DE102019207456A1

DE102019207456A1 - Ladeschaltung und Verfahren zum Betrieb einer solchen

Info

Publication number: DE102019207456A1
Application number: DE102019207456.1A
Authority: DE
Inventors: Tobias Haas; Hans-Joachim LIEBSCHER; Markus Plaschke; Fernando Perez Lazcano
Original assignee: Leoni Bordnetz Systeme GmbH; Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Leoni Bordnetz Systeme GmbH; Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2020-11-26

Abstract

Es wird eine Ladeschaltung (8) angegeben, welche ausgebildet ist zum Laden eines Elektrospeichers (6) eines Elektrofahrzeugs (4) mittels einer Ladestation (2), welche den Elektrospeicher (6) in einem angeschlossenen Zustand in zumindest zwei Zellgruppen (Z1, Z2) unterteilt, welche einen ersten Schaltzustand aufweist, in welchem die Zellgruppen (Z1, Z2) in Serie geschaltet sind, sodass eine erste Spannungslage des Elektrospeichers (6) eingestellt ist, welche einen zweiten Schaltzustand aufweist, in welchem die Zellgruppen (Z1, Z2) einzelweise mit der Ladestation (2) verbindbar sind, sodass eine zweite Spannungslage des Elektrospeichers (6) eingestellt ist, welche geringer ist als die erste Spannungslage, welche zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand umschaltbar ist, zur Anpassung der Spannungslage des Elektrospeichers (6) an eine Ladespannung der Ladestation (2). Weiter wird ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Ladeschaltung (8) angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladeschaltung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen.
Eine Ladeschaltung wird verwendet, um einen Elektrospeicher mit einer Ladestation zu verbinden und zu laden. Der Elektrospeicher weist mehrere Zellen auf, welche untereinander verschaltet sind, um eine bestimmte Spannung, d.h. eine bestimmte Spannungslage bereitzustellen. Nach außen hin weist der Elektrospeicher zwei Pole auf, welche nach innen hin mit den Zellen verbunden sind. Die Pole sind dann über die Ladeschaltung mit der Ladestation verbunden. Die Ladeschaltung dient insgesamt zum kontrollierten Verbinden und Trennen der Zellen von der Ladestation.
Der Elektrospeicher ist insbesondere ein Teil eines Elektrofahrzeugs, welches einen elektrischen Antrieb aufweist, welcher vom Elektrospeicher mit Energie versorgt wird. Solche Elektrospeicher weisen Spannungslagen von beispielsweise 400 V oder 800 V auf und werden von entsprechenden Ladestationen mit korrespondierenden Ladespannungen bei z.B. 500 V bzw. 1000 V geladen. Generell sind die Spannungslage des Elektrospeichers und die Ladespannung, d.h. die Spannungslage der Ladestation, nicht auf einen einzigen Wert festgelegt, sondern verschiedene Lösungen existieren parallel. Dadurch ergeben sich entsprechende Kompatibilitätsprobleme, falls die Spannungslage des Elektrospeichers eines bestimmten Elektrofahrzeugs nicht zur Ladespannung einer bestimmten Ladestation passt. Die vorhandene Ladeinfrastruktur mit Ladestationen unterschiedlicher Ladespannung kann daher von einem einzelnen Elektrofahrzeug nicht optimal genutzt werden, vielmehr können lediglich passende Ladestationen zum Laden des Elektrospeichers verwendet werden.
In der DE 10 2015 101 187 A1 ist ein Hochvolt-Lade-Booster zum Laden einer Traktionsbatterie beschrieben. Der Booster weist einen Konverter auf, welcher eine Spannungslage einer Ladesäule in eine abweichende Spannungslage der Traktionsbatterie transformiert.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, das Laden eines Elektrospeichers flexibler zu gestalten. Insbesondere soll ein Laden des Elektrospeichers mit Ladestationen mit unterschiedlichen Ladespannungen möglich sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Ladeschaltung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer Ladeschaltung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Ausführungen im Zusammenhang mit der Ladeschaltung gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt. Sofern nachfolgend Verfahrensschritte angegeben sind, ist die Ladeschaltung vorzugsweise ausgebildet, einen oder mehrere dieser Verfahrensschritte auszuführen.
Die Ladeschaltung ist ausgebildet zum Laden eines Elektrospeichers eines Elektrofahrzeugs mittels einer Ladestation. In einer geeigneten Ausgestaltung ist die Ladeschaltung in das Elektrofahrzeug eingebaut und zum Laden mit der Ladestation verbindbar, z.B. über ein Ladekabel. Der Elektrospeicher weist mehrere Zellen auf und dient zur Versorgung eines elektrischen Antriebs des Elektrofahrzeugs. Der Elektrospeicher wird auch als Batterie oder als Hochvoltspeicher bezeichnet. Unter „Elektrofahrzeug“ werden elektrisch angetriebene Fahrzeuge verstanden, insbesondere PKW und LKW.
Die Ladeschaltung unterteilt den Elektrospeicher in einem angeschlossenen Zustand in zumindest zwei vorzugsweise gleichartige Zellgruppen. Darunter wird insbesondere verstanden, dass die Ladeschaltung nicht bloß endseitig an die Zellen angeschlossen ist, sondern zusätzlich an wenigstens einem Anschlusspunkt zwischen den Zellen angeschlossen ist, sodass wenigstens zwei Zellgruppen gebildet werden. Unter „angeschlossenem Zustand“ wird verstanden, dass ein Elektrospeicher an die Ladeschaltung angeschlossen ist. Die Kombination eines Elektrospeichers mit einer Ladeschaltung wird auch als Speichersystem bezeichnet. Jede Zellgruppe ist über zwei Anschlüsse mit der Ladeschaltung verbunden, wobei zwei dieser Anschlüsse zwischen den beiden Zellgruppen miteinander verbunden sind oder zusammenfallen und dadurch einen Mittenanschluss bilden, über welchen die Zellgruppen dann einzelweise zugänglich und an die Ladeschaltung angeschlossen sind. Der Elektrospeicher wird somit in mehrere Zellgruppen segmentiert, welche einzelweise an die Ladeschaltung angeschlossen sind. Zweckmäßigerweise sind die Zellgruppen gleichartig ausgebildet, d.h. insbesondere, dass die Zellgruppen jeweils dieselbe Spannungslage aufweisen. Nachfolgend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass der Elektrospeicher in genau zwei Zellgruppen unterteilt wird. Die beschriebenen Konzepte sind jedoch analog auch auf Ausgestaltungen mit mehr als zwei Zellgruppen vorteilhaft anwendbar.
Die Ladeschaltung weist einen ersten Schaltzustand auf, in welchem die Zellgruppen in Serie geschaltet sind, sodass eine erste Spannungslage des Elektrospeichers eingestellt ist. Der erste Schaltzustand wird auch als Reihenschaltung oder als Serienschaltung bezeichnet. Die einzelnen Spannungen der Zellgruppen addieren sich entsprechend zur ersten Spannungslage, welche daher auch als Summenspannung oder als Gesamtspannung bezeichnet wird.
Die Ladeschaltung weist weiter einen zweiten Schaltzustand auf, in welchem die Zellgruppen einzelweise mit der Ladestation verbindbar sind, sodass eine zweite Spannungslage des Elektrospeichers eingestellt ist, welche geringer ist als die erste Spannungslage. Im zweiten Schaltzustand sind die Zellgruppen also gerade nicht in Serie geschaltet, sodass sich der erste und der zweite Schaltzustand gegenseitig ausschließen. Die einzelweise Verbindung mit der Ladestation wird durch die spezielle Anbindung der Ladeschaltung an den Elektrospeicher und die sich daraus ergebende Unterteilung des Elektrospeichers in mehrere Zellgruppen ermöglicht. Anstatt alle Zellen des Elektrospeichers gemeinsam in Serie an die Ladestation anzuschließen, werden im zweiten Schaltzustand eine oder mehrere Teilmengen der Zellen angeschlossen, nämlich lediglich eine einzelne der Zellgruppen oder mehrere Zellgruppen parallel zueinander, wodurch sich eine entsprechend geringere Spannungslage ergibt, nämlich die zweite Spannungslage. Diese wird auch als Individualspannung oder Einzelspannung bezeichnet.
