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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, wobei der elektrische Energiespeicher mit einer Stromquelle verbunden wird, und mit der Stromquelle eine Ladespannung bereitgestellt wird, mit welcher der elektrische Energiespeicher geladen wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Speichereinrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Die Speichereinrichtung weist einen elektrischen Energiespeicher und einen Ladeanschluss zum Verbinden der Speichereinrichtung mit einer Stromquelle, welche eine Ladespannung bereitstellt, auf.
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Um elektrisch betriebene Fahrzeuge laden zu können, werden leistungsstarke Ladestationen benötigt. Insbesondere weisen die elektrisch betriebenen Fahrzeuge oft eine Spannungslage von 800 Volt auf. Bei den Ladestationen handelt es sich meistens um 400 Volt-Ladesäulen. Die heutigen DC-Schnellladestationen arbeiten üblicherweise mit einer Spannungslage von zirka 400 Volt und die dabei entstehende Ladeleistung liegt standartmäßig bei etwa 50 Kilowatt. Würde man die Ladeleistung der Ladesäule auf 100 Kilowatt beziehungsweise 150 Kilowatt anheben wollen, wäre man an der Grenze der Leistungsfähigkeit von Ladesteckern angekommen. Um eine höhere Ladeleistung, insbesondere größer 150 Kilowatt, zu ermöglichen und somit auch eine Verkürzung von Ladezeiten zu erreichen, ist ein Wechsel auf eine höhere Spannungslage erforderlich. Da zukünftige elektrisch betriebene Fahrzeuge sowohl die 400 Volt-Technologie als auch die 800 Volt-Technologie aufweisen werden, sollte eine Möglichkeit geschaffen werden, die 800 Volt-Technologien auch an einer 400 Volt-Ladestation aufladen zu können. Beispielsweise kann mit einer 800 Volt-Ladesäule Ladeleistungen von beispielsweise 220 Kilowatt, 300 Kilowatt, 350 Kilowatt oder 500 Kilowatt erreicht werden.
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Im Stand der Technik sind folgende Möglichkeiten bekannt um ein 800 Volt-Fahrzeug an einer 400 Volt-Ladesäule zu laden. Beispielsweise kann dies mithilfe von Umschaltbatterien durchgeführt werden. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines DCDC-Spannungswandlers zu Versorgung von 800 Volt-Komponenten des elektrisch betriebenen Fahrzeugs im Ladefall. Ebenso können mit diesen DCDC-Spannungswandlern auch 800 Volt-Fahrzeugbatterien geladen werden. Diese weisen meist hohe zusätzliche Komponenten und damit erhöhten Bauraumbedarf und höhere Kosten auf.
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Die
DE 10 2018 000 490 A1 offenbart eine Speichereinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Energiespeicher. Der Energiespeicher umfasst wenigstens zwei in Reihe geschaltete Teilstränge zum Speichern von elektrischer Energie. Dabei können die Teilstränge durch verschiedene Schaltzustände gemeinsam oder getrennt geladen werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mittels höher Ladespannungen laden zu können um dadurch eine Ladezeit zu verkürzen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Speichereinrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, wobei der elektrische Energiespeicher mit einer Stromquelle verbunden wird. Mit der Stromquelle wird eine Ladespannung bereitgestellt, mit welcher der elektrische Energiespeicher geladen wird. Die Ladespannung der Stromquelle wird mit einer Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers verglichen, wobei wenn die Ladespannung größer oder gleich der Batteriespannung ist, dann wird der elektrische Energiespeicher direkt mit der Ladespannung geladen. Wenn die Ladespannung kleiner als die Batteriespannung ist, dann werden entweder ein erster Kondensator und ein zweiter Kondensator wechselweise mit der Ladespannung geladen, wobei mit dem geladenen ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator der elektrischen Energiespeicher geladen wird. Andernfalls werden ein erster Teilstrang und ein zweiter Teilstrang des elektrischen Energiespeichers wechselweise mit der Ladespannung geladen.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren kann insbesondere ein 800 Volt-Fahrzeug mit einer Spannung von ebenfalls 800 Volt geladen werden. Durch die erhöhte Ladespannung kann eine deutliche Verkürzung der Ladezeit des Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers des elektrisch betriebenen Fahrzeuges durchgeführt werden. Insbesondere kann der Ladevorgang und insbesondere das dazu benötigte System mit weniger Bauteilen auskommen. Insbesondere können komplexe Schütze und/oder Verschaltungen innerhalb des elektrischen Energiespeichers reduziert werden. Insbesondere wird keine Induktivität wie bei üblichen DCDC-Wandlern benötigt. Insbesondere kann dadurch eine Einsparung an Gewicht, Volumen und Kosten gewährleitstet beziehungsweise erreicht werden.
