-
Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb, das heißt rein elektrisch fahrende Fahrzeuge und Hybridfahrzeuge, weisen einen Akkumulator auf. Es ist bekannt, mittels einer Wechselstrom-Ladesäule elektrische Leistung an den Akkumulator zu übertragen, um diesen aufzuladen. Zur Umwandlung der Wechselspannung in Gleichspannung und zur gleichmäßigen Energieentnahme kommt dabei regelmäßig ein Leistungsfaktorkorrekturfilter zum Einsatz. Da dessen Ausgangsspannungsbereich in der Regel den Akkumulatorspannungsbereich nicht umfasst, wird zur Anpassung der unterschiedlichen Spannungslagen üblicherweise zusätzlich ein Wandler eingesetzt, der über einen Zwischenkreisspeicher an den Ausgang des Leistungsfaktorkorrekturfilters angeschlossen wird. Wandler und Zwischenkreisspeicher verursachen einen wesentlichen Anteil der Herstellungskosten, des Gewichts und der Verlustleistung einer Ladevorrichtung. Die Druckschriften
US 2012/0229086 A1 und
US 2019/0245432 A1 beschreiben jeweils Ladeschaltungen mit einem Leistungsfaktorkorrekturfilter, wobei das letztgenannte Dokument einen Gleichspannungswandler zur Spannungsanpassung vorsieht, der aufgrund der erforderlichen Leistungsbauteile mit signifikanten Kosten verbunden ist. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich die Kosten, das Gewicht und die Verlustleistung einer Ladevorrichtung verringern lassen.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Weitere Merkmale, Ausführungsformen, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur.
-
Es wird vorgeschlagen, einen Wechselspannungs-Ladeanschluss über einen Leistungsfaktorkorrekturfilter mit einem Traktionsakkumulator direkt zu verbinden. Abgesehen von dem Leistungsfaktorkorrekturfilter umfasst daher die Schaltung ausgehend vom Wechselspannungs-Ladeanschluss bis zum Traktionsakkumulator keinen Spannungswandler und auch keinen weiteren Gleichrichter oder Zwischenkreisspeicher. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter sieht als Funktionen das Gleichrichten und das Gleichspannungswandeln vor. Es wurde erkannt, dass weitere Vorrichtungen zur Spannungsanpassungen nicht erforderlich sind, da der Leistungsfaktorkorrekturfilter selbst neben dem Gleichrichten eine tiefsetzstellende oder hochsetzstellende Funktion hat und dies insbesondere bei Akkumulatornennspannungen genutzt werden kann, die zur Höhe der Wechselspannung passen.
-
Es wird ein Fahrzeugbordnetz beschrieben, das einen Wechselspannungs-Ladeanschluss, einen Traktionsakkumulator und einen Leistungsfaktorkorrekturfilter aufweist. Der Traktionsakkumulator ist als Hochvolt-Akkumulator ausgebildet. Mit der Vorsilbe „Hochvolt“ werden Komponenten bezeichnet (wie der Akkumulator), die eine Nennspannung von mehr als 60 Volt aufweisen.
-
Der Leistungsfaktorkorrekturfilter verbindet den Wechselspannungs-Ladeanschluss in direkter Weise mit dem Traktionsakkumulator. Die Verbindung zwischen Akkumulator und Ladeanschluss führt somit über den Leistungsfaktorkorrekturfilter. Die Verbindung zwischen dem Ladeanschluss und dem Leistungsfaktorkorrekturfilter ist eine direkte Verbindung (das heißt ohne Spannungswandler oder Gleichrichter). Die Verbindung zwischen dem Leistungsfaktorkorrekturfilter und dem Akkumulator ist ebenso direkt (das heißt ohne Gleichspannungswandler und ohne Gleichrichter). Damit verbindet der Leistungsfaktorkorrekturfilter den Ladeanschluss direkt mit dem Traktionsakkumulator, da zwischen Leistungsfaktorkorrekturfilter einerseits und dem Ladeanschluss bzw. dem Akkumulator andererseits kein weiterer Wandler oder Gleichrichter vorgesehen ist. Anstatt dem Begriff „direkt“ kann auch die Formulierung „gleichspannungswandlerfrei und gleichrichterfrei“ verwendet werden. Eine direkte Verbindung umfasst zwar weder Gleichrichter noch Wandler, kann jedoch beispielsweise einen (passiven) Filter oder Sicherheitsmechanismen wie eine Schmelzsicherung oder eine automatische Sicherung oder auch einen Fehlerstrom-Schutzmechanismus oder auch Schalter, Relais oder Schütze aufweisen. Es handelt sich um eine galvanisch verbundene Anbindung.
