erreicht werden. Insbesondere kann durch die Minimierung der Leistung des Gleichspannungswandlers die Lebensdauer des Gleichspannungswandlers und der Ladevorrichtung erreicht werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:

1 eine beispielhafte Anordnung einer Ladevorrichtung; und
2 einen Ladevorgang einer Hochvoltbatterie mit Hilfe einer Parallelschaltung eines Gleichspannungswandlers und eines Bordlader.

In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt eine Ladevorrichtung 1 zum Laden einer Hochvoltbatterie 2. Die Ladevorrichtung 1 umfasst einen Gleichspannungsanschluss 3 zum Verbinden der Ladevorrichtung 1 mit einem ersten externen Ladeanschluss 4. Die Ladevorrichtung 1 umfasst ebenso einen Wechselspannungsanschluss 5 zum Verbinden der Ladevorrichtung 1 mit einem zweiten externen Ladeanschluss 6. Mit Hilfe eines Gleichspannungswandlers 7 kann eine erste Gleichspannung U1 des ersten Ladeanschlusses 4 in eine zweite Gleichspannung U2 umgewandelt werden. Beispielsweise kann mit der zweiten Gleichspannung U2 die Hochvoltbatterie 2 versorgt werden. Mit einem Bordlader 8 kann eine Wechselspannung U_AC des zweiten Ladeanschlusses 6 ebenfalls in die zweite Gleichspannung U2 umgewandelt werden. Beispielsweise kann der Bordlader 8 dazu verwendet werden, um die erste Gleichspannung U1 in die zweite Gleichspannung U2 umzuwandeln.
Beispielsweise kann es sich bei dem ersten externen Ladeanschluss 4 um eine Gleichspannungsladesäule handeln und bei dem zweiten externen Ladeanschluss 6 kann es sich um eine Wechselspannungsladesäule handeln. Beispielsweise kann der Gleichspannungswandler 7 als DC-DC-Wandler ausgebildet sein. Beispielsweise kann mit der ersten Gleichspannung U1 eine Spannung von 400 Volt DC bereitgestellt werden, welche mit Hilfe des Gleichspannungswandlers 7 in die zweite Gleichspannung U2 umgewandelt werden kann. Beispielsweise kann dadurch eine Spannung von 800 Volt DC bereitgestellt werden, mit welcher die Hochvoltbatterie 2 geladen werden kann. Insbesondere kann mit der geladenen Hochvoltbatterie 2 ein Hochvoltbordnetz 9 des elektrisch betreibbaren Fahrzeugs versorgt werden.
Beispielsweise erfolgt ein Ladevorgang der Hochvoltbatterie 2 mit Hilfe der ersten Gleichspannung U1 des ersten externen Ladeanschlusses 4, bei welchem die erste Gleichspannung U1 größer oder gleich einer Batteriespannung U_Batt ist. Hierbei werden die beiden Hauptschütze S1 und S2 der Hochvoltbatterie 2 geschlossen und die beiden Ladeschütze S3 und S4 werden ebenfalls geschlossen für den Ladevorgang. Insbesondere werden die beiden Schütze S5 und S6 geöffnet, da eine Umwandlung der ersten Gleichspannung U1 in die zweite Gleichspannung U2 in diesem Fall nicht von Nöten ist. Mit Hilfe der beiden Schalter S7 und S8 der Umschalteinheit 10 kann eine galvanische Trennung des zweiten externen Ladeanschlusses 6 bei dem Gleichspannungsladevorgang sichergestellt werden. Insbesondere sind dadurch die Wechselspannungsanschlüsse an dem zweiten externen Ladeanschluss 6 spannungsfrei. Dadurch ist wie der Gleichspannungswandler 6 auch der Bordlader 8 in diesem Ladevorgang nicht aktiv.
