DE102019129754A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ladung eines elektrischen Batteriefahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ladung eines (voll)elektrischen Batteriefahrzeuges mit einem Gleichstrom, mit einem an einem mehrphasigen Stromnetz angeschlossenen Gleichrichter, mit einem ladeseitig des Gleichrichters angeordneten und mit demselben gekoppelten Zwischenkreis, der eine Anzahl von Kapazitäten und einen Mittelpunkt aufweist, mit einem ladeseitig des Zwischenkreises angeordneten und mit demselben gekoppelten DC/DC-Konverter zum Anpassen einer Zwischenkreisspannung des Zwischenkreises an eine Ladespannung einer Batterie des Batteriefahrzeuges, wobei der Mittelpunkt des Zwischenkreises mit einem Neutralleiter des mehrphasigen Stromnetzes verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ladung eines (voll)elektrischen Batteriefahrzeuges mit einem Gleichstrom, mit einem an einem mehrphasigen Stromnetz angeschlossenen Gleichrichter, mit einem ladeseitig des Gleichrichters angeordneten und mit demselben gekoppelten Zwischenkreis, der eine Anzahl von Kapazitäten und einen Mittelpunkt aufweist, mit einem ladeseitig des Zwischenkreises angeordneten und mit demselben gekoppelten DC/DC-Konverter zum Anpassen einer Zwischenkreisspannung des Zwischenkreises an eine Ladespannung einer Batterie des Batteriefahrzeuges.
  • Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zur Ladung eines (voll)elektrischen Batteriefahrzeuges mit Gleichstrom, dass ein von einem mehrphasigen Stromnetz bereitgestellter Wechselstrom oder Drehstrom gleichgerichtet wird, wobei ein Mittelpunkt eines kapazitiven Zwischenkreises existiert, und dass eine Batterie des (voll)elektrischen Batteriefahrzeuges mit dem gleichgerichteten Wechselstrom gespeist wird.
  • Zur Förderung des elektromobilen Individualverkehrs gerade durch (voll)elektrische Batteriefahrzeuge (EVs) ist es wichtig, den Wirkungsgrad und das Leistungsverhalten eines elektrischen Antriebsstrangs des (voll)elektrischen Batteriefahrzeuges zu steigern. Insbesondere wird eine Reichweitensteigerung bei gleichzeitiger Fahrzeugkostenreduzierung und verkürzten Ladezeiten an weitläufig verfügbaren Infrastrukturnetzen gewünscht. In diesem Zusammenhang haben Ladegeräte bzw. On-Board-Lader (OBL) eine hervorgehobene Stellung. Solche Ladegeräte nutzen die im öffentlichen und im privaten Raum großflächig vorhandenen Wechselspannungsnetze und wandeln die bereitgestellte Wechselspannung im Fahrzeug in eine Gleichspannung zum Laden der Antriebsbatterie um. Zur Verkürzung der Ladezeiten muss die übertragbare Leistung des Ladegerätes weiter erhöht werden, wozu insbesondere dreiphasig betriebene Ladegeräte in Frage kommen, die auf alle verfügbaren Netzphasen zugreifen. Bisherige Ladegeräte, wie sie beispielsweise aus der US 2017/0279287 A1 bekannt sind, weisen vom Netz in Richtung zu der Batterie einen Filter, einen Gleichrichter, einen Zwischenkreis und einen DC/DC-Konverter zum Anpassen der Zwischenkreisspannung an eine Ladespannung der Batterie auf. Der DC/DC-Konverter weist einen Transformator zur Potentialtrennung auf, mit dem unerwünschte Gleichtaktstörungen verringert werden.
  • Aus der WO 2018/126393 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Ladung eines vollelektrischen Batteriefahrzeuges bekannt, bei der der DC/DC-Konverter im Unterschied zu dem vorgenannten Stand der Technik keine Potentialtrennung aufweist. Die DC/DC-Konverter sind jeweils eingangsseitig an einem gemeinsamen Gleichstromverteilungsbus angeschlossen, der von dem mit dem Netz verbundenen Gleichrichter gespeist wird. Der ausgangsseitig an den Gleichrichter angeordnete Zwischenkreis weist einen Mittelpunktanschluss auf. Diese dort vorgestellte Gleichrichterschaltung (bidirektionaler Dreipunktgleichrichter) stellt ausgangsseitig somit ein zusätzliches Potential zur Verfügung. Es wird nicht nur eine positive Gleichspannung und eine negative Gleichspannung, sondern auch ein Mittelpotential (um Null) bereitgestellt. Vorteilhaft kann der Gleichrichter hierdurch mit höheren Schaltfrequenzen, bzw. mit kleineren und leichteren magnetischen Komponenten betrieben werden. Wünschenswert ist es jedoch zudem, die Gleichtaktstörungen zu reduzieren und dies mit Gleichrichterschaltungen geringerer Komplexität, d.h. mit möglichst geringer Anzahl von ansteuerbaren Schaltelementen zu tun.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ladung eines (voll)elektrischen Batteriefahrzeuges anzugeben, so dass eine relativ hohe elektrische Leistung schnell und mit geringsten Gleichtaktstörungen, d.h. quasi gleichtaktfrei, durch Ladeschaltungen geringer Komplexität zur Ladung einer Batterie bereitgestellt wird.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt des Zwischenkreises mit einem Neutralleiter des mehrphasigen Stromnetzes verbunden ist.