-
Vorzugsweise ist der Leistungsfaktorkorrekturfilter als Vienna-Filter ausgebildet, insbesondere wenn der Leistungsfaktorkorrekturfilter hochsetzend ist, also die Charakteristik eines Hochsetzstellers hat. Zudem kann der Leistungsfaktorkorrekturfilter als Totem-Pole-PFC-Schaltung ausgebildet sein. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter kann bidirektional ausgestaltet sein oder kann auch unidirektional ausgebildet sein mit einer Übertragungsrichtung von dem Wechselspannungs-Ladeanschluss zum Akkumulator hin. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter ist mit einer tiefsetzstellenden oder mit einer hochsetzstellenden Funktion ausgebildet.
-
Insbesondere ist der Leistungsfaktorkorrekturfilter und der Wechselspannungsanschluss jeweils dreiphasig ausgebildet. Weiterhin kann der Leistungsfaktorkorrekturfilter dreiphasig (allgemein: mehrphasig) ausgebildet sein. Es können bei dreiphasiger Ausbildung beider Komponenten drei Phasenleitungen zwischen dem Leistungsfaktorkorrekturfilter und dem Wechselspannungsanschluss bestehen.
-
Es wird eine Schaltungstopologie verwendet, die es erlaubt, bei dreiphasigem Betrieb des Leistungsfaktorkorrekturfilters Energie aus den 3 Phasen des Wechselspannungsanschlusses zu entnehmen und diese an den einen Ausgang hin zum Traktionsakkumulator abzugeben; für die hierfür nötige Summation von Ladeströmen wird keine galvanische Trennung verwendet. Wenn der Leistungsfaktorkorrekturfilter bidirektional ausgebildet ist, kann der Energiefluss in beide Richtungen erfolgen.
-
Der Leistungsfaktorkorrekturfilter ist vorzugsweise ausgebildet, über eine Gleichspannung, welche vom Ladezustand des Traktionsakkumulators abhängt, einen Ladestrom an den Traktionsakkumulator abzugeben, der einstellbar ist und vom Leistungsfaktorkorrekturfilter an einen Sollwert, der von außen dem Leistungsfaktorkorrekturfilter mitgeteilt wird, mit einer vereinbarten Toleranz anzupassen. Je nach Sollwert können sich dabei verschiedene Ladeleistungen ergeben.
-
Hierzu kann ein Tastverhältnis und/oder die Frequenz (oder ähnliche Betriebsparameter, die sich auf den Ladestrom auswirken) von Schaltelementen des Leistungsfaktorkorrekturfilters veränderlich sein. Der Ladestrom kann eingestellt werden innerhalb eines gewissen Bereichs. Die untere Grenze dieses Bereichs kann bei 0,5 A oder 1 A liegen. Die obere Grenze ergibt sich aus der maximalen Stromtragfähigkeit der Phasen des Wechselstromanschlusses sowie der Stromtragfähigkeit bzw. der max. Verlustleistung des Leistungsfaktorkorrekturfilters und des Traktionsakkumulators.
-
Der Leistungsfaktorkorrekturfilter kann als tiefsetzender Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgebildet sein, also die Charakteristik eines Tiefsetzstellers haben. Neben dem Gleichrichten hat der Leistungsfaktorkorrekturfilter somit die Funktion des Tiefsetzstellens. Beim Leistungsfaktorkorrekturfilter ergibt sich somit jeweils eine (individuelle) Induktivität zwischen dem Ladeanschluss und steuerbaren Schaltelementen innerhalb des Leistungsfaktorkorrekturfilters. Die individuellen Induktivitäten dienen zum Zwischenspeichern kleiner Energiemengen beim Tiefsetzstellen. Hierbei ist die Gleichspannung am Ausgang des Leistungsfaktorkorrekturfilters nach oben hin relativ eng begrenzt.
-
Insbesondere ist der Leistungsfaktorkorrekturfilter eingerichtet, bei einer Eingangs-Wechselspannung mit konstantem Effektivwert einen einstellbaren Ladestrom abzugeben, und zwar bei einer Ausgangsgleichspannung, die zwischen einer Minimalspannung und einer Maximalspannung liegt. Für die Minimalspannung (bezogen auf die Ausgangsspannung) des Leistungsfaktorkorrekturfilters kann ein Wert gewählt werden, der bei 50 Volt liegt. Er beträgt im Wesentlichen 50 Volt, kann jedoch auch mindestens 80 Volt oder 100 Volt betragen.
