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Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen einen elektrischen Akkumulator als Energiespeicher auf, mit dessen Energie der elektrische Antrieb betrieben wird. Es ist bekannt, dass zum Laden des Energiespeichers eine Ladeschnittstelle vorgesehen wird, über die elektrische Energie von einer fahrzeugexternen Ladestation in das Fahrzeug eingespeist wird. Der zum Aufladen vorgesehene Abschnitt des Fahrzeugbordnetzes ist daher auch verknüpft mit dem Akkumulator, genauso wie auch das dem Antrieb zugehörige Bordnetz mit dem Akkumulator verbunden ist. Das gesamte Fahrzeugbordnetz muss somit mehrere Funktionen ermöglichen, nämlich einen Energiefluss zum Laden sowie einen Energiefluss zum Fahren. Insbesondere beim Laden ist zu beachten, dass sich die Akkumulatorspannung mit dem Ladezustand ändert und dass ferner seitens der Ladestation auch unterschiedliche Spannungen zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise 800 V oder 400 V.
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Es besteht daher eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Möglichkeit vorzusehen, mit der sich die Funktionalität des Ladens unter Berücksichtigung veränderlicher Akkumulatorspannungen oder Ladespannungen kostengünstig darstellen lässt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Leistungsschaltung, das Fahrzeugbordnetz und das Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Merkmale, Ausführungsformen, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, sowie mit der Beschreibung und der Figur.
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Es wird vorgeschlagen, zwischen dem Akkumulator und einem Gleichspannungsladeanschluss einen Wandler (insbesondere einen Hochsetzsteller bzw. Aufwärtswandler) vorzusehen. Dieser lässt zum einen durch eine kostengünstige Konfiguration sowohl das Hochsetzstellen zu, etwa wenn dies wegen eines großen Spannungsunterschieds zwischen Akkumulator und Ladespannung (seitens der Ladestation) erforderlich ist. Zum anderen sieht dieser eine hohe Leistung für das Direktladen vor, etwa für den Fall, dass die Ladestation ohne Spannungswandlung mit dem Akkumulator verbunden ist.
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Es wird somit eine Leistungsladeschaltung für ein Fahrzeug beschrieben, bei dem ein Hochsetzsteller einen Gleichspannungsladeanschluss mit einem Batterieanschluss (der Leistungsladeschaltung) verbindet, wobei ein Eingang des Hochsetzstellers über eine Bypassdiode mit dem Hochsetzsteller verbunden ist. Ist der Hochsetzsteller aktiv, ergibt sich durch die Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang (des Hochsetzstellers), dass die Bypassdiode sperrt und am Ausgang somit nur die aufwärtsgewandelte Spannung an den Batterieanschluss abgegeben wird. Ist der Hochsetzsteller hingegen inaktiv (insbesondere mit energieloser Arbeitsinduktivität), dann wird der Ladestrom von dem Gleichspannungsladeanschluss direkt über die Bypassdiode ohne Wandlung an Batterieanschluss abgegeben.
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Gleichzeitig ergeben sich Sicherheitsfunktionen dadurch, dass die Bypassdiode (zwischen Eingang und Ausgang des Hochsetzstellers, insbesondere in derselben Potentialschiene) trotz möglicher direkter Verbindung mit dem Batterieanschluss einerseits und dem Gleichspannungsladeanschluss andererseits eine Abtrennung des Gleichspannungsladeanschlusses vorsieht, um hohe Berührspannungen am Gleichspannungsladeanschluss zu vermeiden. Es gibt daher Ausführungsformen der Erfindung, bei denen der Ausgang des Wandlers schalterfrei mit dem Akkumulator verbunden ist und der Eingang des Wandlers schalterfrei mit einem Gleichspannungsladeanschluss (bzw. einer fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle für Gleichstrom) verbunden ist. Diese weisen unter anderem durch die Sperrwirkung der Bypassdiode einen Schutz vor zu einer zu hohen Berührspannung am Gleichspannungsladeanschluss auf.