Die Ladeschaltung ist zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand umschaltbar, zur Anpassung der Spannungslage des Elektrospeichers an eine Ladespannung der Ladestation, d.h. an eine Spannungslage der Ladestation. Die Ladeschaltung stellt also durch geeignetes Umschalten zwischen den Schaltzuständen, d.h. durch Einstellen eines der Schaltzustände, die Spannungslage des Elektrospeichers ein, sodass dieser vorteilhaft an Ladestationen mit unterschiedlicher Ladespannung geladen werden kann und in einem Ladebetrieb insbesondere auch geladen wird. Zum Umschalten und Einstellen eines Schaltzustands weist die Ladeschaltung zweckmäßigerweise eine Steuereinheit auf, auch als Controller bezeichnet, oder ist mit einer solchen verbunden. Geeigneterweise ist die Ladeschaltung derart ausgebildet, dass diese automatisch erkennt, welche Ladespannung eine angeschlossene Ladestation bereitstellt, und stellt dann den entsprechend geeigneten Schaltzustand automatisch ein. Die Steuereinheit ist insbesondere auch dazu ausgebildet ein oder mehrere Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.
Bei zwei Zellgruppen, welche gleichartig ausgebildet sind, verdoppelt sich die Spannungslage im ersten Schaltzustand gegenüber der Spannungslage im zweiten Schaltzustand. Je nach Ausgestaltung des Elektrospeichers stellt entweder die erste oder die zweite Spannungslage eine Nennspannung des Elektrospeichers dar, also diejenige Spannung, mit welcher der Elektrospeicher den elektrischen Antrieb versorgt. Der Elektrospeicher ist dann durch Umschalten in den anderen Schaltzustand ausgehend von der Nennspannung je nach Ausgestaltung entweder auf die halbe oder auf die doppelte Nennspannung umschaltbar.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass der Elektrospeicher in Kombination mit der Ladeschaltung nicht auf eine einzelne Ladespannung festgelegt ist, sondern mit unterschiedlichen Ladespannungen geladen werden kann. Dadurch vergrößert sich vorteilhaft die Anzahl der nutzbaren Ladestationen. Ein Elektrofahrzeug, welches eine entsprechende Ladeschaltung aufweist, weist eine verbesserte Kompatibilität mit existierenden Ladestationen auf und profitiert von einer erweiterten Ladeinfrastruktur. Bestehende und bereits installierte Ladestationen müssen nicht umgerüstet werden, sondern können weiterhin verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil besteht insbesondere darin, dass zur Anpassung der Spannungslage des Elektrospeichers an die Ladespannung kein Gleichspannungswandler (d.h. DC/DC-Wandler) benötigt wird, sondern auf die natürlicherweise im Elektrospeicher vorhandenen Spannungslagen zurückgegriffen wird. Vorzugsweise ist die gesamte Ladeschaltung frei von einem Gleichspannungswandler. Durch die Unterteilung in mehrere Zellgruppen mittels der Ladeschaltung wird ohne einen Wandler auf einfache Weise zumindest eine zusätzliche Spannungslage erzeugt. Diese wird je nach Anforderung entsprechend ausgewählt und eingestellt, um eine optimale Anpassung an die Ladespannung zu erzielen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Ladeschaltung derart ausgebildet, dass diese den Elektrospeicher in genau zwei Zellgruppen unterteilt, welche jeweils eine Spannungslage von 400 V aufweisen, sodass die erste Spannungslage im ersten Schaltzustand 800 V beträgt, zum Laden an einer 800 V-Ladestation, und sodass die zweite Spannungslage im zweiten Schaltzustand 400 V beträgt, zum Laden an einer 400 V-Ladestation. Eine 400 V-Ladestation weist regelmäßig eine Ladespannung von 500 V auf und lädt beispielsweise mit einem Ladestrom von 400 A. Ein Elektrospeicher, welcher lediglich eine 800 V-Spannungslage aufweist, kann an einer solchen Ladestation nicht geladen werden. Bei der beschriebenen Ladeschaltung wird in diesem Fall jedoch der zweite Schaltzustand eingestellt und der Elektrospeicher dann in zwei 400 V-Zellgruppen unterteilt, sodass die Spannungslage des Elektrospeichers entsprechend auf 400 V verringert ist. Der Elektrospeicher kann nun mit einer 400 V-Ladestation geladen werden, indem die beiden Zellgruppen einzelweise geladen werden, d.h. zeitlich nacheinander oder in einer Parallelschaltung sogar gleichzeitig. Aufgrund der speziellen Ladeschaltung kann der Elektrospeicher aber nach wie vor auch an einer 800 V-Ladestation geladen werden, welche regelmäßig eine Ladespannung von 900 V oder 1000 V bereitstellt und einen Ladestrom von z.B. 500 A. Hierzu wird der erste Schaltzustand eingestellt. Der Elektrospeicher unterstützt also insgesamt zwei Spannungsebenen zum Laden mit unterschiedlichen Ladespannungen. Geeignet ist auch eine Variante, bei welcher der Elektrospeicher aus mehreren parallel verschalteten Zellgruppen zusammengesetzt ist. Durch die spezielle Ladeschaltung wird dann alternativ zu dieser Parallelschaltung eine Serienschaltung eingestellt, sodass die Spannungslage des Elektrospeichers erhöht wird. Ein 400 V-Elektrospeicher mit z.B. zwei parallelen Zellgruppen ist dann mit einer 800 V-Ladestation ladbar, indem die Ladeschaltung die beiden Zellgruppen in Serie schaltet.
Vorzugsweise weist die Ladeschaltung zwei Hauptschalter auf, welche jeweils mit jeder der Zellgruppen in Serie geschaltet sind, zur galvanischen Trennung der Zellgruppen von der Ladestation. Die Hauptschalter werden allgemein auch als Schalter bezeichnet. Die Hauptschalter sind jeweils insbesondere als Relais ausgebildet, vorzugsweise als Schütz, speziell als Hochspannungsschütz. Die Hauptschalter rahmen sämtliche Zellen des Elektrospeichers gleichsam ein, sodass sämtliche Zellen nach außen hin galvanisch abtrennbar sind. Besonders bevorzugt ist eine möglichst hochohmige, vorzugsweise galvanische Trennung mittels der Hauptschalter, geeignet ist aber grundsätzliche auch eine Ausgestaltung der Hauptschalter jeweils als Halbleiterschalter. Zum Anschließen an die Ladestation weist die Ladeschaltung zwei Pole auf, einen positiven und einen negativen Pol, welche bei angeschlossenem Elektrospeicher entsprechend mit den Zellen des Elektrospeichers verbunden sind. Ein jeweiliger Hauptschalter ist dann zwischen einem der Pole und den Zellen angeordnet, um die Verbindung zwischen diesem Pol und den Zellen zu trennen oder herzustellen.