-
Die Maximimalspannung (bezogen auf die Ausgangsspannung) des Leistungsfaktorkorrekturfilters ergibt sich aus der Multiplikation des (einzelphasenbezogenen) Netz-Kuppenwerts mit einem Verkettungsfaktor (Quadratwurzel von 3) und einem weiteren Faktor (0,5 * Quadratwurzel von 3). Diese Spannung stellt die nominale Obergrenze dar, welche ein dreiphasiger tiefsetzender Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgeben kann. Sie beträgt bei einem (einzelphasenbezogenem) Effektivwert von 230 Volt ca. 488 Volt. Je nach Toleranz der Eingangsspannungen und der Schaltungsbauteile kann diese maximal mögliche Spannung höher oder niedriger sein. Da beispielsweise im europäischen Niederspannungsnetz die Spannung bis zu 10% geringer sein kann als die Norm-Wechselspannung mit einem Effektivwert von 230 Volt, und schaltungsbedingte Effekte im tiefsetzenden Leistungsfaktorkorrekturfilter eine weitere Erniedrigung der maximal möglichen Ausgangsspannung bewirken können (z.B. 5%), steht am Ausgang des Leistungsfaktorkorrekturfilters im niedrigsten Fall möglicherweise nur eine gleichgerichtete Maximalspannung von ca. 415 V zur Verfügung. Es ist daher vorteilhaft, wenn ein Traktionsakkumulator eine Maximalspannung aufweist, die nicht über dieser Maximalspannung des Leistungsfaktorkorrekturfilters liegt.
-
Insbesondere kann der Traktionsakkumulator ausgestaltet sein, im vollgeladenen Zustand eine Maximalspannung von nicht mehr als 415 Volt aufzuweisen. Dies wird durch die Wahl der Batterietechnik und durch die Zellenanzahl erreicht. Der Traktionsakkumulator kann beispielsweise ein Lithium-Akkumulator sein, dessen Zellenzahl so gewählt wird, dass die oben beschriebene maximale Betriebsspannung nicht überschritten wird. Die Zellenzahl bezieht sich dabei auf Zellen, die in Reihenschaltung vorliegen.
-
Werden Zellen mit einem Zellspannungsbereich von 2,5 V .. 4,3 V verwendet (etwa LCO-Zellen), dann dürfen beim tiefsetzenden Leistungsfaktorkorrekturfilter max. 96 Zellen in Reihe geschaltet werden. Werden Zellen mit einem Zellspannungsbereich von 2,5 .. 3,7 V verwendet (etwa LFP-Zellen), dann dürfen max. 112 Zellen in Reihe geschaltet werden. Werden Zellen mit einem Zellspannungsbereich von 1,3 .. 2,9 V verwendet (etwa LTO-Zellen), dann dürfen max. 143 Zellen in Reihe geschaltet werden. Es können auch weniger Zellen in Reihe geschaltet werden. Somit weist der Traktionsakkumulator vorzugsweise eine maximale Betriebsspannung auf, die nicht größer ist als die Untergrenze der Maximalspannung des Leistungsfaktorkorrekturfilters. Die maximale Betriebsspannung ist die Spannung des Traktionsakkumulators, die dieser aufweist bei einem Ladezustand von 100% und einem Zellenzustand (State of Health SOH) von ebenfalls 100%. Die Anzahl seriell verschalteter Zellen kann auch höher sein als beschrieben, und die maximale Betriebsspannung des Traktionsakkumulators kann auch sein höher als 415 V, z.B. 430 V, wenn man in Kauf nimmt, dass dann in einigen Fällen (niedrige Eingangsspannung, ungünstige Schaltungstoleranzen des Leistungsfaktorkorrekturfilters) der Traktionsakkumulator nicht mehr auf einen Ladezustand von 100% aufgeladen werden kann, sondern nur noch auf z.B. 97%.
-
Eine andere Variante ist es, den Leistungsfaktorkorrekturfilter als hochsetzenden Leistungsfaktorkorrekturfilter auszubilden, also mit der Charakteristik eines Hochsetzstellers. Neben dem Gleichrichten hat der Leistungsfaktorkorrekturfilter somit die Funktion des Hochsetzstellens. Beim Leistungsfaktorkorrekturfilter ergibt sich somit jeweils eine (individuelle) Induktivität zwischen dem Ladeanschluss und steuerbaren Schaltelementen innerhalb des Leistungsfaktorkorrekturfilters. Die individuellen Induktivitäten dienen zum Zwischenspeichern kleiner Energiemengen beim Hochsetzstellen. Hierbei ist die Gleichspannung am Ausgang des Leistungsfaktorkorrekturfilters nach unten relativ eng begrenzt.