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Es kann ferner ein Schaltelement vorgesehen sein, dass in der anderen Potentialschiene (d. h. innerhalb des Potentials, dass denjenigen Potential entgegengesetzt ist, in welchem sich die Bypassdiode befindet) eine schalt Trennung vorsieht. Es kann sich daher zusammen mit der Bypassdiode eine allpolige Abtrennung des Gleichspannungsladeanschlusses vom Batterieanschluss und somit von dem Akkumulator ergeben. Es ergibt sich aufgrund der Bypassdiode eine Direktladefunktion (für Gleichspannung), die neben der hochsetzstellenden Funktion beim Laden verwendet werden kann. Es ergibt sich zudem eine Abtrennfunktion, die von derselben Bypassdiode geleistet wird, um den Gleichspannungsladeanschluss vor Überspannungen zu schützen.
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Es wird eine Leistungsladeschaltung eines Fahrzeugbordnetzes vorgeschlagen, wobei die Leistungsladeschaltung einen Gleichspannungsladeanschluss, einen Batterieanschluss und einen Hochsetzsteller aufweist. Der Hochsetzsteller kann auch als Boost-Wandler oder Aufwärtswandler bezeichnet oder entsprechend ausgebildet werden. Der Hochsetzsteller (allgemein: Wandler) ist nicht galvanisch trennend. Der Hochsetzsteller kann unidirektional ausgebildet sein.
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Der Hochsetzsteller verbindet den Gleichspannungsladeanschluss mit dem Batterieanschluss. Der Hochsetzsteller ist ein Leistungswandler. Der Hochsetzsteller ist für Betriebsspannungen von mehr als 60 V, mindestens 200 V, mindestens 400 V oder mindestens 800 V ausgebildet. Der Hochsetzsteller kann daher ein Hochvolt-Wandler sein.
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In einer ersten Potentialschiene ist zwischen dem Batterieanschluss und dem Gleichspannungsladeanschluss ein Seriellschalter vorgesehen. Mit dem Seriellschalter kann in der ersten Potentialschiene eine Abtrennung des Gleichspannungsladeanschlusses (bzw. eines Potentials hiervon) erzielt werden, insbesondere zum Schutz vor einer zu hohen Berührspannung am Gleichspannungsladeanschluss.
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Darüber hinaus ist in einer zweiten Potentialschiene eine Bypassdiode (in Serie geschaltet) vorgesehen. Diese liegt zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Hochsetzstellers. Hierbei befinden sich sowohl Eingang als auch Ausgang vorzugsweise innerhalb der zweiten Potentialschiene. Die beiden Potentialschienen weisen ein unterschiedliches Potential auf, wobei insbesondere die Arbeitsspannung, d. h. die Ladespannung zwischen den zwei Potentialschienen besteht. Die erste Potentialschiene ist insbesondere die negative Potentialschiene, während die zweite Potentialschiene die positive Potentialschiene ist. Zwischen diesen Potentialschienen besteht die Hochvoltspannung zum Laden über den Batterieanschluss. Der Gleichspannungsladeanschluss kann als Plug-in-Anschluss ausgebildet sein, insbesondere ein Anschluss, der von außerhalb des Fahrzeugs zugreifbar ist. Der Plug-in-Anschluss kann in der Außenhaut eines Fahrzeugs vorgesehen sein, in dem sich die Leistungsladeschaltung befindet. Der Gleichspannungsladeanschluss kann gemäß einem Standard zum Gleichspannungsladen eines Elektrofahrzeugs oder Plug-in-Hybridfahrzeugs ausgebildet sein.
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Die Bypassdiode ist dauerstromfähig und ermöglicht somit die dauerhafte Übertragung des Ladestroms. Die Bypassdiode ist insbesondere keine Diode zur Aufnahme eines Einschaltstrom („Inrush-Stroms“), der beim Anschließen einer Spannung an den Hochsetzsteller (durch Laden von ggf. vorhandenen Kapazitäten bzw. durch die Schaltflanke beim Einschaltvorgang oder durch das Anlegen der Schaltflanke an die Arbeitsinduktivität) entsteht. Die Bypassdiode ist daher ausgelegt, einen Strom zu tragen, der nicht nur für einen Sekundenbruchteil besteht, wie es bei Einschaltstrom-Dioden („Inrush-Dioden“) der Fall ist und die lediglich zur Aufnahme einer Energie ausgebildet sind, die zur Magnetisierung der Arbeitsinduktivität des Hochsetzstellers erforderlich ist. Die Bypassdiode ist für eine deutlich höhere Leistung bzw. einen höheren Dauerstrom bzw. eine längere Maximalstromtragfähigkeit ausgelegt, als es bei der Einschaltstrom-Diode der Fall ist. Für die Bypassdiode gilt, dass die Dauerstromtragfähigkeit mindestens 5% betragen kann oder auch vorzugsweise mindestens 10%, mindestens 20% oder mindestens 50% des Stoßdurchlassstroms beträgt.