Zur Unterteilung des Elektrospeichers und zur Realisierung der Umschaltbarkeit zwischen den beiden Schaltzuständen weist die Ladeschaltung in einer bevorzugten Ausgestaltung zumindest zwei Ladeschalter auf, welche jeweils zu einer der Zellgruppen parallel geschaltet sind, zur Umgehung der jeweiligen Zellgruppe in geschlossenem Zustand. Jeder Zellgruppe ist demnach ein Ladeschalter zugeordnet. Die Ladeschalter werden allgemein auch als Schalter bezeichnet. Auch die Ladeschalter sind jeweils insbesondere als Relais ausgebildet, vorzugsweise als Schütz, speziell als Hochspannungsschütz. Wie bei den Hauptschaltern ist auch mittels der Ladeschalter eine möglichst hochohmige, vorzugsweise galvanische Trennung besonders bevorzugt, grundsätzliche geeignet ist aber auch eine Ausgestaltung der Ladeschalter jeweils als Halbleiterschalter. Die Ladeschalter sind leistungsmäßig insbesondere ähnlich ausgelegt wie die Hauptschalter. Ein jeweiliger Ladeschalter ist zu einer der Zellgruppen parallel geschaltet und dient somit zur elektrischen Umgehung ebendieser Zellgruppe. Hierzu wird der zweite Schaltzustand eingestellt und der entsprechende Ladeschalter geschlossen.
Unter „geschlossenem Zustand“ oder „geschlossen“ wird allgemein verstanden, dass der entsprechende Schalter geschlossen ist und eine elektrische Verbindung herstellt. Entsprechend wird unter „offenem Zustand“ oder „geöffnet“ verstanden, dass der entsprechende Schalter geöffnet ist und dann eine galvanische Trennung realisiert.
Für die Anordnung der beiden Ladeschalter innerhalb der Ladeschaltung und deren Zusammenwirken mit den Zellen des Elektrospeichers existieren mehrere mögliche und geeignete Varianten, von denen nachfolgend zwei besonders bevorzugte Varianten näher beschrieben werden.
In einer ersten Variante sind die Ladeschalter zueinander seriell und gemeinsam auf einem Umgehungspfad der Ladeschaltung angeordnet. Die Zellgruppen sind zueinander seriell und gemeinsam auf einem Zellpfad der Ladeschaltung angeordnet. Der Umgehungspfad ist parallel zum Zellpfad. Weiter sind der Umgehungspfad und der Zellpfad über einen Mittenabgriff verbunden, welcher zwischen den beiden Ladeschaltern abzweigt und zwischen den beiden Zellgruppen angeschlossen ist. Ausgehend von den beiden Anschlüssen der Ladeschaltung verzweigt sich der Strompfad demnach auf den Umgehungspfad einerseits und den Zellpfad andererseits. Der Umgehungspfad und der Zellpfad sind dann zusätzlich mittig über den Mittenabgriff verbunden.
Im Falle von zwei Zellgruppen unterteilt der Mittenabgriff den Elektrospeicher und die Ladeschaltung in eine obere Hälfte und eine untere Hälfte. Jede der Hälften umfasst einen der Ladeschalter und eine der Zellgruppen, welche zum Ladeschalter parallel geschaltet ist. Der zweite Schaltzustand weist dann insbesondere zwei Konfigurationen auf. In einer ersten Konfiguration ist der Ladeschalter der oberen Hälfte geschlossen und der Ladeschalter der unteren Hälfte geöffnet. Dadurch ist ein Strompfad ausgebildet, welcher von einem der beiden Pole der Ladeschaltung zur oberen Hälfte führt, dort über den geschlossenen Ladeschalter zum Mittenabgriff und durch die Zellgruppe der unteren Hälfte geführt wird. Schließlich erreicht der Strompfad den anderen der beiden Pole. Die Zellgruppe in der oberen Hälfte wird umgangen. Die Ausführungen gelten umgekehrt für eine zweite Konfiguration, in welcher entsprechend der Ladeschalter der oberen Hälfte geöffnet ist und der Ladeschalter der unteren Hälfte geschlossen ist.
In der beschriebenen ersten Variante sind die beiden Hauptschalter vorzugsweise auf dem Zellpfad angeordnet und dienen somit vorteilhaft zugleich dazu, die jeweilige Zellgruppe abzutrennen, sofern diese über den Umgehungspfad umgangen wird. Die Hauptschalter werden im zweiten Schaltzustand entgegengesetzt zu den Ladeschaltern geschaltet, d.h. falls der Ladeschalter der oberen Hälfte geöffnet ist, ist der Hauptschalter der oberen Hälfte geschlossen, um den Strompfad durch die Zellgruppe zu führen. Falls der Ladeschalter der oberen Hälfte geschlossen ist, ist der Hauptschalter der oberen Hälfte geöffnet, um die Zellgruppe abzutrennen. Entsprechendes gilt analog für die untere Hälfte.
Im ersten Schaltzustand sind dagegen beide Ladeschalter offen und beide Hauptschalter geschlossen, sodass der Strompfad über sämtliche Zellgruppen führt, nicht jedoch über den Mittenabgriff oder den Umgehungspfad. Die Ladeschalter sind vorzugsweise niemals gleichzeitig geschlossen, da dies zu einem Kurzschluss der Ladestation führen würde.
Die erste Variante weist insbesondere den Vorteil auf, dass Komponenten oder Aggregate, welche zusätzlich zur Ladeschaltung und Ladestation an den Elektrospeicher angeschlossen sind, weiterhin mit der vollen Gesamtspannung versorgt werden. Hierzu ist die entsprechende Komponente oder das Aggregat z.B. entsprechend innerhalb der Hauptschalter an den Zellpfad angeschlossen. Dies ist möglich, da auch im zweiten Schaltzustand die beiden Zellgruppen nicht galvanisch voneinander getrennt sind, sondern zum Laden lediglich einer der Zellgruppen die andere Zellgruppe mittels einem der Ladeschalter umgangen wird. Die Gesamtspannung kann also auch im zweiten Schaltzustand weiterhin abgegriffen und verwendet werden.
Durch abwechselndes Einstellen der beiden Konfigurationen innerhalb des zweiten Schaltzustands sind die beiden Zellgruppen vorteilhaft zeitlich nacheinander mit der Ladestation verbindbar und entsprechend alternierend ladbar.
In einer zweiten Variante ist jeweils eine der Zellgruppen mit einem der Ladeschalter zueinander seriell und gemeinsam auf einem jeweiligen Parallelpfad angeordnet. Die Parallelpfade sind zueinander parallel geschaltet und über einen Mittenabgriff miteinander verbunden. Auf dem Mittenabgriff ist ein Mittenschalter angeordnet, welcher auch allgemein als Schalter bezeichnet wird. Im ersten Schaltzustand ist der Mittenschalter geschlossen und die Ladeschalter sind geöffnet, sodass eine Reihenschaltung der Zellgruppen ausgebildet ist. Im zweiten Schaltzustand ist dagegen der Mittenschalter geöffnet und zumindest einer der Ladeschalter ist geschlossen. Falls lediglich ein Ladeschalter geschlossen ist, ist dadurch lediglich die entsprechende Zellgruppe auf demselben Parallelpfad mit der Ladestation verbunden. Falls mehrere Ladeschalter geschlossen sind, sind die entsprechenden Zellgruppen parallel zueinander geschaltet und jeweils mit der Ladestation verbunden. In beiden Fällen sind die Zellgruppen im zweiten Schaltzustand einzelweise mit der Ladestation verbindbar.
Ausgehend von den beiden Anschlüssen der Ladeschaltung verzweigt sich der Strompfad im Falle von zwei Zellgruppen demnach auf zwei Parallelpfade, welche jeweils eine Zellgruppe und einen Ladeschalter aufweisen. Die Parallelpfade sind zusätzlich mittig über den Mittenabgriff verbunden, welcher wie auch in der ersten Variante den Elektrospeicher und die Ladeschaltung in eine obere Hälfte und eine untere Hälfte unterteilt. Jede der Hälften umfasst einen der Ladeschalter und eine der Zellgruppen, welche zum Ladeschalter derselben Hälfte parallel geschaltet ist. Im Gegensatz zur ersten Variante ist in der zweiten Variante allerdings eine echte Parallelschaltung der Zellgruppen im zweiten Schaltzustand möglich. Eine Parallelschaltung wird dadurch eingestellt, dass beide Ladeschalter geschlossen werden und der Mittenschalter geöffnet wird. Im Gegensatz zur ersten Variante führt bei der zweiten Variante der Strompfad im zweiten Schaltzustand also gerade nicht über den Mittenabgriff. Allerdings wird in der zweiten Variante gegenüber der ersten Variante ein Schalter mehr benötigt, nämlich der Mittenschalter. Dieser ist vorzugsweise ebenfalls als Relais ausgebildet, vorzugsweise als Schütz, speziell als Hochspannungsschütz. Wie bei den Hauptschaltern und den Ladeschaltern ist auch mittels des Mittenschalters eine möglichst hochohmige, vorzugsweise galvanische Trennung besonders bevorzugt, grundsätzliche geeignet ist aber auch eine Ausgestaltung des Mittenschalters als Halbleiterschalter.