-
Der Leistungsfaktorkorrekturfilter und der Wechselspannungsanschluss sind jeweils vorzugsweise dreiphasig ausgebildet. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter umfasst drei steuerbare Phasen, die insbesondere einzeln angesteuert werden können. Ferner kann der Leistungsfaktorkorrekturfilter eingerichtet sein, dass nicht alle seiner Phasen, sondern nur eine Untergruppe hiervon aktiv sind, während eine oder mehrere Phasen inaktiv sind. Dies erlaubt beispielsweise, den Leistungsfaktorkorrekturfilter einstellbar einphasig oder dreiphasig zu betreiben. Im Allgemeinen ist die maximal mögliche Ladeleistung im dreiphasigen Betrieb höher als im einphasigen Betrieb.
-
Das heißt, dass der Leistungsfaktorkorrekturfilter einzelne Phasen aufweist, von denen alle oder nur ein Teil hiervon aktiv sein können. Dies ist insbesondere der Fall für eine dreiphasige Spannung, die am Wechselspannungsanschluss und somit auch am Leistungsfaktorkorrekturfilter anliegt. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter ist somit zwischen einphasigem und dreiphasigem Betrieb umschaltbar (während eine dreiphasige Spannung am Wechselspannungsanschluss bzw. am Leistungsfaktorkorrekturfilter anliegt).
-
Der Leistungsfaktorkorrekturfilter kann eingerichtet sein, bei einem Ladezustand von nicht mehr als 25% - 40%, insbesondere bei einem Ladezustand von nicht mehr als 30% oder 33% (oder auch 35%) im einphasigen Betrieb zu arbeiten und bei einem Ladezustand oberhalb dieser Grenze dreiphasig zu arbeiten. Hierzu kann der Leistungsfaktorkorrekturfilter eine Steuerung aufweisen, die eingerichtet ist, den Ladezustand zu ermitteln und den einphasigen oder dreiphasigen Betrieb wie erwähnt einzustellen. Allgemein kann der Leistungsfaktorkorrekturfilter eingerichtet sein, bis zu einer vorgegebenen Ladezustandsgrenze einphasig zu laden und oberhalb dieser Grenze dreiphasig zu laden.
-
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Spannung des Traktionsakkumulators, welche sich aus der Summe der (Einzel-)Zellspannungen seriell verbundener Zellen ergibt, das Kriterium bildet, gemäß dem ein einphasiger oder ein dreiphasiger Betrieb eingestellt wird. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter ist eingerichtet, bis zu einer durchschnittlichen Einzelzellspannungsgrenze in dem einphasigen Betrieb zu arbeiten und oberhalb dieser Grenze in einem einphasigen Betrieb zu arbeiten. Werden Zellen mit einem Zellspannungsbereich von 2,5 V .. 4,3 V verwendet (etwa LCO-Zellen), dann kann diese Einzelzellspannungsgrenze 3,1 V betragen. Der Traktionsakkumulator wird in diesem Fall so ausgelegt, dass ca. 210 Zellen in Reihe geschaltet werden. Dabei ist es unerheblich, ob nur ein Strang verwendet wird, der aus einer solchen Serienschaltung besteht, oder mehrere Stränge, welche wiederum zueinander parallel verschaltet sind. Werden Zellen mit einem Zellspannungsbereich von 2,5 .. 3,7 V verwendet (etwa LFP-Zellen), dann kann diese Einzelzellspannungsgrenze 2,9 V betragen. Der Traktionsakkumulator hat in diesem Fall vorzugsweise ca. 224 seriell verschaltete Zellen pro Strang. Werden Zellen mit einem Zellspannungsbereich von 1,3 .. 2,9 V verwendet (etwa LTO-Zellen), dann kann diese Einzelzellspannungsgrenze 1,8 V betragen. Der Traktionsakkumulator hat dann 361 Zellen, welche in Serie geschaltet sind. Dahinter steht, wie oben erwähnt, das Prinzip, für ungefähr das untere Drittel des Ladezustandsbereichs des Traktionsakkumulators den einphasigen Betrieb hinzunehmen und für die oberen zwei Drittel den dreiphasigen Betrieb zu garantieren. Die Zellenzahl seriell verbundener Zellen kann auch höher gewählt werden, dann wird der einphasige Betrieb seltener benötigt. Wird die Zellenzahl so hoch gewählt, dass die durchschnittliche minimale Zellspannung, multipliziert mit der Anzahl seriell verbundener Zellen, eine Spannung ergibt, die über der unten beschriebenen Dreiphasen-Minimalspannung liegt, dann wird der einphasige Betrieb überhaupt nicht benötigt. In diesem Fall wird der Leistungsfaktorkorrekturfilter nur im dreiphasigen Betrieb verwendet. Entsprechende Umschaltvorrichtungen und Steuerungskomponenten zur Auswahl und Umschaltung der Betriebsart können dann entfallen.