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Insbesondere kann dadurch Bauraum eingespart werden, da insbesondere nur ein Halbleiterschalter und eventuell zwei Kondensatoren nur von Nöten sind. Insbesondere kann mithilfe des vorgeschlagenen Verfahrens auf komplexe Umschaltbatterien mit Schützen zur Realisierung einer Ladefunktion bei geringeren DC-Ladeströmen als der Summen-Batteriestrom realisiert werden. Ebenso kann vermieden werden, dass auf besondere Herausforderungen bei Umschaltbatterien geachtet werden muss. Diese Herausforderungen können beispielsweise das reduzieren von Ausgleichströmen oder das keine Umschaltungen/Zuschaltungen bei großen Spannungsunterschieden beider Teilbatterien möglich sind, sein.
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Insbesondere ermöglicht das Verfahren ein Umschalten zwischen den Ladevorgängen von Teilbatterien ohne Unterbrechung des DC-Ladevorgangs gegenüber der DC-Ladesäule. Die Halbeleiterbauteile eines Umschaltnetzwerkes des elektrischen Energiespeichers müssen nur auf die Spannungslage der einzelnen Teilbatterien ausgelegt sein. Zum Beispiel können bei einer Spannungslage der Teilbatterien von 400 Volt günstige 600 Volt-Bauteile verwendet werden, die zudem geringere Durchlass- und Schaltverluste aufweisen.
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Insbesondere kann mithilfe des vorgeschlagenen Verfahrens eine Ladevorgang eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs effizienter und verbessert durchgeführt werden.
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Insbesondere kann das vorgeschlagene Verfahren für die verschiedensten Spannungsbereiche angewendet werden. Beispielsweise kann die Stromquelle 12 Volt oder 24 Volt bereitstellen, sodass der elektrische Energiespeicher mit Hilfe des Verfahrens mit 24 Volt oder 48 Volt geladen werden kann.
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Insbesondere kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren ein Spannungsverdoppler realisiert werden, mit welchem eine Eingangsspannung verdoppelt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Speichereinrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Die Speichereinrichtung weist einen elektrischen Energiespeicher und einen Ladeanschluss zum Verbinden der Speichereinrichtung mit einer Stromquelle, welche eine Ladespannung bereitstellt, auf. Die Speichereinrichtung weist eine Auswerteeinheit zum Vergleichen der Ladespannung der Stromquelle mit einer Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers auf. Ebenso weist die Speichereinrichtung eine Schalteinrichtung auf, welche zwischen dem Ladeanschluss und dem elektrischen Energiespeicher angeordnet ist und einen ersten Schaltzustand und einen zweiten Schaltzustand aufweist. Die Schalteinrichtung nimmt den ersten Schaltzustand ein zum Laden des elektrischen Energiespeichers mit der Ladespannung, wenn die Ladespannung größer oder gleich der Batteriespannung ist. Des Weiteren nimmt die Schalteinrichtung den zweiten Schaltzustand ein entweder zum wechselweisen Laden eines ersten Kondensators und eines zweiten Kondensators mit der Ladespannung, wenn die Ladespannung kleiner als die Batteriespannung ist, wobei mit dem geladenen ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator der elektrische Energiespeicher aufladbar ist. Des Weiteren kann ein wechselweises Laden eines ersten Teilstroms und eines zweiten Teilstroms des elektrischen Energiespeichers mit der Ladespannung durchgeführt werden, wenn die Ladespannung kleiner als die Batteriespannung ist.
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Insbesondere wird das vorhin geschilderte Verfahren mit der soeben aufgezeigten Speichereinrichtung durchgeführt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:
- 1 einen schematischen Schaltaufbau der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung;
- 2 einen weiteren schematischen Schaltaufbau der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung wie 1; und
- 3 einen beispielhaften Simulationsaufbau der Schalteinrichtung aus 1.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt beispielsweise eine Speichereinrichtung 1 mit welcher beispielsweise das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Die Speichereinrichtung 1 wird insbesondere für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug verwendet. Bei dem elektrisch betriebenen Fahrzeug kann es sich beispielsweise um ein Elektrofahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug oder um eine Plug-in Fahrzeug handeln. Mithilfe der Speichereinrichtung 1 kann insbesondere ein elektrischer Energiespeicher 2 des elektrisch betriebenen Fahrzeuges geladen und mit elektrischer Energie versorgt werden. Bei dem elektrischen Energiespeicher 2 handelt es sich beispielsweise um eine Batterieanordnung oder um eine Traktionsbatterie oder um eine Fahrzeugbatterie des elektrisch betriebenen Fahrzeugs.
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Die Speichereinrichtung 1 weist einen Ladeanschluss 3 auf. Mit dem Ladeanschluss 3 kann insbesondere die Speichereinrichtung 1 mit einer Stromquelle 4 verbunden werden. Mit der Stromquelle 4 kann insbesondere eine Ladespannung UL bereitgestellt werden. Somit kann die Speichereinrichtung 1 und der elektrische Energiespeicher 2 mit der externen Stromquelle 4 verbunden werden, sodass insbesondere der elektrische Energiespeicher 2 mithilfe der Ladespannung UL geladen werden kann. Bei der Stromquelle 4 kann es sich beispielsweise um eine Ladestation oder um eine Ladeinfrastruktur oder um eine Wandladestation zum Laden von elektrisch betriebenen Fahrzeugen handeln.