  • Vorteilhaft ermöglicht die Erfindung durch die Verbindung des Mittelpunktes eines Zwischenkreises mit einem Neutralleiter des mehrphasigen Stromnetzes quasi einen „gleichtaktfreien“ Betrieb von Gleichrichter und DC/DC-Konverter des Ladegeräts bei gleichzeitiger Bereitstellung eines relativ hohen Ladestromes. Die nach der Erfindung vorgesehene gleichtaktfreie Modulation ermöglicht einen vereinfachten Aufbau der DC/DC-Konverterschaltung ohne Transformator. Auch die Halbleiterschaltelemente können großteils vereinfacht werden, d.h. in geringerer Sperrspannung (600 V anstatt 1000 V oder 1200 V) ausgeführt werden. Dadurch wird beispielsweise auch die Implementierung des DC/DC-Konverters als GaN-basierten Tiefsetzstufe ermöglicht. Ein zweiter Vorteil besteht darin, dass die netzseitige Filterschaltung nicht vergrößert werden muss, wie es herkömmlich bei Weglassen des Transformators erforderlich wäre. Insbesondere kann die Filterschaltung aufgrund der Gleichtaktfreiheit sogar deutlich kleiner werden als beim herkömmlichen transformatorbasierten Ladegerät. Ein dritter Vorteil ergibt sich dadurch, dass durch Einbringen des Neutralleiters in den Spannungszwischenkreis im Notfall auch ein Laden an einer einphasigen Haushaltssteckdose aufwandsarm ermöglicht wird.
  • Allgemein verhindert die Erfindung Gleichtaktstörspannungen, die ansonsten batterieseitig signifikante (schaltfrequente) Ableitströme verursachen würden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine dreiphasig betriebene Gleichrichterschaltung als Dreipunkttopologie für einen unidirektionalen Leistungsfluss von einer Ladesäule zu der Batterie des Fahrzeugs vorgesehen, die als Schaltelemente vorteilhaft 600V-GaN-Schaltelemente aufweist. Hierdurch lässt sich für diesen Einsatzzweck der elektrische Wirkungsgrad und die Baugröße bzw. Gewicht der Vorrichtung am besten optimieren. In einer weiteren Ausbaustufe können vorteilhaft auch neuartige monolithisch-bidirektionale 600V-GaN-Schaltelemente eingesetzt werden. Damit wären nur drei steuerbare Schaltelemente für die Gleichrichterstufe erforderlich.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Gleichrichterschaltung eine Zweipunkttopologie auf für einen bidirektionalen Leistungsfluss zwischen der Ladesäule und der Batterie des Fahrzeugs. Vorteilhaft kann hierdurch zur Stabilisierung des Stromnetzes auch elektrische Leistung von dem Fahrzeug in das Stromnetz übertragen werden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Gleichrichterschaltung als ein dreiphasiger Pulsgleichrichter mit Leistungsfaktorkorrektur ausgebildet. Vorteilhaft ist die Gleichrichterschaltung netzfreundlich aufgebaut.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung bilden die Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine gemeinsame Baueinheit, die in dem elektrischen Batteriefahrzeug integriert ist. Sie bildet somit einen sogenannten On-Board-Lader (OBL).
  • Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15 dadurch gekennzeichnet, dass das Potential des Mittelpunktes des Zwischenkreises auf das Potential eines Nullleiters des Mehrphasenstromnetzes gelegt wird.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass durch die Angleichung des Potential an einem Mittelpunkt eines Gleichstromzwischenkreises an den Nullleiter des mehrphasigen Stromnetzes auf einfache Weise eine kompakte und gleichtaktunterdrückte Steuerung des Leistungsflusses von dem mehrphasigen Stromnetz zu einer Batterie und vice versa gewährleistet ist.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden Schaltkomponenten des Gleichrichters und/oder des DC/DC-Konverters derart angesteuert, dass ausschließlich eine erste Zwischenkreisteilspannung während einer positiven Netzhalbperiode und eine zweite Zwischenkreisteilspannung während einer negativen Netzhalbperiode zu der Batterie durchgeschaltet werden. Auf diese Weise ist ein vorteilhafter Einphasen-Ladebetrieb möglich, der nutzbar ist im Notbetrieb an einem einphasigen Haushaltsnetz oder bei Phasenausfall von einer oder zwei Netzphasen. Vorteilhaft können die Zwischenkreiskapazitäten so besonders klein gewählt werden. Dadurch verringern sich zum einen die Baugröße und Kosten des OBL's und zum anderen lassen sich die kleinen Kapazitäten als Folien-Kondensatoren realisieren, die besonders robust und langlebig sind. Dies ist insbesondere für automobile Anwendungen relevant.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt eine netzphasenunabhängige Regelung des durch die jeweilige Netzphase fließenden Stromes. Jede Netzphase erhält einen eigenständigen Stromregelpfad, so dass drei unabhängige Stromregler mit je eigenen Soll- und Ist-Wert-Vergleich vorgesehen sind. Die PWM-Steuersignale (PWM: Pulsbreitenmodulation) der Gleichrichterschaltung weisen vorzugsweise die gleiche Frequenz auf und müssen nicht zeitsynchronisiert werden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Regelung der Phasenströme in Abhängigkeit von einer Regelung der Zwischenkreisspannung. Es erfolgt eine Kaskadenregelung, bei der ein Ausgangssignal des Zwischenkreisspannungsreglers zur Bestimmung der Stromsollwerte einfließt.