-
Der Leistungsfaktorkorrekturfilter kann drei Phasen aufweisen, die mit drei unterschiedlichen Phasenspannungen betrieben werden, wenn der dreiphasige Betrieb besteht. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter kann eingerichtet sein, im einphasigen Betrieb nur eine dieser Phasen mit einer Phasenspannung zu betreiben, oder mehrere oder alle der Phasen mit der gleichen Phasenspannung zu betreiben. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter kann ferner einen Abschnitt nur für den einphasigen Betrieb aufweisen, der aktiv ist, wenn der Leistungsfaktorkorrekturfilter im einphasigen Betrieb ist, während die drei (weiteren) Phasen des Leistungsfaktorkorrekturfilters (nur) dann aktiv sind, wenn der Leistungsfaktorkorrekturfilters im dreiphasigen Betrieb ist.
-
Vorzugsweise ist der Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgebildet, bei dreiphasigem Betrieb und einer dreiphasigen Wechselspannung bei einer Eingangs-Wechselspannung mit konstantem Effektivwert über eine Gleichspannung einen einstellbaren Ladestrom an den Traktionsakkumulator abzugeben, wobei sich die Ausgangsspannung erstrecken kann von einer Dreiphasen-Minimalspannung bis zu einer Dreiphasen-Maximalspannung. Die Dreiphasen-Minimalspannung und die Dreiphasen-Maximalspannung sind jeweils Gleichspannungen. Die Vorsilbe „Dreiphasen“ bezieht sich darauf, dass alle drei Phasen des Leistungsfaktorkorrekturfilters aktiv sind bzw. dass sich der Leistungsfaktorkorrekturfilter in dem dreiphasigen Betrieb befindet.
-
Die Dreiphasen-Minimalspannung des Leistungsfaktorkorrekturfilters ergibt sich aus der Multiplikation des (einzelphasenbezogenen) Netz-Kuppenwerts mit einem Verkettungsfaktor (Quadratwurzel von 3). Sie stellt die nominale Untergrenze dar, welche ein dreiphasiger hochsetzender Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgeben kann. Bei einer dreiphasigen Eingangsspannung mit einem (einzelphasenbezogenen) Effektivwert von 230 Volt und einem einphasigem Netz-Kuppenwert von 325 Volt beträgt sie nominal ca. 563 V. Je nach Toleranz der Eingangsspannungen und der Schaltungsbauteile kann diese minimal mögliche Spannung höher oder niedriger sein. Da beispielsweise im europäischen Niederspannungsnetz die Spannung bis zu 10% höher sein kann als die Norm-Wechselspannung mit einem Effektivwert von 230 Volt, und schaltungsbedingte Effekte im hochsetzenden Leistungsfaktorkorrekturfilter eine weitere Erhöhung der minimal möglichen Ausgangsspannung bewirken können (z.B. 5%), steht am Ausgang des Leistungsfaktorkorrekturfilters im höchsten Fall möglicherweise keine geringere gleichgerichtete Spannnung als ca. 650 V zur Verfügung. Es ist daher vorteilhaft, wenn der Traktionsakkumulator so ausgelegt ist, dass unterhalb von ca. 650 V kein dreiphasiger Betrieb benötigt wird. Die Dreiphasen-Maximalspannung beträgt z.B. 1500 Volt, insbesondere im Wesentlichen 800 Volt, 900 Volt oder im Wesentlichen 1000 Volt, kann jedoch auch mehr als 1400 Volt oder 1500 Volt betragen. In Ausgestaltungen des Fahrzeugbordnetzes beträgt die Dreiphasen-Maximalspannung im Wesentlichen 800 oder 850 Volt oder 900 Volt. Es kann für die Dreiphasen-Maximalspannung eine Obergrenze von 1500 Volt vorgesehen sein.
-
Der Leistungsfaktorkorrekturfilter ist eingerichtet, einen einstellbaren Ladestrom in den Traktionsakkumulator hinein zu erzeugen bei einer Ausgangsgleichspannung, welche sich erstreckt über die Spanne zwischen der Dreiphasen-Minimalspannung und der Dreiphasen-Maximalspannung. Der Traktionsakkumulator kann hierbei beispielsweise ein Lithium-Akkumulator sein, wobei die Zellenzahl seriell verbundener Zellen vorzugsweise mehr als 192 beträgt. Die Zellenzahl kann z.B. ca. 210 betragen, wenn die Zellen einen Zellspannungsbereich von 2,5 V .. 4,3 V haben (etwa bei LCO-Zellen). Die Zellenzahl kann z.B. ca. 224 betragen, wenn die Zellen einen Zellspannungsbereich von 2,5 V .. 3,7 V haben (etwa bei LFP-Zellen).