Zusätzlich zur Parallelschaltung der Zellgruppen ist in der zweiten Variante ebenfalls eine alternierende Ladung der Zellgruppen wie in der ersten Variante möglich und in einer zweckmäßigen Ausgestaltung auch realisiert. Entsprechend sind dann zusätzlich zur Parallelschaltung noch analog zur ersten Variante zwei Konfigurationen einstellbar, in welchen je einer der Ladeschalter geöffnet und der andere Ladeschalter geschlossen ist, sodass lediglich einer der Parallelpfade an die Ladestation angeschlossen ist.
Um bei der zweiten Variante den zweiten Schaltzustand einzustellen, sind zunächst sämtliche Schalter geöffnet und hiervon ausgehend wird der Ladeschalter der unteren Hälfte geschlossen. Danach wird der Ladeschalter der oberen Hälfte geschlossen. Daraufhin wird der Hauptschalter der unteren Hälfte geschlossen. Anschließend wird der Hauptschalter der oberen Hälfte geschlossen und damit der zweite Schaltzustand erreicht. Um auf den ersten Schaltzustand umzuschalten, werden ausgehend von dem zweiten Schaltzustand die beiden Ladeschalter geöffnet und anschließend der Mittenschalter geschlossen und dadurch der erste Schaltzustand erreicht. Um von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand umzuschalten, werden zunächst die beiden Hauptschalter und der Mittenschalter geöffnet, sodass nun alle Schalter geöffnet sind. Danach wird wie bereits beschrieben verfahren.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist die Ladeschaltung einen Spannungswandler auf, welcher an eine der Zellgruppen angeschlossen ist. Vorzugsweise ist der Spannungswandler parallel zur entsprechenden Zellgruppe geschaltet. Der Spannungswandler ist vorzugsweise in der oberen oder der unteren Hälfte der Ladeschaltung angeordnet und an wenigstens eine der Zellgruppen ebenjener Hälfte angeschlossen. Der Spannungswandler ist insbesondere ein Gleichspannungswandler und wird auch als Hochsetzsteller oder als DC/DC-Wandler bezeichnet. Vorzugsweise wird der Spannungswandler im zweiten Schaltzustand zugeschaltet, d.h. aktiviert, vorzugsweise mittels eines entsprechenden Schalters, bevorzugterweise mittels eines Halbleiterschalters. Der Spannungswandler realisiert vorteilhaft die Aufrechterhaltung verschiedener Spannungslagen während des Ladevorgangs.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Spannungswandler ausgebildet, eine Eingangsspannung der Zellgruppe in eine Ausgangsspannung umzuwandeln, welche größer ist als die Eingangsspannung. Die Eingangsspannung entspricht insbesondere der Ladespannung der Ladestation. Während die Zellgruppen einzelweise mit der Ladestation verbindbar sind, ist zur Versorgung weiterer Komponenten, welche an die Zellgruppen angeschlossen sind, üblicherweise lediglich eine niedrigere Spannung verfügbar, insbesondere ist lediglich die niedrigere, zweite Spannungslage verfügbar. Um trotzdem solche Komponenten zu versorgen, welche eine höhere Spannung benötigen, insbesondere diejenige der höheren, ersten Spannungslage, wird der Spannungswandler aktiviert, um die Spannung der Zellgruppe, d.h. insbesondere die erste Spannungslage, auf eine höhere Spannung hochzusetzen, insbesondere auf die zweite Spannungslage. Beispielsweise ist der zweite Schaltzustand eingestellt und eine der Zellgruppen wird mit 400 V geladen. Eine Komponente, welche währenddessen aber mit 800 V versorgt werden soll, erhält diese Spannung nun, indem der Spannungswandler aktiviert wird und dadurch die 400 V auf 800 V hochgesetzt werden. Dieses Konzept ist auch vorteilhaft umkehrbar, sodass in einer geeigneten Ausgestaltung der Spannungswandler ausgebildet ist, eine Eingangsspannung der Zellgruppe in eine Ausgangsspannung umzuwandeln, welche geringer ist als die Eingangsspannung, sodass dann insbesondere im ersten Schaltzustand beispielsweise eine 400 V-Komponente auch beim Laden mit einer Ladespannung von 800 V mit einer Spannung von 400 V versorgt wird. Zusätzlich oder alternativ werden auf gleiche Weise mittels eines entsprechenden Spannungswandlers ein oder mehrere andere Spannungslagen als die erste und die zweite Spannungslage versorgt, z.B. eine Spannungslage mit 24 V oder 48 V oder beide.
Die beschriebenen Ausgestaltungen mit dem Spannungswandler sind besonders zweckmäßig in Verbindung mit der beschriebenen zweiten Variante der Ladeschaltung, sind jedoch grundsätzlich auch vorteilhaft auf die erste Variante anwendbar.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist auf dem Mittenabgriff eine Sicherung angeordnet. Im Zusammenhang mit einem Elektrofahrzeug und üblichen Ladespannungen und Ladeströmen ist die Sicherung geeigneterweise eine 200 A-Sicherung. Andere Werte sind jedoch je nach konkreter Anwendung auch denkbar und geeignet.
Wie oben bereits angedeutet wurde, ist die Ladeschaltung in einer zweckmäßigen Ausgestaltung ausgebildet, die beiden oder allgemein die mehreren Zellgruppen abwechselnd mit der Ladestation zu verbinden und dadurch den Elektrospeicher alternierend zu laden. Anstatt also im zweiten Schaltzustand eine Parallelschaltung aller Zellgruppen herzustellen und diese auf der zweiten Spannungslage gleichzeitig zu laden, werden die Zellgruppen also periodisch wiederkehrend und nacheinander mit der Ladestation verbunden und getrennt. Dies ist insbesondere bei der beschriebenen ersten Variante vorteilhaft, da diese keine Parallelschaltung unterstützt. Zu einem gegebenen Zeitpunkt wird also immer nur eine der Zellgruppen auf der zweiten Spannungslage geladen, während die anderen Zellgruppen von der Ladestation getrennt sind. Ein Vorteil des alternierenden Ladens ist, dass diejenigen Zellgruppen, welche zu einem gegebenen Zeitpunkt nicht angeschlossen sind, eine Erholungspause erfahren, was insbesondere thermisch betrachtet vorteilhaft ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Ladeschaltung zum alternierenden Laden des Elektrospeichers derart ausgebildet, dass die Zellgruppen zeitlich nacheinander jeweils über einen Zeitraum von wenigsten 5 min und höchstens 30 min mit der Ladestation verbunden werden und dadurch entsprechend geladen werden. Eine einzelne Zellgruppe wird demnach über den angegebenen Zeitraum geladen, danach wird auf eine andere Zellgruppe umgeschaltet. Die Untergrenze von 5 min stellt insbesondere sicher, dass Initialisierungsvorgänge und Einschwingvorgänge abgeschlossen sind und eine zumindest teilweise Ladung der Zellgruppe erfolgt ist, bevor diese wieder abgetrennt wird, um die nächste Zellgruppe zu laden. Die Obergrenze ist an sich nicht zwingend notwendig, ist jedoch vorteilhaft, um eine einigermaßen gleichmäßige Ladung aller Zellgruppen zu gewährleisten. Dabei gilt, dass mit geringerem Zeitraum auch der Ladeunterschied zwischen den Zellgruppen vorteilhaft verringert wird, sodass ein möglichst kurzer Zeitraum besonders vorteilhaft ist. Denkbar und geeignet ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher die Zellgruppen nacheinander jeweils vollständig geladen werden, d.h. es wird erst dann auf die nächste Zellgruppe umgeschaltet, wenn die aktuell angeschlossene Zellgruppe vollständig geladen ist.