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt mittels einer TastverhältnisVorsteuerung und eines Begrenzers die Ermittlung eines vorteilhaften Ansteuerwerts für die Schaltelemente der Gleichrichterschaltung. Hieraus werden nachfolgend direkt die Tastverhältnisse für die Schaltelemente berechnet. Nach einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Ermittlung der Steuersignale zur Ansteuerung der Schaltelemente aus einem speziellen, schaltfrequenzvariablen Signal. Dieses Signal kann beispielsweise gemäß einer Dreieckstrommodulation (TCM Triangular Current Modulation) ausgeführt werden. Durch die charakteristische Stromumkehr dieser Modulationsmethode kann jederzeit ein vorteilhaftes Nullspannungsschalten der Schaltelemente ermöglicht werden, was die Schaltverluste reduziert. Die Steuersignale in den einzelnen, je einer Netzphase zugeordneten, Brückenzweigen dürfen erfindungsgemäß aufgrund der Verbindung des Neutralleiters an dem Mittelpunkt des Zwischenkreises vorteilhaft eine ungleiche Frequenz aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können die Steuersignale auch im Sinne einer Lückgrenzmodulation (BM: Boundary Mode- oder CrCM Critical Conduction Mode Modulation) ausgeführt werden. Hierdurch wird ebenfalls ein vorteilhaftes Schaltverhalten der Schaltelemente (Leistungstransistoren) ermöglicht. Die Steuersignale der einzelnen Brückenzweige dürfen auch hierbei eine ungleiche Frequenz aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können die Steuersignale auch gemäß einem Lückbetrieb (DCM: Discontinious Conduction Mode) gewählt werden, bei dem sie in den unterschiedlichen Brückenzweigen bzw. Netzphasen ebenfalls eine ungleiche Frequenz aufweisen dürfen. Gegebenenfalls kann auch ein vorteilhafter Mischbetrieb dieser unterschiedlichen Ansteuerungen erfolgen. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1a ein Schaltplan einer ersten Ausführungsform der Erfindung für einen unidirektionalen Leistungsfluss zu einer Batterie auf Basis einer gleichtaktfreien Dreipunktschaltung,
    • 1 b eine DC/DC-Konverter-Schaltung nach einer alternativen Ausführungsform mit bidirektionalem Leistungsfluss (1000V/1200V Schaltelemente sind hier erforderlich),
    • 1c eine DC/DC-Konverter-Schaltung nach einer weiteren alternativen Ausführungsform mit bidirektionalem Leistungsfluss für 600V Schaltelemente (z.B. GaN oder Si MosFET sind hier einsetzbar),
    • 2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform (Zweipunkttopologie) mit bidirektionalem Leistungsfluss,
    • 3 die in 1a dargestellte Schaltung beim Einsatz im einphasigen Betrieb, hier lediglich mit der Netzphase a, in den beiden verschiedenen Netzhalbperioden, wobei gestrichelt dargestellte Schaltungsteile im einphasigen Betrieb nicht aktiv sind,
    • 4 eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtung mit einem Zusatzumschalter zur Nutzung der Schaltungselemente einer ausgefallenen Netzphase (hier c) zur Symmetrierung von Zwischenkreisteilspannungen bei Ausfall dieser Netzphase (c),
    • 5a eine Zweipunktschaltung des Gleichrichters mit entsprechenden Schaltelementen für bidirektionalen Leistungsfluss,
    • 5b eine Kaskadenregelung zur Erzeugung der Ansteuersignale für die Schaltelemente gemäß 5a,
    • 5c eine Darstellung der Steuersignale zum einen für eine Zweipunkttopologie und zum anderen für eine Dreipunkttopologie des Gleichrichters,
    • 6a ein Schaltbild des Gleichrichters und des Zwischenkreises,
    • 6b eine Regelung des Gleichrichters mit Tastverhältnisvorsteuerung, und
    • 7 eine alternative erfindungsgemäße Vorrichtung zu 1a in Dreipunkttopologie, wobei die Vorrichtung modular aus drei gleichen Modulsegmenten gebildet ist.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ladung eines (voll)elektrischen Batteriefahrzeuges besteht aus einer Mehrzahl von Schaltungskomponenten. Ein Gleichrichter 1 ist an einem mehrphasigen Stromnetz 2 angeschlossen. Netzstromseitig zu dem Gleichrichter 1 ist vorzugsweise ein Filter 3 (EMV-Filter) vorgesehen. Auf einer dem Netz abgewandten Seite des Gleichrichters 1 bzw. ladeseitig ist ein Zwischenkreis 4 vorgesehen. Dem Zwischenkreis 4 ist ein DC/DC-Konverter 5 zum Anpassen einer Zwischenkreisspannung UZK des Zwischenkreises 4 an eine Ladespannung UBatt einer Batterie 6 des Batteriefahrzeuges nachgelagert.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Schaltungsanordnung ist in einem Ladegerät integriert, das Bestandteil des Batteriefahrzeuges ist. Das Ladegerät bildet eine Baueinheit, die als eine „On-Board-Unit“ (OBU) oder „On-Board-Lader“ (OBL) in dem elektrischen Batteriefahrzeug verbaut ist.