-
Die Zellenzahl kann z.B. ca. 361 betragen, wenn die Zellen einen Zellspannungsbereich von 1,3 .. 2,9 V haben (etwa bei LTO-Zellen). Die Zellenzahl bezieht sich dabei stets auf seriell verbundene Zellen. Es können auch höhere Zellenzahlen verwendet werden. Die Obergrenze für die Zellenzahl ergibt sich aus der Dreiphasen-Maximalspannung, dividiert durch die Zellspannung bei Ladezustand 100%. Diese Obergrenze kann auch überschritten werden, wenn man in Kauf nimmt, das in einigen Fällen (ungünstiges Zusammentreffen von Toleranzen, siehe oben) der Traktionsakkumulator nicht mehr auf einen Ladezustand von 100% aufgeladen werden kann, sondern nur noch auf z.B. 97%.
-
Vorzugsweise ist der Leistungsfaktorkorrekturfilter auch für den einphasigen Betrieb ausgebildet. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter ist vorzugsweise ausgebildet, bei einphasigem Betrieb einen Ladestrom an den Traktionsakkumulator abzugeben, der einstellbar ist, und zwar bei einer Gleichspannung ausgehend von einer Einphasen-Minimalspannung bis zu einer Einphasen-Maximalspannung. Die Minimal- bzw. Maximalspannungen sind Gleichspannungen. Die Vorsilbe „Einphasen-“ bezieht sich darauf, dass nur eine Phase des Leistungsfaktorkorrekturfilters aktiv ist bzw. dass sich der Leistungsfaktorkorrekturfilter in dem einphasigen Betrieb befindet. Die Einphasen-Minimalspannung des Leistungsfaktorkorrekturfilters ergibt sich aus dem Netz-Kuppenwert der Eingangswechselspannung. Sie stellt die nominale Untergrenze dar, welche ein einphasiger hochsetzender Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgeben kann. Somit ergibt sich bei einem (einzelphasenbezogenen) Effektivwert von 230 Volt eine Einphasen-Minimalspannung von 325 Volt. Je nach Toleranz der Eingangsspannung und der Schaltungsbauteile kann die minimal mögliche Spannung höher oder niedriger sein. Da beispielsweise im europäischen Niederspannungsnetz die Spannung bis zu 10% höher sein kann als die Norm-Wechselspannung mit einem Effektivwert von 230 Volt, und schaltungsbedingte Effekte im hochsetzenden Leistungsfaktorkorrekturfilter eine weitere Erhöhung der minimal möglichen Ausgangsspannung bewirken können (z.B. 5%), steht am Ausgang des Leistungsfaktorkorrekturfilters im höchsten Fall möglicherweise keine geringere gleichgerichtete Spannnung als ca. 375 V zur Verfügung. Der Traktionsakkumulator ist deswegen vorzugsweise so ausgelegt, dass er niemals eine Spannung unter dieser Grenze aufweist. Die Zellenzahl seriell verschalteter Zellen muss somit beim hochsetzenden Leistungsfaktorkorrekturfilter mindestens 150 betragen, wenn die Zellen einen Zellspannungsbereich von 2,5 V.. 4,3 V (etwa LCO-Zellen) oder 2,5 V .. 3.7 V (etwa LFP-Zellen) haben. Die Zellenzahl muss mindestens 289 betragen, wenn die Zellen einen Zellspannungsbereich von 1,3 .. 2,9 V haben (etwa LTO-Zellen). Die Zellenzahl bezieht sich dabei stets auf seriell verbundene Zellen. Der Zellspannungsbereich meint stets den Spannungsbereich, in dem die Zellen betrieben werden können sollen und ein Laden möglich sein soll. Die Zellspannung meint dabei die durchschnittliche Zellspannung der seriell verschalteten Zellen. Einzelne Zellen des seriell verschalteten Strangs können davon nach oben oder unten abweichen. In Ausführungsformen beträgt die Einphasen-Minimalspannung mindestens ca. 276 Volt, 325 Volt oder mindestens 375 Volt, oder auch mindestens 410 Volt. Die Einphasen-Minimalspannung kann insbesondere im Wesentlichen 350 Volt, 370 Volt, 390 Volt oder 410 Volt betragen.
-
Die Einphasen-Maximalspannung ist vorzugsweise nicht kleiner als 480 Volt, 550 Volt oder 650 Volt. Weiterhin kann die Einphasen-Minimalspannung beispielsweise 700 Volt betragen. Die Einphasen-Maximalspannung kann mindestens so groß sein wie 100%, 105%, 110% oder 120% der Dreiphasen-Minimalspannung.