Insbesondere zur Verbesserung der Schaltsicherheit beim Laden weist die Ladeschaltung für jede der Zellgruppen eine Vorladeschaltung auf, welche der jeweiligen Zellgruppe vorgeschaltet ist. Dabei kann eine Vorladeschaltung auch mehreren Zellgruppen gemeinsam vorgeschaltet sein. Eine Vorladeschaltung weist einen Vorladewiderstand und in Serie dazu einen Vorladeschalter auf und ist insgesamt parallel zu einem der Ladeschalter oder einem der Hauptschalter geschaltet. Die Vorladeschalter werden auch allgemein als Schalter bezeichnet. Die Vorladeschaltung dient dazu, etwaige Kapazitäten, welche in den Elektrospeicher integriert oder mit diesem verbunden sind vorzuladen und dadurch eine nachteilige Überspannung beim Verbinden mit der Ladestation zu verhindern. Die Vorladeschalter werden beim Umschalten zwischen den Schaltzuständen geeignet mit umgeschaltet, insbesondere derart, dass zunächst der parallele Schalter offen ist, der Vorladeschalter geschlossen wird, dann der parallele Schalter geschlossen wird und schließlich der Vorladeschalter geöffnet wird. Das Konzept mit Vorladeschaltung ist auf beide der oben beschriebenen Varianten anwendbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betrieb einer Ladeschaltung wie vorstehend beschrieben, ist also ein Betriebsverfahren. Dabei wird insbesondere der Elektrospeicher, welcher an die Ladeschaltung angeschlossen ist, geladen. Bei dem Verfahren wird die Spannungslage des Elektrospeichers an die Ladespannung der Ladestation angepasst, indem einer der beiden Schaltzustände eingestellt wird. Weitere vorteilhafte Verfahrensschritte ergeben sich aus den bisherigen Ausführungen, speziell aus den Ausführungen zum alternierenden Laden der Zellgruppen.
Besonders vorteilhaft ist die Kombination der beschriebenen Ladeschaltung mit einem Elektrofahrzeug. Die Aufgabe wird entsprechend auch gelöst durch ein Elektrofahrzeug, welches eine Ladeschaltung wie vorstehend beschrieben aufweist, und auch durch die Verwendung einer Ladeschaltung wie beschrieben in einem Elektrofahrzeug. Denkbar und geeignet ist an sich auch die Integration der Ladeschaltung in eine Ladestation. Weiter wird die Aufgabe gelöst durch einen Elektrospeicher, welcher eine Ladeschaltung wie vorstehend beschrieben aufweist und welcher zur Verwendung in einem Elektrofahrzeug ausgebildet ist. Dabei ist die Ladeschaltung vorzugsweise vollständig oder teilweise in den Elektrospeicher integriert. Beispielsweise sind Haupt- und Ladeschalter in den Elektrospeicher integriert, alternativ sind beispielsweise lediglich die Hauptschalter in den Elektrospeicher integriert und die Ladeschalter sind diesbezüglich extern angeordnet.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:

1 eine Ladestation sowie ein Elektrofahrzeug mit einem Elektrospeicher und mit einer Ladeschaltung,
2 eine erste Variante der Ladeschaltung in einem ersten Schaltzustand,
3 die Ladeschaltung aus 2 in einem zweiten Schaltzustand,
4 eine zweite Variante der Ladeschaltung in einem ersten Schaltzustand,
5 die Ladeschaltung aus 4 in einem zweiten Schaltzustand.

In 1 ist eine Ladestation 2 gezeigt sowie ein Elektrofahrzeug 4, welches einen Elektrospeicher 6 und eine Ladeschaltung 8 aufweist. Der Elektrospeicher 6 weist mehrere Zellen auf und dient zur Energieversorgung eines nicht näher gezeigten elektrischen Antriebs des Elektrofahrzeugs 4. Die Ladeschaltung 8 ist ausgebildet zum Laden des Elektrospeichers 6 mittels der Ladestation 2. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Ladestation 2 hierzu ein nicht bezeichnetes Ladekabel auf, welches zum Laden an das Elektrofahrzeug 4 angeschlossen ist und dadurch die Ladestation 2 mit der Ladeschaltung 8 verbindet. Vorliegend ist die Ladeschaltung 8 in das Elektrofahrzeug 4 eingebaut, dies ist jedoch nicht zwingend. Der Elektrospeicher 6 bildet in Kombination mit der Ladeschaltung 8 ein Speichersystem. Zwei Ausführungsvarianten der Ladeschaltung 8 in Verbindung mit den Zelten des Elektrospeichers 6 sind in den 2, 3 und 4, 5 dargestellt.
Die Ladeschaltung 8 unterteilt den Elektrospeicher 6 in einem angeschlossenen Zustand in hier zwei gleichartige Zellgruppen Z1, Z2. Jede Zellgruppe Z1, Z2 ist über zwei Anschlüsse 10 mit der Ladeschaltung 8 verbunden. Der Elektrospeicher 6 wird somit in zwei Zellgruppen Z1, Z2 segmentiert, welche einzelweise an die Ladeschaltung 8 angeschlossen sind. Vorliegend sind die beiden Zellgruppen Z1, Z2 gleichartig ausgebildet und weisen daher dieselbe Spannungslage auf. Obwohl die Ausführungsbeispiele je lediglich zwei Zellgruppen Z1, Z2 zeigen, sind die beschriebenen Konzepte analog auch auf Ausgestaltungen mit mehr als zwei Zellgruppen Z1, Z2 anwendbar.
Die Ladeschaltung 8 weist einen ersten Schaltzustand auf, in welchem die Zellgruppen Z1, Z2 in Serie geschaltet sind, sodass eine erste Spannungslage des Elektrospeichers 6 eingestellt ist. Der erste Schaltzustand ist für die beiden Ausführungsbeispiele in den 2 und 4 gezeigt. Die Ladeschaltung 8 weist weiter einen zweiten Schaltzustand auf, in welchem die Zellgruppen Z1, Z2 einzelweise mit der Ladestation 8 verbindbar sind, sodass eine zweite Spannungslage des Elektrospeichers 6 eingestellt ist, welche geringer ist als die erste Spannungslage. Der zweite Schaltzustand in für die beiden Ausführungsbeispiele in den 3 und 5 gezeigt. Im zweiten Schaltzustand sind die Zellgruppen Z1, Z2 gerade nicht in Serie geschaltet, sodass sich der erste und der zweite Schaltzustand gegenseitig ausschließen. Die einzelweise Verbindung mit der Ladestation 2 wird durch die spezielle Anbindung der Ladeschaltung 8 an den Elektrospeicher 6 und die sich daraus ergebende Unterteilung desselben in mehrere Zellgruppen Z1, Z2 ermöglicht.