  • Der Zwischenkreis 4 weist in den vorliegenden Ausführungsbeispielen zwei Zwischenkreisteilspannungen, nämlich eine an einer ersten Kapazität C1 abfallende erste Zwischenkreisteilspannung UZK1 und eine an einer in Reihe zu der ersten Kapazität C1 angeordneten zweiten Kapazität C2 abfallenden zweiten Zwischenkreisteilspannung UZK2 auf. Ein zwischen der ersten Kapazität C1 und der zweiten Kapazität C2 liegender Mittelpunkt MZK des Zwischenkreises 4 ist über eine Leitung 7 direkt mit einem Neutralleiter N des mehrphasigen Stromnetzes 2 verbunden.
  • Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß 1a ist der Gleichrichter 1 als ein Pulsgleichrichter ausgebildet. Der Pulsgleichrichter ist als dreiphasiger Pulsgleichrichter ausgebildet, der über drei Brückenzweige verfügt mit jeweils außen angeordneten Dioden (vorzugsweise SiC) und Schaltelementen 8, die jeweils zum Zwischenkreismittelpunkt MZK verbinden. Die Schaltungsanordnung gemäß 1a dient zum unidirektionalen Leistungsfluss von dem mehrphasigen Stromnetz 2 zu der Batterie 6 in Form einer Dreipunktschaltung. Als Schaltelemente 8 können Leistungstransistoren unterschiedlicher Bauart eingesetzt werden, wie die Alternativen in der Zeile unter der Schaltung in 1a deutlich macht. Insbesondere können GaNbasierte Leistungstransistoren eingesetzt werden. Der DC/DC-Konverter 5 ist gemäß 1a als Tiefsetzsteller je halben Gleichspannungszwischenkreis 4 ausgebildet.
  • Die Tiefsetzsteller-Schaltungen, die vorzugsweise SiC-Dioden nutzen, bilden somit einen potentialgebundenen DC/DC-Konverter und ersetzen eine konventionell transformatorbasierte Schaltung.
  • Nach einer alternativen Ausführungsform gemäß 1b kann der DC/DC-Konverter 5 auch einen bidirektionalen Leistungsfluss bewerkstelligen und hierfür eine Halbbrücke mit alternativen Leistungshalbleitern aufweisen, die in der Zeile gemäß 1a aufgeführt sind. Der DC/DC-Konverter 5 gemäß 1b weist eine oder im Falle einer Leistungsskalierung mehrere parallel zum Gleichspannungszwischenkreis 4 liegende Leistungs-Halbbrückenzweige und eine mit dem Halbbrückenmittelpunkt M verbundene Drossel S auf. Vorteilhaft kann eine konventionelle zweipolige Batterie 6 mit beispielsweise 400 V bis 800 V Nennspannung angeschlossen werden. Die Schaltelemente des DC/DC-Konverters 5 gemäß 1b müssen eine Sperrspannung von mehr als 800 V aufweisen. Vorteilhaft können hier auch Transistorschalter in SiC-Technologie eingesetzt werden. Die Schaltelemente des DC/DC-Konverters 5 gemäß 1a (oder 1c) müssen hingegen nur eine Sperrspannung von mehr als 400 V aufweisen.
  • Nach einer weiteren alternativen Ausführungsform zur Ermöglichung eines bidirektionalen Leistungsflusses kann der DC/DC-Konverter 5 gemäß 1c auch aus einem oder zur Leistungsskalierung aus einer Mehrzahl von parallel zum halben Gleichspannungs-Zwischenkreis 4 liegenden Leistungs-Halbbrückenzweigen und einer mit dem jeweiligen Halbbrückenmittelpunkt M1 , M2 verbundenen Drossel S bestehen. Es liegen somit zwei in Reihe geschaltete Halbbrückenzweige vor, die jeweils mit dem kapazitiven Mittelpunkt MZK des Zwischenkreises 4 verbunden sind. Die Leistungshalbleiter müssen dann nur eine Sperrspannung von etwa 600 V aufweisen und können deshalb mit verlustärmeren Typen realisiert werden, und zwar neben Si MosFET auch z.B. mit GaN HEMT Technologie. Vorteilhaft wird hierbei die Batterie 6 mit Mittelpunktanschluss MB (dreipolig) angeschlossen, wobei der Mittelpunktanschluss MB mit dem Neutralleiter N - wie in 1a und 1c eingezeichnet - verbunden sein kann oder nicht. Im zweiten Fall besteht keine Verbindung des Mittelpunktanschlusses MB mit dem DC/DC-Konverter 5
  • Nach der Erfindung kann der DC/DC-Konverter 5 also als
    • - ein Tiefsetzsteller für einen unidirektionalen Leistungsfluss ausgebildet sein oder als
    • - zwei antiseriell in Reihe geschaltete Tiefsetzsteller für einen unidirektionalen Leistungsfluss ausgebildet sein, deren jeweilige Halbbrückenmittelpunkte M1 , M2 mit je einer Drossel S verbunden sind und wobei die beiden Tiefsetzsteller jeweils diodenseitig mit dem Mittelpunkt MZK des Zwischenkreises 4 verbunden sind, oder als
    • - ein Transistor/Dioden-Halbbrückenzweig für einen bidirektionalen Leistungsfluss ausgebildet sein, der parallel zu dem Zwischenkreis 4 geschaltet und dessen Halbbrückenmittelpunkt M mit einer Drossel S verbunden ist, oder als
    • - zwei in Reihe geschaltete Transistor/Dioden-Halbbrückenzweige für einen bidirektionalen Leistungsfluss ausgebildet sein, deren jeweilige Halbbrückenmittelpunkte M1 , M2 mit je einer Drossel S verbunden sind und wobei jeweils ein Verbindungspunkt der Halbbrückenzweige mit dem Mittelpunkt MZK des Zwischenkreises 4 verbunden ist.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann insbesondere auch die Gleichrichter-Schaltungsanordnung für einen bidirektionalen Leistungsfluss, vorzugsweise gemäß 2, als Zweipunktschaltung ausgebildet sein. Der zugehörige bidirektionale DC/DC-Konverter 5 kann dabei in seiner grundsätzlichen Anordnung gemäß 1b oder gemäß 1c ausgeführt sein. Entsprechend der Leistungsskalierung lassen sich beim DC/DC-Konverter jeweils zwei oder mehrere Halbbrückenzweige 9 parallel schalten.