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Der Eingang des Hochsetzstellers befindet sich auf der zum Gleichspannungsladeanschluss zugewandten Seite. Der Ausgang des Hochsetzstellers befindet sich auf der zum Batterieanschluss zugewandten Seite. Der Hochsetzsteller kann bidirektional ausgebildet sein, wobei der Eingang und der Ausgang dann als erster bzw. zweiter Wandleranschluss bezeichnet werden können.
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Der Seriellschalter ist insbesondere als Halbleiterschalter ausgebildet, beispielsweise als IGBT oder als MOSFET. Der Seriellschalter kann als Leistungsschalter ausgebildet sein. Der Seriellschalter kann ferner als elektromechanischer Schalter ausgebildet sein. Der Seriellschalter ist in der ersten Potentialschiene vorgesehen. Der Seriellschalter kann einpolig ausgestaltet sein.
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Der Batterieanschluss dient zum Anschluss eines Hochvoltakkumulators und weist zwei Potentiale auf, wobei die Potentiale den Potentialen der ersten und zweiten Potentialschiene entsprechen. Insbesondere ist der Akkumulator schalterlos mit dem Batterieanschluss verbunden, d. h. ohne die Zwischenschaltung eines Schalters.
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Die Bypassdiode weist vorzugsweise einen Dauergrenzstrom auf, der mindestens 50 %, mindestens 100 % oder mindestens 200 % des Dauergrenzstroms eine Arbeitsdiode des Hochsetzstellers beträgt. Insbesondere ist der Dauergrenzstrom der Bypassdiode vorzugsweise größer als der Dauergrenzstrom der Arbeitsdiode. Dadurch kann beim direkten Laden, d. h. bei dem Führen der Ladeenergie über die Bypassdiode ohne Hochsetzstellen ein höherer Ladestrom und somit eine höhere Ladeleistung möglich als beim Übertragen der Ladeleistung über den Hochsetzsteller (in aktiven Zustand). So kann, wenn der Akkumulator ausreichend geladen ist und somit eine ausreichend hohe Nennspannung besteht, eine direkte Verbindung über die Bypassdiode zur Ladestation hergestellt werden, da die Spannungsdifferenz ausreichend gering ist, so dass der Ladestrom nicht über den Maximalladestrom des Akkumulators hinausgeht. Da das direkte Laden über die Bypassdiode aufgrund des ausreichenden Ladezustands mit einem vergleichsweise hohen Ladestrom einhergeht, kann so der Akkumulator ab einem gewissen Ladezustand mit vergleichsweise hoher Ladeleistung aufgeladen werden.
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Der Strom der Arbeitsdiode des Hochsetzstellers ergibt sich durch den Strom, der bei aktivem Zustand des Hochsetzstellers über diesen übertragen wird. Aufgrund der getakteten Arbeitsweise ist dieser geringer als der dauerhafte Strom über die Bypassdiode. Jedoch ist dies von der Auslegung und der Nennspannungen abhängig, so dass auch ein Dauergrenzstrom der Bypassdiode von 50 % oder mehr des Dauergrenzstroms der Arbeitsdiode vorgesehen sein kann. Die Arbeitsdiode des Hochsetzstellers ist eine Diode, über die sich die Induktivität „entlädt“, d. h. über die der durch Selbstinduktion entstehende Strom an den Batterieanschluss fließt.
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Die Bypassdiode kann auch als Überbrückungsdiode bezeichnet werden, da diese den Eingang des Hochsetzstellers mit dessen Ausgang verbindet. Insbesondere weist die Flussrichtung der Bypassdiode vom Eingang zum Ausgang (sofern die Bypassdiode in der positiven Potentialschiene vorgesehen ist, ansonsten wäre die Flussrichtung umgekehrt). Auch die Flussrichtung der Arbeitsdiode weist zum Ausgang des Hochsetzstellers hin, um so einen Stromfluss ausgehend von der Arbeitsinduktivität des Hochsetzstellers zu ermöglichen.