-
Eine vergleichbare Ausführungsform sieht vor, dass der Leistungsfaktorkorrekturfilter für den dreiphasigen Betrieb einen Spannungsbereich aufweist, der mit dem Spannungsbereich im einphasigen Betrieb überlappt. Dadurch kann insbesondere durch Umschalten des Betriebs bzw. der aktiven Phasenanzahl und durch entsprechende Ansteuerung des Leistungsfaktorkorrekturfilters ein Spannungsband erzeugt werden, das von der Einphasen-Minimalspannung bis zur Dreiphasen-Maximalspannung führt. Insbesondere ist der Leistungsfaktorkorrekturfilter eingerichtet, bei unterschiedlichen Betriebsweisen (einphasig und dreiphasig) einen Spannungsbereich abzudecken, der von der Einphasen-Minimalspannung bis zu der Dreiphasen-Maximalspannung reicht.
-
Das Fahrzeugbordnetz umfasst ferner vorzugsweise eine Steuerung. Diese ist ansteuernd mit dem hochsetzenden Leistungsfaktorkorrekturfilter verbunden. Die Steuerung ist eingerichtet, den Betrieb des Leistungsfaktorkorrekturfilters einzustellen, das heißt den Leistungsfaktorkorrekturfilter von einphasigem Betrieb auf dreiphasigen Betrieb (oder umgekehrt) umzustellen. Die Steuerung ist eingerichtet, dieses Umstellen durchzuführen, wenn eine Klemmenspannung an dem Traktionsakkumulator die Dreiphasen-Minimalspannung erreicht.
-
Bei einem tiefsetzstellenden Leistungsfaktorkorrekturfilter liegt die Betriebsspannung des Traktionsakkumulators bei einem Ladezustand von 100% vorzugsweise unter Maximalspannung des Leistungsfaktorkorrekturfilters. Für die Betriebsspannung des Traktionsakkumulators bei einem minimalen Ladezustand von nicht mehr als ca. 10% gilt vorzugsweise, dass diese größer ist als die Minimalspannung des Leistungsfaktorkorrekturfilters.
-
Für einen hochsetzstellenden Leistungsfaktorkorrekturfilter ergibt sich für einen leeren Traktionsakkumulator (etwa ein Akkumulator mit einem Ladezustand von 1 %, 5%, 10% oder 20%) vorzugsweise eine Spannung, die größer ist als die Einphasen-Minimalspannung des Leistungsfaktorkorrekturfilters, so dass sich durch Einstellen der Phasenanzahl auch bei minimalem Ladezustand eine passende Spannung ergibt, bei dem Ladestrom an den Traktionsakkumulator abgeben werden kann. Der Traktionsakkumulator weist somit bei einem minimalen Ladezustand von nicht mehr als 10% eine Betriebsspannung auf, die größer ist als die Einphasen-Minimalspannung des Leistungsfaktorkorrekturfilters. Der volle Traktionsakkumulator hat vorzugsweise eine Spannung, die unter der Dreiphasen-Maximalspannung des Leistungsfaktorkorrekturfilters liegt.
-
Der Wechselspannungs-Ladeanschluss ist insbesondere als Steckverbindungseinrichtung ausgebildet, insbesondere als Steckbuchse. Der Ladeanschluss kann mehrere Kontakte aufweisen, insbesondere für Wechselspannungsphasen (beispielsweise drei Stück). Zudem kann der Ladeanschluss einen Kontakt für einen Neutralleiter aufweisen. Der Ladeanschluss ist vorzugsweise genormt gemäß einem Standard zum leitungsgebundenen Laden von Elektrofahrzeugen.
-
Die 1 dient zur Darstellung eines Fahrzeugbordnetzes, das an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist.
-
Die 1 zeigt eine Wechselstromquelle WQ und ein Fahrzeugbordnetz BN. Das Fahrzeugbordnetz BN umfasst einen Wechselspannungs-Ladeanschluss WA, einen Leistungsfaktorkorrekturfilter LF sowie einen Traktionsakkumulator AK. Es ist ersichtlich, dass der Leistungsfaktorkorrekturfilter LF direkt an den Traktionsakkumulator AK angeschlossen ist. Ferner ist ersichtlich, dass der Wechselspannungs-Ladeanschluss WA des Bordnetzes BN direkt mit dem Leistungsfaktorkorrekturfilter verbunden ist. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter LF umfasst eine Wechselspannungsseite, die mit dem Wechselspannungs-Ladeanschluss WA in direkter Weise verbunden ist. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter LF umfasst ferner eine Gleichspannungsseite, die direkt mit dem Traktionsakkumulator AK verbunden ist.