Sollte zum Laden der Hochvoltbatterie 2 ein Wechselspannungsladevorgang vorgesehen sein, sollte nun der Bordlader 8 aktiviert werden. Insbesondere werden die beiden Hauptschütze S1 und S2 geschlossen und die Ladeschütze S3 und S4 und die beiden Schütze S5 und S6 sind jeweils geöffnet. Die beiden Schalter S7 und S8 der Umschalteinheit 10 werden nun geschlossen, sodass eine elektrische Verbindung zwischen der Ladevorrichtung 1 und des externen zweiten Ladeanschlusses 6 besteht. In diesem Beispiel sind nun die Gleichspannungsanschlüsse am Gleichspannungswandler 7 spannungsfrei. Dies ist insbesondere notwendig, da bei einem galvanisch gekoppelten Gleichspannungswandler 7 sonst die galvanische Isolierung des Wechselspannungsladens durch den Gleichspannungswandler 7 aufgehoben würde. Insbesondere erfolgt in einem ersten Schritt die Umwandlung der Wechselspannung U_AC mit Hilfe eines Wechselrichters 11 des Bordladers 8. Anschließend wird die gleichgerichtete Wechselspannung U_AC in die zweite Gleichspannung U2 mit Hilfe des Bordladers 8 umgewandelt. Somit kann die Hochvoltbatterie 2 über den zweiten externen Ladeanschluss 6 geladen werden.
Sollte das elektrisch betreibbare Fahrzeug in einen Fahrbetrieb übergehen, so werden die Schütze S1 und S2 der Hochvoltbatterie 2 geschlossen und die Schütze S3, S4, S5 und S6 werden geöffnet. Die Schalter S7 und S8 der Umschalteinheit 10 stellen eine Verbindung zum Gleichspannungswandler 7 dar. Insbesondere sind die Wechselspannungsanschlüsse des zweiten Ladeanschlusses 6 galvanisch getrennt von der Hochvoltbatterie 2 und somit spannungsfrei. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass der galvanisch gekoppelte Gleichspannungswandler 7 nicht die galvanische Isolierung des Bordladers 8 stören könnte. Insbesondere sind bei einem Fahrbetrieb der Gleichspannungswandler 7 und der Bordlader 8 in einem inaktiven Zustand. Die Hochvoltbatterie 2 speist nun das Hochvoltbordnetz 9 und weitere Komponenten des elektrisch betreibbaren Fahrzeugs.
Die 2 zeigt die Ladevorrichtung 1, wobei die erste Gleichspannung U1 kleiner als die Batteriespannung U_Batt ist. In diesem Falle kann die erste Gleichspannung U1 durch eine Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers 7 und des Bordladers 8 in die gegenüber der ersten Gleichspannung U1 höhere zweite Gleichspannung U2 umgewandelt werden. Dadurch kann trotz einer geringeren ersten Gleichspannung U1 eine ausreichende zweite Gleichspannung U2 zur Versorgung der Hochvoltbatterie 2 bereitgestellt werden. Durch Parallelschaltung des Gleichwandlers 7 und des Bordladers 8 kann eine Ladeleistung des elektrischen Ladevorgangs der Hochvoltbatterie 2 in diesem Falle auf den Gleichspannungswandler 7 und den Bordlader 8 aufgeteilt werden. Insbesondere kann dadurch die Leistung des Gleichspannungswandlers 7 um die Leistung des Bordladers 8 reduziert werden. Beispielsweise kann anstelle von 50 Kilowatt Leistung des Gleichspannungswandlers nun auf nur 28 Kilowatt Leistung reduziert werden und die anderen 22 Kilowatt werden auf den Bordlader 8 aufgeteilt. Mit Hilfe der möglichen Verschaltungen des Gleichspannungswandlers 7 und des Bordladers 8 können diese unabhängig voneinander galvanisch getrennt oder gekoppelt ausgeführt werden. Insbesondere können der Gleichspannungswandler 7 und/oder der Bordlader 8 unabhängig voneinander galvanisch von der Hochvoltbatterie 2 getrennt oder mit ihr gekoppelt werden.
Insbesondere wird überprüft, ob die erste Gleichspannung U1 größer oder gleich der Batteriespannung U_Batt der Hochvoltbatterie 2 ist und falls nicht, wird die erste Gleichspannung U1 mit Hilfe der Parallelschaltung in die zweite Gleichspannung U2 umgewandelt.
Insbesondere wird mit der Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers 7 und des Bordladers 8 ein Aufwärtswandler (Boostwandler) gebildet.