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Die Bypassdiode kann ausgelegt sein, einen Ladestroms eines Traktionsakkumulators des Fahrzeugbordnetzs dauerhaft zu tragen. Als „dauerhaft“ wird hier eine Zeitspanne von mindestens einer Sekunde, von mindestens einer Minute, von mindestens zehn Minuten oder von mindestens einer Stunde angesehen. Die Bypassdiode kann ferner vorgesehen sein, um dauerhaft Ladeleistung von mindestens 20 kW, mindestens 50 kW, mindestens 100 kW oder mindestens 200 kW zu übertragen. In einem Beispiel ist die Bypassdiode ausgestaltet zur dauerhaften Übertragung an der Ladeleistung von mindestens 300 kW. Dies bezieht sich insbesondere auf eine Ladespannung von 400 V oder vorzugsweise auf eine Ladespannung von 900 V. Die Bypassdiode ist vorzugsweise zum Tragen eines Stroms mit einer Stärke von mindestens 350 A oder von 350 bis 500 A ausgestaltet. Hierbei kann die Spannung am Gleichspannungsladeanschluss beispielsweise 500 bis beispielsweise 920 V betragen; die Sperrspannung der Bypassdiode ist entsprechend ausgestaltet. Die Arbeitsdiode kann hingegen beispielsweise für eine Ladeleistung von mindestens 50 kW oder von 50 bis 150 kW ausgebildet sein, wobei vorzugsweise die Bypassdiode mindestens 50 % oder vorzugsweise mehr als 100 % der Stromtragfähigkeit der Arbeitsdiode aufweist. Die Arbeitsdiode kann einen Dauergrenzstrom von beispielsweise mindestens 100 A aufweisen, oder einen Dauergrenzstrom von 100 A bis 170 A. Hierbei kann beim Laden über den Hochsetzsteller eine Spannung am Gleichspannungsladeanschluss vorgesehen sein, die 250 V bis 470 V beträgt; entsprechend ist die maximale Sperrspannung der Arbeitsdiode ausgebildet. Insbesondere ist das Arbeits-Schaltelement des Hochsetzstellers für einen Maximalstrom ausgebildet, der kleiner ist als der Maximalstrom der Bypassdiode. Wie auch die Arbeitsdiode kann das Arbeits-Schaltelement des Hochsetzstellers zur Übertragung einer Maximalleistung ausgebildet sein, die kleiner ist als die Maximalleistung, die über die Bypassdiode zu übertragen ist.
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In Ausführungsformen kann die Bypassdiode mit einem Dauergrenzstrom von mindestens 10 A, mindestens 50 A, mindestens 100 A oder 300 A ausgelegt sein. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die Bypassdiode einen Dauergrenzstrom von mindestens 350 A, 400 A, oder 500 A aufweisen. Dadurch sind hohe Leistungen zur direkten Übertragung von Energie von der Ladestation zu dem Batterieanschluss bzw. zum Akkumulator möglich.
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Die Leistungsladeschaltung kann einen Wandlermodus und einen Bypassmodus aufweisen, wobei im Wandlermodus der Hochsetzsteller spannungswandelt, d. h. aktiv ist, und im Bypassmodus der Hochsetzsteller inaktiv ist und insbesondere die Arbeitsinduktivität keine Energie speichert oder abgibt. Hierzu kann eine Steuerung vorgesehen sein. Die Leistungsladeschaltung kann somit eine Steuerung aufweisen, die ansteuernd mit dem Hochsetzsteller und dem Seriellschalter verbunden ist. Die Steuerung ist für einen Wandlermodus ausgestaltet, in welchem die Steuerung den Seriellschalter in geschlossenen Zustand ansteuert und den Hochsetzsteller zum Spannungswandeln ansteuert. Im Wandlermodus und im Bypassmodus ist der Seriellschalter daher geschlossen.