-
Es ist dargestellt, dass sich der Wechselspannungsanschluss WA an eine Wechselspannungsquelle WQ anschließen lässt. Der Wechselspannungs-Ladeanschluss WA ist dreiphasig ausgestaltet. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter LF umfasst drei Phasen, die mittels der Steuerung C, wie durch den in Punktlinien dargestellten Pfeil dargestellt, einzeln aktivierbar sind. In einem dreiphasigen Zustand arbeiten somit alle drei Phasen des Leistungsfaktorkorrekturfilters LF. In einem einphasigen Betrieb arbeitet nur eine der Phasen des Leistungsfaktorkorrekturfilters LF oder es arbeiten mehrere Phasen synchron bzw. mit der gleichen Phase des Wechselspannungsanschlusses WA. Diese beiden Betriebsarten sind dargestellt durch die Verwendung der Wechselspannungsquelle WQ als einphasige oder als dreiphasige Quelle. Die Darstellung soll nicht bedeuten, dass die Wechselspannungsquelle WQ selbst zwischen ein- und dreiphasigen Betrieb umstellbar ist, vielmehr wird durch die Ansteuerung des Leistungsfaktorkorrekturfilters der einphasige oder der dreiphasige Betrieb dargestellt, bei dem eine oder drei Phasen der Wechselspannungsquelle WQ verwendet werden. Tatsächlich ist der Umschalter realisiert innerhalb des Leistungsfaktorkorrekturfilters bzw. innerhalb der Steuerung C, welche die einzelnen Phasen des Leistungsfaktorkorrekturfilters LF aktivieren oder deaktivieren kann.
-
Da die grundsätzliche Aktivierung oder Deaktivierung von einzelnen Phasen des Korrekturfilters von der Steuerung gesteuert wird und von dem Leistungsfaktorkorrekturfilter umgesetzt wird, ist die Darstellung mit dem punktlinierten Pfeil rein symbolhaft; tatsächlich wird die Phasenzahl definiert durch ein Steuersignal, das von der Steuerung C an den Leistungsfaktorkorrekturfilter LF abgegeben wird. Da jedoch die Verwendung der Wechselspannungsquelle WQ als ein- oder dreiphasige Quelle durch diese Steuerung eingestellt wird, ist in der symbolhaften Darstellung der 1 diese nicht als Realisierung zu verstehende symbolhafte Steuerzuweisung gewählt.
In der 1 ist ein Beispiel dargestellt, bei dem der Leistungsfaktorkorrekturfilter hochsetzstellend ausgebildet ist. Hierbei wird bei relativ niedrigen Traktionsakkumulatorspannungen (d.h. bei vergleichsweise niedrigem Ladezustand) zunächst der einphasige Betrieb gewählt und mit ansteigender Spannung (d.h. bei im Vergleich ansteigendem Ladezustand) des Akkumulators AK der dreiphasige Betrieb gewählt. Da sich die Spannungsbänder im ein- und dreiphasigen Betrieb bei dem hochsetzstellendem Leistungsfaktorkorrekturfilter LF überlappen, ergibt sich eine durchgehende, kontinuierliche Spannungsführung an der Gleichspannungsseite des Leistungsfaktorkorrekturfilters LF. Im Falle eines tiefsetzstellenden Leistungsfaktorkorrekturfilters ergäbe sich nur der dreiphasige Betrieb und somit auch keine Ansteuerung durch die Steuerung C, mit der sich ein einphasiger Betrieb einstellen ließe.
-
Mit dem strichpunktierten Pfeil ist dargestellt, dass die Steuerung auch die steuerbaren Schaltelemente des Leistungsfaktorkorrekturfilters LF ansteuert und somit die Ausgabe eines Ladestroms an der Gleichspannungsseite des Leistungsfaktorkorrekturfilters LF (bei konstanter Effektivspannung an der Wechselstromseite) erzeugen kann. Diesen weiteren Steuereingriff gibt es sowohl beim hochsetzenden als auch beim tiefsetzstellenden Leistungsfaktorkorrekturfilter. Mittels der Steuerung C wird auch der Ladestrom des Leistungsfaktorkorrekturfilters LF, der an der Gleichspannungsseite des Leistungsfaktorkorrekturfilters LF an den Traktionsakkumulator AK ausgegeben wird, eingestellt wird (bei konstanter Effektivspannung an der Wechselstromseite). Hierbei werden Betriebsgrößen wie Tastverhältnis und/oder die Frequenz (oder ähnliche Betriebsparameter, die sich auf den Ladestrom auswirken) der steuerbaren Schaltelemente innerhalb des Leistungsfaktorkorrekturfilters eingestellt. Mittels dieser Stellgröße kann der Ausgangsstrom am Leistungsfaktorkorrekturfilter und somit auch die an den Traktionsakkumulator AK übertragene Leistung gesteuert werden. Insbesondere kann so von dem Leistungsfaktorkorrekturfilter ein Ladestrom abgegeben werden, der möglichst präzise einem Sollwert folgt, der beispielsweise von einer Akkumulatorüberwachung stammt, welche den Traktionsakkumulator AK überwacht.