  • Gleiche Bauteile bzw. Bauteilfunktionen der Ausführungsbeispiele sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß 3 ist - wie auch optional bei der Ausführungsform gemäß 1a - die Batterie 6 (Antriebsbatterie) mit Mittelpunktanschluss (dreipolig) an dem Ausgang des DC/DC-Konverters 5 angeschlossen. Gemäß 3 ist ein Einphasen-Ladebetrieb dargestellt, der beispielsweise auftritt, wenn das Ladegerät (OBU) an ein einphasiges Haushaltsnetz angeschlossen wird oder wenn ein Phasenausfall von einer oder zwei der Netzphasen a, b, c vorliegt. Die Ansteuerung der Schaltelemente dieses Gleichrichters 1 erfolgt dermaßen, dass nur diejenige Hälfte des Gleichspannungs-Zwischenkreises 4 zur Batterieladung bzw. Batterieentladung genutzt wird, die zum jeweiligen Zeitpunkt von der/den verbliebenen Netzphase/Netzphasen direkt geladen bzw. entladen wird/werden. Bei einem unidirektionalen Leistungsfluss, bei dem ausschließlich die Batterie 6 geladen wird, wird exemplarisch ein einphasiger Betrieb mit der Netzphase a angenommen. Während der positiven Netzhalbperiode (ua > 0) wird zur Ladung der Batterie 6 ausschließlich die dann aus dem Netz gespeiste Zwischenkreisteilspannung UZK1 genutzt (schwarze Strompfade in 3a). Während der negativen Netzhalbperiode (ua < 0) wird ausschließlich die dann gespeiste Spannung UZK2 zur Batterieladung genutzt (schwarze Strompfade in 3b). Gestrichelte Pfade markieren in 3 jeweils inaktive Schaltungsteile. Es sei angemerkt, dass die Ansteuerung der Schaltelemente nach der Ausführungsform entsprechend der in 3 dargestellten Dreipunkttopologie auch genauso auf die Zweipunkttopologie gemäß 2 anwendbar ist.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß 4 kann ein Zusatzschalter STrans,c vorgesehen sein, der gemäß dem in 4 dargestellten Schaltzustand eine Hochsetzdrossel Lc im Strang c von Netzphase c trennt und diese Drossel Lc mit dem kapazitiven Mittelpunkt N des Gleichspannungs-Zwischenkreises 4 verbindet. Die Schaltungselemente S5, S6, Lc bilden somit eine Schaltung, mit der die Zwischenkreisteilspannungen UZK1 und UZK2 während des Ausfalls der Netzphase c aktiv symmetriert werden können. Bei Ausfall der Netzphase a oder b können auch entsprechende Zusatzschalter bzw. Umschalter in den entsprechenden Strängen a und b vorgesehen sein. Exemplarisch ist in 4 die Zweipunkttopologie gezeigt. Die Umschaltung über die Zusatzschalter lässt sich auch auf die Dreipunkttopologie gemäß 1a übertragen.