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Die Steuerung kann ferner für einen Bypassmodus ausgestaltet sein (entsprechend einem Überbrückungsmodus), in welchem die Steuerung den Seriellschalter in geschlossenen Zustand ansteuert und den Hochsetzsteller gemäß einem inaktiven Zustand ansteuert. Die Steuerung kann den Hochsetzsteller zum Spannungswandeln ansteuern, indem die Steuerung ein Taktsignal abgibt, gemäß dem ein Arbeitsschaltelement des Hochsetzstellers getaktet schaltet. Im inaktiven Zustand des Arbeitsschaltelements des Hochsetzstellers im offenen Zustand angesteuert (von der Steuerung). Es können Treiber vorgesehen sein, der die Befehle bzw. Signale der Steuerung umsetzt und das Arbeits-Schaltelement des Hochsetzstellers ansteuert bzw. schaltet.
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Die Steuerung kann ferner für einen Trennmodus ausgestaltet sein. In diesem steuert die Steuerung den Seriellschalter gemäß einem offenen Zustand an und steuert den Hochsetzsteller gemäß einem inaktiven Zustand an (d. h. mit einem Signal, welches das Arbeits-Schaltelement dauerhaft öffnet). In diesem Zustand ist der Batterieanschluss vollständig bzw. allpolig vom Gleichspannungsladeanschluss getrennt. Die Trennung ergibt sich zum einen durch die Sperrwirkung der Bypassdiode und zum anderen durch den offenen Seriellschalter. Der Seriellschalter und die Diode befinden sich in unterschiedlichen Spannungspotentialen, so dass insgesamt beide Potentiale getrennt sind.
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Die Steuerung kann ferner ausgestaltet sein, bei Eintritt in den Trennmodus den Seriellschalter zu öffnen, nachdem der Hochsetzsteller von der Steuerung in den inaktiven Zustand versetzt wurde. Insbesondere wird durch die Steuerung der Seriellschalter erst dann geöffnet, wenn die Arbeitsinduktivität in dem Hochsetzsteller nicht mehr magnetisiert ist, so dass im Wesentlichen keine Selbstinduktionseffekte mehr auftreten können. Dies kann dadurch geschehen, dass nach dem letzten Schalten des Tiefsetzstellers (durch das Arbeits-Schaltelement) eine Mindestzeitdauer abgewartet wird, bis der Seriellschalter das Signal zum Öffnen erhält (d.h. bis dieses Signal erzeugt wird). Es kann jedoch auch die zeitliche Trägheit des Seriellschalters genutzt werden, die deutlich größer sein kann als die zeitliche Trägheit des Arbeits-Schaltelements des Hochsetzstellers. Hierbei wird mit dem letzten Taktsignal, d. h. mit dem Beginn einer Übergangsphase zum inaktiven Zustand des Tiefsetzstellers der Schaltbefehl des Öffnens an den Seriellschalter gegeben, wobei dieser jedoch aufgrund der (höheren) zeitlichen Trägheit den geöffneten Zustand einnimmt, nachdem eine Zeitdauer verstrichen ist. Die Zeitdauer zwischen Öffnungssignal und tatsächlichen Öffnen des Seriellschalters kann beispielsweise 1 ms, 10 ms, oder 100 ms betragen, insbesondere wenn der Seriellschalter elektromechanisch ist. Alternativ wird die erwähnte Trägheit des Seriellschalters vorgesehen durch entsprechende Treiber, falls der Seriellschalter ein Halbleiterschalter ist, und mit der Basis bzw. dem Gate des Seriellschalters. Dadurch wird verhindert, dass der Seriellschalter geöffnet wird, während die Arbeitsinduktivität noch magnetisiert ist, welche dann aufgrund ihrer Selbstinduktivität eine derart hohe Spannung an den geöffneten Seriellschalter abgeben würde, dass sich ein Stromfluss ergibt, wobei dies zu einem Durchbruch im Seriellschalter (bei einem Halbleiterschalter, „Avalanche-Effekt“) führen würde.