Die Ladeschaltung 8 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand umschaltbar, zur Anpassung der Spannungslage des Elektrospeichers 6 an eine Ladespannung der Ladestation 2. Die Ladeschaltung 8 stellt durch geeignetes Umschalten zwischen den Schaltzuständen die Spannungslage des Elektrospeichers 6 entsprechend ein, sodass dieser an Ladestationen 2 mit unterschiedlicher Ladespannung geladen werden kann. Zum Umschalten und Einstellen eines Schaltzustands weist die Ladeschaltung 8 eine nicht explizit gezeigte Steuereinheit auf oder ist mit einer solchen verbunden.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Ladeschaltung 8 jeweils derart ausgebildet, dass diese den Elektrospeicher 6 in genau zwei Zellgruppen Z1, Z2 unterteilt, welche jeweils eine Spannungslage von 400 V aufweisen, sodass die erste Spannungslage im ersten Schaltzustand 800 V beträgt, zum Laden an einer 800 V-Ladestation 2, und sodass die zweite Spannungslage im zweiten Schaltzustand 400 V beträgt, zum Laden an einer 400 V-Ladestation 2. Im zweiten Schaltzustand wird der Elektrospeicher 6 wie in den 3 und 5 gezeigt in zwei 400 V-Zellgruppen Z1, Z2 unterteilt, sodass die Spannungslage des Elektrospeichers 6 entsprechend auf 400 V verringert ist und dieser mit einer 400 V-Ladestation 2 geladen werden kann, indem die beiden Zellgruppen Z1, Z2 einzelweise geladen werden, d.h. zeitlich nacheinander oder ggf. sogar in einer Parallelschaltung gleichzeitig. Der Elektrospeicher 6 kann aber auch an einer 800 V-Ladestation 2 geladen werden, indem der erste Schaltzustand eingestellt wird, wie in den 2 und 4 gezeigt. Mittels der Ladeschaltung 8 kann auch ein Elektrospeicher mit vergleichsweise niedriger Spannungslage von z.B. 400 V auf eine höhere Spannungslage von z.B. 800 V umgeschaltet werden, sofern der Elektrospeicher 6 aus mehreren parallel verschalteten Zellgruppen Z1, Z2 zusammengesetzt ist. Die Ladeschaltung 8 stellt dann alternativ zu dieser Parallelschaltung eine Serienschaltung ein, sodass die Spannungslage des Elektrospeichers 6 entsprechend erhöht wird.
Die Ladeschaltung 8 weist zwei Hauptschalter H1, H2 auf, welche jeweils mit jeder der Zellgruppen Z1, Z2 in Serie geschaltet sind, zur galvanischen Trennung der Zellgruppen Z1, Z2 von der Ladestation 2. Die Hauptschalter H1, H2 sind jeweils als Hochspannungsschütz ausgebildet und rahmen sämtliche Zellen elektrisch betrachtet gleichsam ein, sodass diese nach außen hin galvanisch abtrennbar sind. Zum Anschließen an die Ladestation 2 weist die Ladeschaltung 8 zudem zwei Pole P1, P2 auf, welche im angeschlossenen Zustand entsprechend mit den Zellen des Elektrospeichers 6 verbunden sind. Ein jeweiliger Hauptschalter H1, H2 ist dann zwischen einem der Pole P1, P2 und den Zellen angeordnet, um die Verbindung zwischen diesem Pol P1, P2 und den Zellen zu trennen oder herzustellen.
Zur Unterteilung des Elektrospeichers 6 und zur Realisierung der Umschaltbarkeit zwischen den beiden Schaltzuständen weist die Ladeschaltung 8 in den gezeigten Ausführungsbeispielen zwei Ladeschalter L1, L2 auf, welche jeweils zu einer der Zellgruppen Z1, Z2 parallel geschaltet sind, zur Umgehung der jeweiligen Zellgruppe Z1, Z2 in geschlossenem Zustand. Auch die Ladeschalter L1, L2 sind jeweils als Hochspannungsschütz ausgebildet und vorliegend auch leistungsmäßig ähnlich ausgelegt wie die Hauptschalter H1, H2. Ein jeweiliger Ladeschalter L1, L2 ist zu einer der Zellgruppen Z1, Z2 parallel geschaltet und dient somit zur elektrischen Umgehung ebendieser Zellgruppe Z1, Z2. Hierzu wird der zweite Schaltzustand eingestellt und der entsprechende Ladeschalter L1, L2 geschlossen.
In den 2 und 3 ist eine erste Variante der Ladeschaltung 8 gezeigt, bei welcher die Ladeschalter L1, L2 zueinander seriell und gemeinsam auf einem Umgehungspfad 12 angeordnet sind. Die Zellgruppen Z1, Z2 sind zueinander seriell und gemeinsam auf einem Zellpfad 14 angeordnet. Der Umgehungspfad 12 ist parallel zum Zellpfad 14. Weiter sind der Umgehungspfad 12 und der Zellpfad 14 über einen Mittenabgriff 16 verbunden, welcher zwischen den beiden Ladeschaltern L1, L2 abzweigt und zwischen den beiden Zellgruppen Z1, Z2 angeschlossen ist. Ausgehend von den beiden Polen P1, P2 verzweigt sich der Strompfad auf den Umgebungspfad 12 einerseits und den Zellpfad 14 andererseits. Diese sind mittig über den Mittenabgriff 16 verbunden, welcher vorliegend die Ladeschaltung 8 in eine obere Hälfte (in 2 und 3 links) und eine untere Hälfte (in 2 und 3 rechts) teilt. Jede der Hälften umfasst einen der Ladeschalter L1, L2 und hierzu parallel eine der Zellgruppen Z1, Z2. Der zweite Schaltzustand weist dann zwei Konfigurationen auf. In einer ersten Konfiguration, welche in 3 gezeigt ist, ist der Ladeschalter L1 der oberen Hälfte geschlossen und der Ladeschalter L2 der unteren Hälfte geöffnet. Umgekehrt ist der Hauptschalter H1 der oberen Hälfte geöffnet und der Hauptschalter H2 der unteren Hälfte geschlossen. Dadurch ist ein Strompfad ausgebildet, welcher vom Pol P1 zur oberen Hälfte führt, dort über den geschlossenen Ladeschalter L1 zum Mittenabgriff 16 und durch die Zellgruppe Z2 der unteren Hälfte geführt wird. Schließlich erreicht der Strompfad den anderen Pol P2. In 3 ist dieser Strompfad durch Pfeile angedeutet. Die Zellgruppe Z1 in der oberen Hälfte wird umgangen. Die Ausführungen gelten umgekehrt für eine nicht explizit dargestellte zweite Konfiguration, in welcher entsprechend der Ladeschalter L1 der oberen Hälfte geöffnet ist und der Ladeschalter L2 der unteren Hälfte geschlossen ist. Die Ladeschalter L1, L2 sind niemals gleichzeitig geschlossen, da dies zu einem Kurzschluss der Ladestation 2 führen würde.
In der Variante der 2 und 3 sind die beiden Hauptschalter H1, H2 auf dem Zellpfad 14 angeordnet und dienen dazu jeweilige Zellgruppe Z1, Z2 abzutrennen, sofern diese über den Umgehungspfad 12 umgangen wird. Die Hauptschalter H1, H2 werden im zweiten Schaltzustand entgegengesetzt zu den Ladeschaltern L1, L2 geschaltet, d.h. falls der Ladeschalter L1 der oberen Hälfte geöffnet ist, ist der Hauptschalter H1 der oberen Hälfte geschlossen, um den Strompfad durch die Zellgruppe Z1 zu führen. Falls der Ladeschalter L2 der oberen Hälfte geschlossen ist, ist der Hauptschalter H1 der oberen Hälfte geöffnet, um die Zellgruppe Z1 abzutrennen. Entsprechendes gilt analog für die untere Hälfte.
Im ersten Schaltzustand sind dagegen wie in 2 gezeigt beide Ladeschalter L1, L2 offen und beide Hauptschalter H1, H2 geschlossen, sodass der Strompfad über sämtliche Zellgruppen Z1, Z2 führt, nicht jedoch über den Mittenabgriff 16 oder der Umgehungspfad 12. Dieser Strompfad ist in 2 durch Pfeile verdeutlicht.