  • In den 5a, 5b und 5c ist die Ansteuerung des dreiphasigen Pulsgleichrichters 1 und die Regelung bzw. Ansteuerung der Schaltelemente s1 , s2 , s3 , s4 , s5 , s6 dargestellt. Es sei angemerkt, dass die Steuersignale s1 , s2 des ersten Brückenzweiges von dem ersten Tastverhältnissignal da , die Steuersignale s3 , s4 des zweiten Brückenzweiges von dem Tastverhältnissignal db und die Steuersignale s5 , s6 des dritten Brückenzweiges von dem Tastverhältnissignal dc abgeleitet werden. Es ist ersichtlich, dass die durch jede Netzphase a, b, c fließenden Ströme ia , ib , ic unabhängig voneinander geregelt werden. Somit ist für jede Phase ein gesonderter Stromregler SRa, SRb, SRc vorgesehen. Den drei unabhängigen Stromreglern SRa, SRb, SRc sind zur höherfrequenten (d. h. netzfrequenten) Stromsollwertbildung innerhalb eines Stromregelpfades jeweils ein Funktionsblock Fa, Fb, Fc zur Erzeugung des phasenrichtigen, normierten Stromsollwertes aus den aktuellen Netzphasenspannungsmesswerten vorgelagert. Die Ausgänge dieser Funktionsblöcke Fa, Fb, Fc sind jeweils auf den ersten Eingang eines Multiplikators 10 geführt, dessen zweiter Eingang jeweils an den Ausgang des gemeinsamen Spannungsreglers 11 gelegt ist. Somit werden jeweils die niederfrequenten Stromsollwerte (typischerweise 1 bis 5 Hz) und die netzfrequenten, ideal sinusförmigen Stromsollwerte multiplikativ verknüpft. Die Ausgänge der drei Multiplikatoren 10 bilden jeweils den resultierenden Stromsollwert für die drei Stromregler der Netzphasenströme ia , ib , ic .
  • Wie aus 5b ersichtlich ist, ist die Stromregelung der Spannungsregelung der Zwischenkreisspannung unterlagert. Es handelt sich somit um eine Kaskadenregelung.
  • Es versteht sich, dass die Ansteuerung gemäß 5b auf die Dreipunktopologie nach 1a mittels der Tabelle 2 in 5c anwendbar ist.
  • Die Ansteuerung der Schaltelemente 8 ist gemäß der Ausführungsform nach den 6a und 6b vergleichsweise erweitert. In Ergänzung zu der Ansteuerung gemäß 5b sind zur Tastverhältnisvorsteuerung den Stromreglern Summierstellen 12 nachgelagert. Zur Tastverhältnisvorsteuerung wird der Ausdruck SIGNUM (ua,b,c)*UZK/2-(ua,b,c) zum Stromreglerausgang hinzuaddiert. Vorteilhaft ist der Tastverhältnisvorsteuerung innerhalb eines jeden Stromregelpfades ein Begrenzungsblock 13a, 13b, 13c nachgelagert. Der Begrenzungsblock 13a, 13b, 13c begrenzt die Summe von Stromreglerausgang und Tastverhältnisvorsteuerung auf einen vorgegebenen Maximal- bzw. Minimalwert. Die Maximal- und Minimalwerte werden vorteilhaft als Normierungsgrößen für die nachfolgende Tastverhältnisberechnung verwendet, aus der dann die Steuersignale s1 , s2 bzw. s3 , s4 bzw. s5 , s6 berechnet werden. Die in 6b dargestellte Ansteuerung kann selbstverständlich nicht nur für die in der 6a dargestellte Zweipunkttopologie, sondern auch für die Dreipunkttopologie eingesetzt werden. Es werden in diesem Fall lediglich die Steuersignale s1 , s3 , s5 verwendet, wie aus Tabelle 2 in 5c ersichtlich ist.
  • Nach einer zu der 1a alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend einer unidirektionalen Dreipunkttopologie besteht gemäß 7 (untere Abbildung) eine Vorrichtung (Ladegerät) aus drei gleichen Modulsegmenten 20, die jeweils zwei unterschiedlichen Netzphasen a, b, c zugeordnet sind. Die Modulsegmente 20 der dreiphasigen Anordnung entsprechen jeweils einem oben in 7 dargestellten einphasigen Modul 21, das vorteilhaft speziell für das nordamerikanische US-Haushaltsnetz (240 V Split Phase) vorgesehen ist. Wie im obigen Ausführungsbeispiel ist der Neutralleiter N des zwei Phasen L1 und L2 zur Verfügung stellenden US-Haushaltsnetzes direkt mit dem Mittelpunkt MZK des Zwischenkreises 4 verbunden. Die zwei Phasen L1 und L2 sind um 180° phasenverschoben. Alternativ kann statt eines einzigen Moduls 21 eine Mehrzahl von Modulen 21 vorgesehen sein, die parallel zueinander geschaltet sind zur Steigerung der Leistungsübertragung.
  • In der unteren Abbildung in 7 ist der Neutralleiter N des allgemeinen, mehrphasigen Stromnetzes 2, wie außerhalb des US-Haushaltsnetzes vorliegend, direkt mit dem Mittelpunkt MZK des Zwischenkreises 4 der Modulsegmente 20 verbunden. Der Mittelpunkt MZK des Zwischenkreises 4 ist über einen Mittelpunkt des Gleichrichters 1 (Pulsgleichrichter) und einen Mittelpunkt des Filters 3 mit dem Neutralleiter N direkt verbunden, d. h. kein elektrisches Bauteil befindet sich zwischen dem Mittelpunkt MZK des Zwischenkreises 4 und dem Neutralleiter N des Stromnetzes 2. Diese Verbindung des Mittelpunktes MZK des Zwischenkreises 4 der Modulsegmente 20 zu den Netzphasen a, b, c ist jeweils gleich. Die Modulsegmente 20 sind gleich ausgebildet. Jedes Modulsegment 20 ist zwischen zwei verschiedenen Netzphasen von a, b, c angeschlossen, so dass jede Netzphase a, b, c mit zwei unterschiedlichen Modulsegmenten 20 verbunden ist. Ein Ausgang der Modulsegmente 20 ist mit derselben Batterie 6 verbunden. Das so ausgebildete Ladegerät ist modular und nicht monolithisch ausgebildet, so dass eine höhere Leistung übertragen werden kann. Vorteilhaft sind die Wechselwirkungen bei einem Phasenausfall geringer. Als Leistungshalbleiter können 600 V-Typen eingesetzt werden, beispielsweise Si MosFET oder GaN HEMT. Insbesondere können abweichend von der monolithischen Topologie gemäß 1a hier auch die Schaltdioden D des Gleichrichters 1 vorteilhaft als 600 V-Typen ausgeführt sein (in 1a: 1200 V-Typen erforderlich). Hierdurch wird das Ladegerät kostengünstiger und weist ein besseres Schaltverhalten auf.