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Der Hochsetzsteller kann eine Reihenschaltung mit einer Arbeitsinduktivität und einer Arbeitsdiode aufweisen. Diese Reihenschaltung verbindet dem Eingang mit dem Ausgang. Vorzugsweise ist der Eingang (in der positiven Potentialschiene des Hochsetzstellers) mit der Arbeitsinduktivität verbunden, während der Ausgang (ebenfalls in der positiven Potentialschiene) mit der Diode verbunden ist. Die Durchlassrichtung der Arbeitsdiode weist zum Ausgang hin. Parallel zu dieser Reihenschaltung ist die Bypassdiode vorgesehen. Die Bypassdiode und die Arbeitsdiode des Hochsetzstellers haben die gleiche Flussrichtung.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Hochsetzsteller ferner ein Arbeits-Schaltelement aufweist, und zwar ein Arbeits-Schaltelement, wie es vorangehend erwähnt ist. Dieses ist mit der gegenüberliegenden Potentialschiene verbunden (negative Potentialschiene), sowie mit der Reihenschaltung. Das Arbeits-Schaltelement verbindet die zweite Potentialschiene mit der Reihenschaltung, die sich in der ersten Potentialschiene befindet. Insbesondere verbindet das Arbeits-Schaltelement die zweite Potentialschiene mit dem Verbindungspunkt innerhalb der Reihenschaltung, d. h. mit dem Verbindungspunkt zwischen Arbeitsinduktivität und Arbeitsdiode des Hochsetzstellers.
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Es kann ein Zwischenkreiskondensator vorgesehen sein, der sich zwischen dem Ausgang und der gegenüberliegenden Potentialschiene befindet. Hierbei ist der Zwischenkreiskondensator an den Ausgang des Hochsetzstellers angeschlossen, insbesondere in Parallelschaltung. Der Seriellschalter kann sich hierbei bezogen auf den Zwischenkreiskondensator auf der Seite des Batterieanschlusses oder auf der Seite des Gleichspannungsladeanschlusses befinden. Zudem kann sich der Seriellschalter zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem Batterieanschluss befinden, oder zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem Arbeits-Schaltelement des Hochsetzstellers (d. h. des Hochsetzstellers selbst).
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Zudem kann vorgesehen sein, dass der Ausgang des Hochsetzstellers schalterfrei mit dem Batterieanschluss verbunden ist. Da sich durch die Sperrbewirkung der Bypassdiode der Wandler und somit der Gleichspannungsladeanschluss von dem Batterieanschluss trennen lässt (bezogen auf die erste Potentialschiene), kann dadurch der Aufwand für einen Schalter eingespart werden. Alternativ oder in Kombination hierzu kann der Eingang des Hochsetzstellers schalterfrei mit dem Gleichspannungsladeanschluss verbunden sein. Auch hierbei ist es möglich, auf einen Schalter zu verzichten, da die Bypassdiode die gewünschte Trennung zwischen Batterieanschluss und Gleichspannungsladeanschluss (bezogen auf die erste Potentialschiene) erlaubt.
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Zudem kann die Leistungsladeschaltung eine Trennschaltervorrichtung aufweisen. Diese ist an einem Batterieanschluss angeschlossen. Vorzugsweise befindet sich die Trennschaltervorrichtung zwischen dem Batterieanschluss und einem Bordnetzzweiganschluss. Die Trennschaltervorrichtung kann allpolig ausgeführt sein; im vorliegenden Fall bei einem zweipoligen Gleichspannungsnetz in Form eines zweipoligen Schalters. Dadurch kann ein anschließbarer Bordnetzzweig gezielt abgetrennt werden, etwa wenn sich in dem Bordnetz ein Inverter ein Gleichspannungswandler oder eine andere elektrische Komponente mit Cy-Kapazitäten befindet. Dadurch kann mittels des Trennschalters erreicht werden, dass die Cy-Kapazitäten des Bordnetzzweigs nicht auf den Gleichspannungsladeanschluss wirken können. Als Cy-Kapazitäten werden hierbei Kapazitäten zwischen einem Bezugspotential wie Masse (oder Chassis) und einem der vorangehend genannten Potentiale (d.h. Potentiale verbunden mit dem Batterieanschluss oder mit dem Gleichspannungsladeanschluss) bezeichnet.