In den 4 und 5 ist eine zweite Variante der Ladeschaltung 8 gezeigt, bei welcher jeweils eine der Zellgruppen Z1, Z2 mit einem der Ladeschalter L1, L2 zueinander seriell und gemeinsam auf einem Parallelpfad 18, 20 angeordnet ist. Die Parallelpfade 18, 20 sind zueinander parallel geschaltet und über einen Mittenabgriff 16 miteinander verbunden. Auf dem Mittenabgriff 16 ist ein Mittenschalter M angeordnet. Der Mittenschalter M ist hier als Hochspannungsschütz ausgebildet. Wie aus 4 deutlich wird, ist im ersten Schaltzustand der Mittenschalter M geschlossen und die Ladeschalter L1, L2 sind geöffnet, sodass eine Reihenschaltung der Zellgruppen Z1, Z2 ausgebildet ist. Der entsprechende Strompfad ist in 4 durch Pfeile verdeutlicht. Im zweiten Schaltzustand ist dagegen der Mittenschalter M geöffnet und zumindest einer der Ladeschalter L1, L2 ist geschlossen. Falls lediglich ein Ladeschalter L1, L2 geschlossen ist, ist dadurch lediglich die entsprechende Zellgruppe Z1, Z2 mit der Ladestation 2 verbunden. Falls beide Ladeschalter L1, L2 geschlossen sind, sind entsprechend beide Zellgruppen Z1, Z2 parallel zueinander geschaltet und jeweils mit der Ladestation 2 verbunden. In beiden Fällen sind die Zellgruppen Z1, Z2 im zweiten Schaltzustand einzelweise mit der Ladestation 2 verbindbar.
Bei der Ladeschaltung 8 der 4 und 5 verzweigt sich der Strompfad ausgehend von den beiden Anschlüssen 10 der Ladeschaltung 8 auf die beiden Parallelpfade 18, 20, welche jeweils eine Zellgruppe Z1, Z2 und einen Ladeschalter L1, L2 aufweisen. Die Parallelpfade 18, 20 sind zusätzlich mittig über den Mittenabgriff 16 verbunden, welcher wie auch in der ersten Variante den Elektrospeicher 6 und die Ladeschaltung 8 in eine obere Hälfte (in 4 und 5 links) und eine untere Hälfte (in 4 und 5 rechts) unterteilt. Jede der Hälften umfasst einen der Ladeschalter L1, L2 und eine der Zellgruppen Z1, Z2, welche zum entsprechenden Ladeschalter L1, L2 parallel geschaltet ist. Im Gegensatz zur ersten Variante ist in der zweiten Variante allerdings eine echte Parallelschaltung der Zellgruppen Z1, Z2 in den zweiten Schaltzustand möglich. Eine Parallelschaltung ist in 5 gezeigt und wird dadurch eingestellt, dass beide Ladeschalter L1, L2 geschlossen werden und der Mittenschalter M geöffnet wird. Der sich daraus ergebende Strompfad ist in 5 durch Pfeile verdeutlicht.
Zusätzlich zur Parallelschaltung der Zellgruppen Z1, Z2 ist in der zweiten Variante aber auch eine alternierende Ladung der Zellgruppen Z1, Z2 wie in der ersten Variante dadurch realisierbar, dass einer der Ladeschalter L1, L2 geöffnet und der andere Ladeschalter L1, L2 geschlossen wird, sodass lediglich einer der Parallelpfade 18, 20 an die Ladestation 2 angeschlossen ist.
In beiden Ausführungsbeispielen ist vorliegend auf dem Mittenabgriff M eine 200 A-Sicherung 22 angeordnet.
In beiden gezeigten Varianten ist ein Betrieb der Ladeschaltung 8 derart möglich, dass, die beiden Zellgruppen Z1, Z2 abwechselnd mit der Ladestation 2 verbunden werden und dadurch der Elektrospeicher 6 alternierend geladen wird. Die Zellgruppen Z1, Z2 werden dann periodisch wiederkehrend und nacheinander mit der Ladestation 2 verbunden und von dieser getrennt, sodass zu einem gegebenen Zeitpunkt immer nur eine der Zellgruppen Z1, Z2 geladen wird, während die andere Zellgruppe Z1, Z2 von der Ladestation 2 getrennt ist. Vorliegend werden die Zellgruppen Z1, Z2 zeitlich nacheinander jeweils über einen Zeitraum von wenigsten 5 min und höchstens 30 min mit der Ladestation 2 verbunden.
Zur Verbesserung der Schaltsicherheit beim Laden weist die Ladeschaltung 8 der 4 und 5 für jede der Zellgruppen Z1, Z2 eine Vorladeschaltung auf, welche der jeweiligen Zellgruppe Z1, Z2 vorgeschaltet ist und vorliegend aus einem Vorladewiderstand R1, R2 und einem dazu in Serie geschalteten Vorladeschalter V1, V2 besteht. In einer nicht gezeigten Variante ist die Ladeschaltung 8 der 2 und 3 analog mit einer oder mehrerer Vorladeschaltungen kombiniert.
Um bei der Ladeschaltung 8 der 4 und 5 den zweiten Schaltzustand einzustellen, sind zunächst sämtliche Schalter H1, H2, L1, L2, M, V1, V2 geöffnet und hiervon ausgehend werden zunächst der Ladeschalter L2 und der Vorladeschalter V2 geschlossen. Danach wird der Ladeschalter L1 geschlossen. Anschließend wird der Vorladeschalter V2 geöffnet. Daraufhin werden der Vorladeschalter V1 und der Hauptschalter H2 geschlossen. Anschließend wird der Hauptschalter H1 geschlossen. Abschließend wird der Vorladeschalter V1 geöffnet und damit der zweite Schaltzustand erreicht.
Um auf den ersten Schaltzustand umzuschalten, werden ausgehend von dem zweiten Schaltzustand die beiden Ladeschalter L1, L2 geöffnet und anschließend der Mittenschalter M geschlossen und dadurch der erste Schaltzustand erreicht.
Um von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand umzuschalten, werden zunächst die Hauptschalter H1, H2 und der Mittenschalter M geöffnet, sodass nun alle Schalter H1, H2, L1, L2, M, V1, V2 geöffnet sind. Danach wird wie oben bereits beschrieben verfahren.
Falls keine Vorladeschalter V1, V2 vorhanden sind, fallen die darauf entfallenden Schaltvorgänge entsprechend weg.
Im Ausführungsbeispiel der 4 und 5 ist mit gestrichenen Linien ein optionaler Spannungswandler 24 gezeigt, welcher an eine der Zellgruppen Z1, Z2 parallel angeschlossen ist. Der Spannungswandler 24 ist in der oberen oder der unteren Hälfte der Ladeschaltung 8 angeordnet und an wenigstens eine der Zellgruppen Z1, Z2 ebenjener Hälfte angeschlossen. In 4 und 5 ist der Spannungswandler 24 lediglich beispielhaft an die Zellgruppe Z2 der unteren Hälfte angeschlossen, in einer nicht gezeigten Variante ist der Spannungswandler 24 analog an die Zellgruppe Z1 der oberen Hälfte angeschlossen. Der Spannungswandler 24 ist ein Gleichspannungswandler und wird vorliegend im zweiten Schaltzustand zugeschaltet, d.h. aktiviert, beispielsweise mittels eines nicht näher gezeigten Schalters. Der Spannungswandler 24 realisiert die Aufrechterhaltung verschiedener Spannungslagen während des Ladevorgangs. Dabei ist der Spannungswandler 24 in der gezeigten Ausführungsform ausgebildet, eine Eingangsspannung der Zellgruppe Z2 in eine Ausgangsspannung umzuwandeln, welche größer ist als die Eingangsspannung. In 4 und 5 sind geeignete Anschlüsse des Spannungswandlers 24 zum Abgreifen der Ausgangsspannung nicht explizit dargestellt. Die Eingangsspannung entspricht hier der Ladespannung der Ladestation 2, sodass solche Komponenten, welche eine höhere Spannung benötigen, weiterhin versorgt werden, indem die Spannung der Zellgruppe Z2 auf eine höhere Spannung hochgesetzt wird. Beispielsweise ist der zweite Schaltzustand eingestellt und die Zellgruppe Z2 wird mit 400 V geladen. Eine Komponente, welche währenddessen aber mit 800 V versorgt werden soll, erhält diese Spannung nun, indem der Spannungswandler 24 aktiviert wird und dadurch die 400 V auf 800 V hochgesetzt werden. Dieses Konzept ist auch vorteilhaft umkehrbar, sodass in einer nicht gezeigten Ausgestaltung der Spannungswandler 24 ausgebildet ist, eine Eingangsspannung einer der Zellgruppen Z1, Z2 in eine Ausgangsspannung umzuwandeln, welche geringer ist als die Eingangsspannung, sodass dann eine 400 V-Komponente auch beim Laden mit einer Ladespannung von 800 V mit einer Spannung von 400 V versorgt wird. Zusätzlich oder alternativ werden auf gleiche Weise mittels eines entsprechenden Spannungswandlers 24 ein oder mehrere andere Spannungslagen als die erste und die zweite Spannungslage versorgt, z.B. eine Spannungslage mit 24 V oder 48 V oder beide.