  • 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
    • US 2017/0279287 A1 [0003]
    • WO 2018/126393 A1 [0004]

Claims (22)

  1. Vorrichtung zur Ladung eines (voll)elektrischen Batteriefahrzeuges mit einem Gleichstrom, - mit einem an einem mehrphasigen Stromnetz (2) angeschlossenen Gleichrichter (1), - mit einem ladeseitig des Gleichrichters (1) angeordneten und mit demselben gekoppelten Zwischenkreis (4), der eine Anzahl von Kapazitäten und einen Mittelpunkt (MZK) aufweist, - mit einem ladeseitig des Zwischenkreises (4) angeordneten und mit demselben gekoppelten DC/DC-Konverter (5) zum Anpassen einer Zwischenkreisspannung (UZK) des Zwischenkreises (4) an eine Ladespannung (UBatt) einer Batterie (6) des Batteriefahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt (MZK) des Zwischenkreises (4) mit einem Neutralleiter (N) des mehrphasigen Stromnetzes (2) verbunden ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt (MZK) des Zwischenkreises (4) direkt mit dem Neutralleiter (N) des mehrphasigen Stromnetzes (2) verbunden ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein netzstromseitig des Gleichrichters (1) angeordnetes und mit demselben gekoppeltes Filter (3) vorgesehen ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (3) eine Drossel zur Unterdrückung von Restgleichtaktströmen aufweist, wobei der Mittelpunkt (MZK) des Zwischenkreises (4) über die Drossel mit dem Neutralleiter (N) des mehrphasigen Stromnetzes (2) verbunden ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (1), der Zwischenkreis (4) und der DC/DC-Konverter (5) in einer gemeinsamen Baueinheit angeordnet sind, die in dem elektrischen Batteriefahrzeug verbaut ist oder die außerhalb des Batteriefahrzeugs angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (1) und der DC/DC-Konverter (5) für ein dreiphasiges Stromnetz (2) ausgelegt sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (1) als ein Pulsgleichrichter mit Leistungsfaktorkorrektur ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Konverter (5) potentialgebunden ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dreiphasige Pulsgleichrichter (1) - eine Zweipunktschaltung vorzugsweise für einen bidirektionalen Leistungsfluss oder - eine Dreipunktschaltung vorzugsweise für einen unidirektionalen Leistungsfluss umfasst.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Konverter (5) als - ein Tiefsetzsteller für einen unidirektionalen Leistungsfluss ausgebildet ist oder als - ein Transistor/Dioden-Halbbrückenzweig ausgebildet ist, der parallel zu dem Zwischenkreis (4) geschaltet und dessen Halbbrückenmittelpunkt (M) mit einer Drossel (S) verbunden ist, oder als - zwei in Reihe geschaltete Transistor/Dioden-Halbbrückenzweige ausgebildet ist, deren jeweilige Halbbrückenmittelpunkte (M1, M2) mit je einer Drossel (S) verbunden sind und wobei jeweils ein Verbindungspunkt der Halbbrückenzweige mit dem Mittelpunkt (MZK) des Zwischenkreises (4) verbunden ist, oder als - zwei antiseriell in Reihe geschaltete Tiefsetzsteller für einen unidirektionalen Leistungsfluss ausgebildet ist, deren jeweilige Halbbrückenmittelpunkte (M1, M2) mit je einer Drossel (S) verbunden sind und wobei die beiden Tiefsetzsteller jeweils diodenseitig mit dem Mittelpunkt (MZK) des Zwischenkreises (4) verbunden sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzschalter (STrans,c) vorgesehen ist, mittels dessen ein netzseitiger Anschluss einer Hochsetzdrossel (La, Lb, Lc) eines Phasenstrangs (a, b, c) des Gleichrichters (1) mit dem Neutralleiter (N) verbindbar ist, so dass der den Zusatzschalter (STrans,c) aufweisende Phasenstrang des Gleichrichters (1) bei Ausfall mindestens einer Netzphase (a,b,c) zur aktiven Symmetrierung des Zwischenkreises (4) genutzt werden kann.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei unterschiedlichen Netzphasen (a, b, c) jeweils gleiche Modulsegmente (20) angeschlossen sind, die den gleichen Gleichrichter (1), den gleichen Zwischenkreis (4) und den gleichen DC/DC-Konverter (5) aufweisen, und dass ein Ausgang der Modulsegmente (20) mit derselben Batterie (6) verbunden ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an zwei zueinander um 180° phasenverschobenen Netzphasen (L1, L2) eines Netzes, insbesondere des USamerikanischen Split-Phase-240V-Netzes, lediglich ein einziges Modul (21) enthaltend den Gleichrichter (1), den Zwischenkreis (4) und den DC/DC-Konverter (5) angeschlossen ist, wobei ein Ausgang des Moduls (21) mit der Batterie (6) verbunden ist und der Neutralleiter (N) dieses Netzes an den Mittelpunkt (MZK) des Zwischenkreises (4) gelegt ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Module (21) eingangs- und ausgangsseitig parallel zueinander geschaltet sind zur Steigerung der Leistungsübertragung.