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Weiterhin wird ein Fahrzeugbordnetz beschrieben, dass eine Fahrzeugladeschaltung aufweist, wie sie hier beschrieben ist. Das Fahrzeugbordnetz verfügt ferner über einen Traktionsakkumulator und einen Bordnetzzweig. Der Bordnetzzweig weist mindestens eine Last auf, beispielsweise einen Inverter und/oder einen elektrischen Antrieb. Der Traktionsakkumulator entspricht dem hier erwähnten Akkumulator. Der Traktionsakkumulator und der Bordnetzzweig sind an den Batterieanschluss angeschlossen. Der Bordnetzzweig kann über die genannte Trennschaltervorrichtung mit dem Batterieanschluss verbunden sein. Das Fahrzeugbordnetz ist insbesondere ein Hochvolt -F ahrzeugbordnetz.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben der hier beschriebenen Leistungsladeschaltung dargestellt. In einem Wandlermodus ist der Hochsetzsteller aktiv (wobei hierbei dessen Arbeits-Schaltelement getaktet schaltet). Eine Ladespannung, die an dem Gleichspannungsladeanschluss anliegt, wird von dem Hochsetzsteller gewandelt und Ladeleistung wird über den Wandler (d. h. den Hochsetzsteller) und ggf. über den Seriellschalter an den Batterieanschluss abgegeben. In einem Bypassmodus ist der Hochsetzsteller inaktiv. Hierbei ist das Arbeits-Schaltelement dauerhaft geöffnet. Es wird Ladeleistung hierbei über die Bypassdiode und über den Seriellschalter an den Batterieanschluss abgegeben. Hierbei wird die Energie, die am Gleichspannungsladeanschluss eingebracht wird, nicht gewandelt, sondern direkt (über die Bypassdiode) ohne Spannungswandlung an den Traktionsakkumulator abgegeben, insbesondere über den Batterieanschluss.
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In einem Trennmodus ist der Batterieanschluss allpolig von dem Gleichspannungsladeanschluss getrennt. In diesem Trennmodus ist der Seriellschalter in offenen Zustand. Der Seriellschalter wird hierbei entsprechend angesteuert, insbesondere von der Steuerung. Die Bypassdiode sperrt hierbei ferner aufgrund der Inaktivität des Hochsetzstellers und aufgrund eines Spannungsgefälles zwischen Ausgang und Eingang (d.h. wenn die Akkumulatorspannung größer ist als die Spannung am Gleichspannungsladeanschluss). Hierbei liegt an der Bypassdiode in Durchlassrichtung keine ausreichende Spannung an, so dass diese leiten würde, wodurch eine Trennung (in der ersten Potentialschiene) dargestellt wird.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass eine Verbindung zwischen dem Batterieanschluss und dem Gleichspannungsladeanschluss hergestellt wird. Hierbei wird zunächst der Seriellschalter geschlossen. Nachdem der Seriellschalter geschlossen ist bzw. nachdem der Seriellschalter entsprechend angesteuert ist, wird ein Spannungserhöhungsbefehl an eine Gleichspannungsladestation abgegeben. Diese Gleichspannungsladestation ist an dem Gleichspannungsladeanschluss angeschlossen. Hierbei gibt die Leistungsladeschaltung ein entsprechendes Signal ab, welches von der Gleichspannungsladestation empfangen werden kann. Dadurch wird die Bypassdiode durch Erhöhen der Spannung am Gleichspannungsladeanschluss leitend. Alternativ zum Abgeben des Spannungserhöhungsbefehls an die Gleichspannungsladestation wird nach dem Schließen des Seriellschalters der Hochsetzsteller aktiviert. Beide Schritte, nämlich das Aktivieren des Hochsetzstellers und das Erhöhen der Spannung durch die Gleichspannungsladestation, ermöglichen aufgrund des Spannungsgefälles einen Stromfluss zum Batterieanschluss und somit zum daran anschließbaren Traktionsakkumulator, um diesen aufzuladen.
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Die 1 zeigt eine Ausführungsform der Leistungsladeschaltung im Rahmen eines Fahrzeugbordnetzes, das an eine Gleichspannungsladestation angeschlossen ist.
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Die 1 dient zur näheren Erläuterung von Ausführungsformen der Erfindung. Hierbei ist in der 1 eine Leistungsladeschaltung LS dargestellt, die ein Bordnetzzweig BZ und an einen Traktionsakkumulator AK angeschlossen ist. Dadurch wird das Bordnetz BN gebildet. Das Bordnetz BN ist wiederum über eine Ladeschnittstelle SS, welche zwei Pole eines Gleichspannungsladeanschlusses GR1, GR2 umfasst, an eine Gleichspannungsquelle GQ angeschlossen. Die Gleichspannungsquelle GQ entspricht einer Gleichspannungsladestation.