Insbesondere sind bei diesem Fall die Hauptschütze S1 und S2 der Hochvoltbatterie 2 geschlossen und die Ladeschütze S5 und S6 sind geschlossen, sodass die Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers 7 und des Bordladers 8 gebildet ist. Die beiden Ladeschütze S3 und S4 sind in diesem Fall geöffnet. Die Schalter S7 und S8 der Umschalteinheit 10 werden geschlossen, sodass die erste Gleichspannung U1 nicht nur dem Gleichspannungswandlers 7, sondern auch dem Bordlader 8 bereitgestellt werden kann. Insbesondere ist durch die geschlossenen Schalter S7 und S8 der Wechselspannungsanschluss 5 spannungsfrei. Durch Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers 7 und des Bordladers 8 erfolgt die Umwandlung der ersten Gleichspannung U1 des ersten externen Ladeanschlusses 4 in die zweite Gleichspannung U2, welche zum Laden der Hochvoltbatterie 2 genutzt werden kann. Insbesondere wird die Ladeleistung auf den Gleichspannungswandler 7 und den Bordlader 8 aufgeteilt.
Bezugszeichenliste

1: Ladevorrichtung
2: Hochvoltbatterie
3: Gleichspannungsanschluss
4: erster Ladeanschluss
5: Wechselspannungsanschluss
6: zweiter Ladeanschluss
7: Gleichspanungswandler
8: Bordlader
9: Hochvoltbordnetz
10: Umschalteinheit
11: Wechselrichter
S1, S2: Hauptschütze
S3, S4: Ladeschütze
S5, S6: Schütze
S7, S8: Schalter
U_AC: Wechselspannung
U_Batt: Batteriespannung
U1: erste Gleichspannung
U2: zweite Gleichspannung

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 102017004467 A1 [0002]
DE 102015101187 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Laden einer Hochvoltbatterie (2) eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, wobei - die Hochvoltbatterie (2) über einen ersten Ladeanschluss (4) mit einer ersten Gleichspannung (U1) versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass, - die erste Gleichspannung (U1) in eine gegenüber der ersten Gleichspannung (U2) höhere zweite Gleichspannung (U2) umgewandelt wird, wobei - das Umwandeln durch eine Parallelschaltung eines Gleichspannungswandlers (7) eines Bordnetzes und eines Bordladers (8) des Bordnetzes erfolgt, wodurch die Hochvoltbatterie (2) mit der umgewandelten zweiten Gleichspannung (U2) versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass überprüft wird, ob die erste Gleichspannung (U1) größer oder gleich einer Batteriespannung (U_Batt) der Hochvoltbatterie (2) ist und falls nicht, wird die erste Gleichspannung (U1) in die zweiten Gleichspannung (U2) umgewandelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers (7) und des Bordladers (8) ein Aufwärtswandler gebildet wird.
Verfahren einer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers (7) und des Bordladers (8) eine Ladeleistung eines Ladevorgangs der Hochvoltbatterie (2) auf den Gleichspannungswandlers (7) und den Bordladers (8) aufgeteilt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (7) und/oder der Bordlader (8) unabhängig voneinander galvanisch von der Hochvoltbatterie (2) getrennt oder mit ihr gekoppelt werden.
Ladevorrichtung (1) zum Laden einer Hochvoltbatterie (2), mit - einem Gleichspannungsanschluss (3) zum Verbinden der Ladevorrichtung (1) mit einem ersten externen Ladeanschluss (4), - einem Wechselspannungsanschluss (5) zum Verbinden der Ladevorrichtung (1) mit einem zweiten externen Ladeanschluss (6), - einem Gleichspannungswandler (7) zum Umwandeln einer ersten Gleichspannung (U1) des ersten Ladeanschlusses (4) in eine zweite Gleichspannung (U2), mit welcher die Hochvoltbatterie (2) versorgbar ist, - einem Bordlader (8) zum Umwandeln einer Wechselspannung (U_AC) des zweiten Ladeanschlusses (6) oder der ersten Gleichspannung (U1) in die zweite Gleichspannung (U2), dadurch gekennzeichnet dass, - durch eine Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers (7) und des Bordladers (8) die erste Gleichspannung (U1) in die gegenüber der ersten Gleichspannung (U1) höhere zweite Gleichspannung (U2) umwandelbar ist.