  15. Verfahren zur Ladung eines (voll)elektrischen Batteriefahrzeuges mit Gleichstrom, dass ein von einem mehrphasigen Stromnetz (2) bereitgestellter Wechselstrom oder Drehstrom gleichgerichtet wird, wobei ein Mittelpunkt (MZK) eines kapazitiven Zwischenkreises (4) existiert, und dass eine Batterie (6) des (voll)elektrischen Batteriefahrzeuges mit dem gleichgerichteten Wechselstrom gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Potential des Mittelpunktes (MZK) des Zwischenkreises (4) auf das Potential eines Nullleiters (N) des Mehrphasenstromnetzes (2) gelegt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Sonderbetrieb, insbesondere in einem einphasigen Betrieb am Haushaltsnetz (IEC 61851-1 „Mode 1“) oder im Notbetrieb bei Phasenausfall, in dem nur ein oder zwei Netzphasen (a, b, c) genutzt werden können, mittels des Gleichrichters (1) in einer positiven Netzhalbperiode der entsprechenden stromführenden Netzphasen (a, b, c) jeweils nur eine erste Kapazität (C1) des Zwischenkreises (4) und in einer negativen Netzhalbperiode der entsprechenden stromführenden Netzphasen (a, b, c) jeweils nur eine zweite Kapazität (C2) des Zwischenkreises (4) aufgeladen werden und dass der DC/DC-Konverter (5) entsprechend der Netzphasen (a, b, c) derart angesteuert wird, dass eine erste Kapazität (C1) des Zwischenkreises (4) nur während einer positiven Netzhalbperiode und eine zweite Kapazität (C2) des Zwischenkreises (4) nur während einer negativen Netzhalbperiode derselben Netzphase (a, b, c) über die Batterie (6) entladen wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom mittels eines dreiphasigen Pulsgleichrichters (1) gleichgerichtet wird, wobei Schaltelemente (8) des Pulsgleichrichters (1) derart angesteuert werden, dass die durch jede Netzphase (a, b, c) fließenden Ströme (ia, ib, ic) unabhängig voneinander geregelt werden.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die den Netzphasen (a, b, c) zugeordneten Ströme (ia, ib, ic) in Abhängigkeit von einer Regelung der Zwischenkreisspannung (UZK) geregelt werden, wobei Stromsollwerte aus der Multiplikation von gemessenen Netzphasenspannungen (ua, ub, uc) und dem Ausgang des Reglers der Zwischenkreisspannung (UZK) gebildet werden.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Tastverhältnisvorsteuerung dem geregelten Strom (ia, ib, ic) ein von der Zwischenkreisspannung (UZK) und von der Netzphasenspannung (ua, ub, uc) abhängiger Wert addiert wird zu einem Wert, der mittels eines Begrenzerblocks (13) auf einem Maximal- bzw. Minimalwert begrenzt wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale (s1, s2, s3, s4, s5, s6) für die Zweipunkttopologie des Gleichrichters (1) zur Ansteuerung der Schaltelemente (8) je Netzphase (a, b, c) als pulsbreitenmodulierte Signale (s1, s2, s3, s4, s5, s6) aus den Tastverhältnissignalen (da, db, dc) in Abhängigkeit von einer positiven und negativen Netzhalbperiode berechnet werden, wobei die Steuersignale (s1, s2, s3, s4, s5, s6) je Brückenzweig unter Verwendung des PWM-Signals (za, zb, zc) der zugehörigen Tastverhältnissignale (da, db, dc) bestimmt werden
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale (s1, s3, s5) für die Dreipunkttopologie des Gleichrichters (1) zur Ansteuerung der Schaltelemente (8) je Netzphase (a, b, c) als pulsbreitenmodulierte Signale (s1, s3, , s5) aus den Tastverhältnissignalen (da, db, dc) in Abhängigkeit von einer positiven und negativen Netzhalbperiode berechnet werden, wobei die Steuersignale (s1, s3, s5) je Brückenzweig unter Verwendung des PWM-Signals (za, zb, zc) der zugehörigen Tastverhältnissignale (da, db, dc) bestimmt wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale (s1, s2, s3, s4, s5, s6) für eine bidirektionale Zweipunkttopologie des Gleichrichters (1) und die Steuersignale (s1, s3, s5) für die Verwendung einer unidirektionalen Dreipunkttopologie des Gleichrichters (1) durch Dreiecksstrommodulation (TCM) und/oder durch Lückgrenzmodulation (BM, CrCM) und/oder durch Lückbetrieb (DCM) erzeugt werden.
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