Die beschriebenen Ausgestaltungen mit dem Spannungswandler 24 sind besonders zweckmäßig in Verbindung mit der zweiten Variante der Ladeschaltung 8 in den 4 und 5, sind jedoch grundsätzlich auch auf die erste Variante in den 2 und 3 analog anwendbar.
Bezugszeichenliste

2: Ladestation
4: Elektrofahrzeug
6: Elektrospeicher
8: Ladeschaltung
10: Anschluss
12: Umgehungspfad
14: Zellpfad
16: Mittenabgriff
18, 20: Parallelpfad
22: Sicherung
24: Spannungswandler
H1, H2: Hauptschalter
L1, L2: Ladeschalter
M: Mittenschalter
P1, P2: Pol
R1, R2: Vorladewiderstand
V1, V2: Vorladeschalter
Z1, Z2: Zellgruppe

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 102015101187 A1 [0004]

Claims

Ladeschaltung (8), - welche ausgebildet ist zum Laden eines Elektrospeichers (6) eines Elektrofahrzeugs (4) mittels einer Ladestation (2), - welche den Elektrospeicher (6) in einem angeschlossenen Zustand in zumindest zwei Zellgruppen (Z1, Z2) unterteilt, - welche einen ersten Schaltzustand aufweist, in welchem die Zellgruppen (Z1, Z2) in Serie geschaltet sind, sodass eine erste Spannungslage des Elektrospeichers (6) eingestellt ist, - welche einen zweiten Schaltzustand aufweist, in welchem die Zellgruppen (Z1, Z2) einzelweise mit der Ladestation (2) verbindbar sind, sodass eine zweite Spannungslage des Elektrospeichers (6) eingestellt ist, welche geringer ist als die erste Spannungslage, - welche zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand umschaltbar ist, zur Anpassung der Spannungslage des Elektrospeichers (6) an eine Ladespannung der Ladestation (2).
Ladeschaltung (8) nach Anspruch 1, welche derart ausgebildet ist, dass diese den Elektrospeicher (6) in genau zwei Zellgruppen (Z1, Z2) unterteilt, welche jeweils eine Spannungslage von 400 V aufweisen, sodass die erste Spannungslage im ersten Schaltzustand 800 V beträgt, zum Laden an einer 800 V-Ladestation (2), und sodass die zweite Spannungslage im zweiten Schaltzustand 400 V beträgt, zum Laden an einer 400 V-Ladestation (2).
Ladeschaltung (8) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, welche zwei Hauptschalter (H1, H2) aufweist, welche jeweils mit jeder der Zellgruppen (Z1, Z2) in Serie geschaltet sind, zur galvanischen Trennung der Zellgruppen (Z1, Z2) von der Ladestation (2).
Ladeschaltung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche zwei Ladeschalter (L1, L2) aufweist, welche jeweils zu einer der Zellgruppen (Z1, Z2) parallel geschaltet sind, zur Umgehung der jeweiligen Zellgruppe (Z1, Z2) in geschlossenem Zustand.
Ladeschaltung (8) nach Anspruch 4, wobei die Ladeschalter (L1, L2) zueinander seriell und gemeinsam auf einem Umgehungspfad (12) angeordnet sind, wobei die Zellgruppen (Z1, Z2) zueinander seriell und gemeinsam auf einem Zellpfad (14) angeordnet sind, wobei der Umgehungspfad (12) parallel zum Zellpfad (14) ist, wobei der Umgehungspfad (12) und der Zellpfad (12) über einen Mittenabgriff (16) verbunden sind, welcher zwischen den beiden Ladeschaltern (L1, L2) abzweigt und zwischen den beiden Zellgruppen (Z1, Z2) angeschlossen ist.
Ladeschaltung (8) nach Anspruch 4, wobei jeweils eine der Zellgruppen (Z1, Z2) mit einem der Ladeschalter (L1, L2) zueinander seriell und gemeinsam auf einem Parallelpfad (18, 20) angeordnet ist, wobei die Parallelpfade (18, 20) zueinander parallel geschaltet sind und über einen Mittenabgriff (16) miteinander verbunden sind, auf welchem ein Mittenschalter (M) angeordnet ist, wobei im ersten Schaltzustand der Mittenschalter (M) geschlossen ist und die Ladeschalter (L1, L2) geöffnet sind.
Ladeschaltung (8) nach Anspruch 4 oder 6, wobei jeweils eine der Zellgruppen (Z1, Z2) mit einem der Ladeschalter (L1, L2) zueinander seriell und gemeinsam auf einem Parallelpfad (18, 20) angeordnet ist, wobei die Parallelpfade (18, 20) zueinander parallel geschaltet sind und über einen Mittenabgriff (16) miteinander verbunden sind, auf welchem ein Mittenschalter (M) angeordnet ist, wobei im zweiten Schaltzustand der Mittenschalter (M) geöffnet ist und zumindest einer der Ladeschalter (L1, L2) geschlossen ist.
Ladeschaltung (8) nach Anspruch 7, wobei diese einen Spannungswandler (24) aufweist, welcher an eine der Zellgruppen (Z1, Z2) angeschlossen ist.
Ladeschaltung (8) nach Anspruch 8, wobei der Spannungswandler (24) ausgebildet ist, eine Eingangsspannung der Zellgruppe (Z1, Z2) in eine Ausgangsspannung umzuwandeln, welche größer ist als die Eingangsspannung.
Ladeschaltung (8) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei auf dem Mittenabgriff (16) eine Sicherung (22) angeordnet ist.
Ladeschaltung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei diese ausgebildet ist, die beiden Zellgruppen (Z1, Z2) abwechselnd mit der Ladestation (2) zu verbinden und dadurch den Elektrospeicher (6) alternierend zu laden.
Ladeschaltung (8) nach Anspruch 11, wobei diese zum alternierenden Laden des Elektrospeichers (6) derart ausgebildet ist, dass die Zellgruppen (Z1, Z2) zeitlich nacheinander jeweils über einen Zeitraum von wenigsten 5 min und höchstens 30 min mit der Ladestation (2) verbunden werden.
Ladeschaltung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welche für jede der Zellgruppen (Z1, Z2) eine Vorladeschaltung aufweist, welche der jeweiligen Zellgruppe (Z1, Z2) vorgeschaltet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Ladeschaltung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Spannungslage des Elektrospeichers (6) an die Ladespannung der Ladestation (2) angepasst wird, indem einer der beiden Schaltzustände eingestellt wird.