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Die Leistungsladeschaltung LS umfasst einen Gleichspannungsladeanschluss mit zwei Potentialen GR1, GR2 sowie einen Batterieanschluss mit zwei Potentialen BA1, BA2. Zwischen diesen befindet sich ein Hochsetzsteller. Der Batterieanschluss, insbesondere dessen Potential BA1 (entsprechend dem negativen Potential -), ist über einen Seriellschalter S1 mit dem Hochsetzsteller verbunden. Der Hochsetzsteller umfasst einen Eingang E und einen Ausgang A, wobei sich beide innerhalb der positiven Potentialschiene (+) befinden. Eine Bypassdiode D1 überbrückt den Eingang E mit dem Ausgang A, wobei die Durchflussrichtung der Diode D1 zum Ausgang A hinweist. Der Hochsetzsteller umfasst eine Arbeitsinduktivität L, die in Reihe geschaltet ist mit einer Arbeitsdiode D2. Die sich ergebende Reihenschaltung ist parallel zu der Diode D1 angeschlossen. Somit verbinden auch die Arbeitsinduktivität L und die dazu in Reihe geschaltete Arbeitsdiode D2 und somit die Reihenschaltung den Eingang E mit dem Ausgang A. Die Durchlassrichtung der Diode D2 weist ebenso zum Ausgang A hin.
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Ein Arbeits-Schaltelement S2 des Hochsetzstellers verbindet den Verbindungspunkt VP zwischen Arbeitsinduktivität L und Arbeitsdiode D2 mit gegenüberliegenden Potentialschiene -. Die Arbeitsdiode L, die Diode D2 und der Schalter S2 bilden zusammen einen Hochsetzsteller, der auch als Boost-Konverter bezeichnet werden kann. Durch getaktetes Öffnen und Schließen durch den Schalter S2 wird die Arbeitsinduktivität abwechselnd magnetisiert und durch Selbstinduktion entmagnetisiert, wobei der sich ergebende Strom durch die Arbeitsdiode D2 zum Ausgang A fließt.
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Die Bypassdiode D1 ermöglicht einen Stromfluss parallel zu der Reihenschaltung der Arbeitsinduktivität L und der Arbeitsdiode D2 und somit eine direkte Verbindung zwischen dem Gleichspannungsladeanschluss GR1, GR2 und dem Batterieanschluss. Insbesondere verbindet hierbei die Bypassdiode D1 das Potential GR2 des Gleichspannungsladeanschlusses mit dem Potential BA2 des Batterieanschlusses. Hierdurch kann Ladestrom direkt von der Gleichspannungsladestation GQ über die Diode R1 und den Schalter S1 (in diesem Fall geschlossen) zum Batterianschluss BA1, BA2 und somit zum Traktionsakkumulator AK fließen.
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Vorzugsweise ist hierbei ein Trennschalter TS geöffnet, über den der Bordnetzzweig BZ mit der Leistungsladeschaltung LS verbunden ist. Der Trennschalter TS ist hierbei ein allpoliger Öffner oder Schließer und Teil der Leistungsladeschaltung. Es kann ein Zwischenkreiskondensator C1 vorgesehen sein, der parallel zum Ausgang A und der ersten Potentialschiene minus angeschlossen ist. Hierbei verbindet der Zwischenkreiskondensator den negativen Anschluss GA1 des Gleichspannungsladeanschlusses mit dem Ausgang A. Alternativ oder in Kombination hiermit kann ein Zwischenkreiskondensator C2 parallel zu den Potentialen des Batterieanschlusses BA1, BA2 angeschlossen sein. Eine weitere Möglichkeit ist der Anschluss an der mit einem Kreuz gekennzeichneten Stelle. Hierbei verbindet ein Zwischenkreiskondensator (nicht dargestellt) die mit „x“ gekennzeichnete Stelle, d. h. das Potential BA1 des Gleichspannungsladeanschlusses (-) mit dem Ausgang A des Hochsetzstellers.
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Die 1 zeigt ferner eine Steuerung C, die ansteuernd mit dem Seriellschalter S1 und dem Arbeits-Schaltelement S2 des Hochsetzstellers verbunden ist. Ferner kann die Steuerung C ansteuernd mit dem Trennschalter TS verbunden sein. Die Steuerung kann hierbei als eine Vorrichtung ausgebildet sein, beispielsweise als eine digitale Schaltung, etwa in Form eines programmierten Mikroprozessors oder in Form eines ASICs.