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Beispielsweise kann mit der Stromquelle 4 eine Ladespannung UL von 400 Volt bereitgestellt werden. Bevor der Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers 2 durchgeführt werden kann, wird die Ladespannung UL der Stromquelle 4 mit einer Batteriespannung UBATT des elektrischen Energiespeichers 2 verglichen. Beispielsweise kann dies mit einer Auswerteeinheit der Speichereinrichtung 1 durchgeführt werden. Ebenso können bereits vorhandene Systeme des elektrisch betriebenen Fahrzeuges oder des elektrischen Energiespeichers 2 verwendet werden. Insbesondere weist die Speichereinrichtung 1 zusätzlich eine Schalteinrichtung 5 auf. Bei der Schalteinrichtung 5 handelt es sich um eine einfache Verschaltung zum Wandeln der Ladespannung UL . Insbesondere ist die Schalteinrichtung 5 ein Spannungsverdoppler beziehungsweise eine Verdopplerschaltung. Somit kann beispielsweise der Spannungswert von 400 Volt der Ladespannung UL auf 800 Volt umgewandelt werden, sodass der elektrische Energiespeicher, welcher insbesondere eine 800 Volt-Batterie ist, geladen werden kann.
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Insbesondere kann mithilfe der Speichereinrichtung 1 ein 800 Volt Fahrzeug, welches über eine Batteriespannung UBATT verfügt die höher ist als die maximale Ausgangsspannung einer Ladesäule ohne aufwändige Umschaltbatterien oder komplexe DCDC-Wandler durchgeführt werden.
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Die Schalteinrichtung 5 ist insbesondere zwischen dem Ladeanschluss 3 und dem elektrischen Energiespeicher 2 angeordnet. Die Schalteinrichtung 5 kann insbesondere in einem ersten Schaltzustand oder einem zweiten Schaltzustand betrieben werden. Insbesondere nimmt die Schalteinrichtung 5 den ersten Schaltzustand ein, wenn die Ladespannung UL größer oder gleich der Batteriespannung UBATT ist. Insbesondere wird der erste Schaltzustand eingenommen, wenn die Ladespannung UL 800 Volt beträgt. In dem ersten Schaltzustand der Schalteinrichtung 5 ist ein erstes Schaltelement S1 und ein viertes Schaltelement S4 geschlossen und ein zweites Schaltelement S2 und ein drittes Schaltelement S3 geöffnet. Dadurch kann der Ladeanschluss 3 direkt mit dem elektrischen Energiespeicher 2 verbunden werden. Somit kann insbesondere der elektrische Energiespeicher 2 mit der Ladespannung UL geladen werden. Insbesondere weist die Schalteinrichtung 5 zumindest 4 Schaltelemente S1 bis S4 auf. Bei den Schaltelementen S1 bis S4 handelt es sich insbesondere um IGBT's. Ebenso können die Schaltelemente S1 bis S4 anderweitige elektronische Bauelemente und/oder Halbeleiterschalter sein.
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Im Folgenden wird nun ein Ausführungsbeispiel erläutert, bei welchem die Ladespannung UL kleiner als die Batteriespannung UBATT ist. Wenn die Ladespannung UL kleiner als die Batteriespannung UBATT ist, dann nimmt die Schalteinrichtung 5 automatisch den zweiten Schaltzustand ein. In dem zweiten Schaltzustand werden insbesondere das erste und das zweite Schaltelement S1, S2 im Vergleich zu dem dritten und vierten Schaltelement S3, S4 gegenläufig getaktet. Dadurch ergeben sich die beiden unterschiedlichen Stromverläufe SV1 und SV2. Diese beiden Stromverläufe SV1 und SV2 sind mit den Pfeilsystemen in der 1 eingetragen. In der 1 ist nun der Fall geschildert beziehungsweise aufgezeigt, wo mithilfe der gegenläufig getakteten Schaltelemente S1 bis S4 wechselweise ein erster Kondensator C1 und ein zweiter Kondensator C2 mit der Ladespannung UL geladen werden. Mit dem ersten Stromverlauf SV1 wird der erste Kondensator C1 geladen und mit dem zweiten Stromverlauf SV2 wird der zweite Kondensator C2 geladen. Beispielsweise werden somit beide Kondensatoren C1 und C2 gleichmäßig mit einer Ladespannung UL von 400 Volt geladen. Somit weisen die Kondensatoren C1, C2 jeweils eine Kondensatorspannung UC1 und UC2 von jeweils 400 Volt auf.
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Zwischen den beiden Kondensatoren C1 und C2 ist insbesondere ein zweiter Mittelabgriff M2 angeordnet. Zwischen dem zweiten Schaltelement S2 und dem dritten Schaltelement S3 ist des Weiteren ein erster Mittelabgriff M1 angeordnet. In diesem Fall ist der erste Mittelabgriff M1 und der zweite Mittelabgriff M2 verbunden. Somit entsteht dadurch ein kapazitiver Spannungsteiler mit den beiden Kondensatoren C1 und C2. Durch den kapazitiven Spannungsteiler zwischen C1 und C2 ergibt sich in Summe eine Spannung von 800 Volt welche zum Laden des elektrischen Energiespeichers 2 verwendet wird. Die 2 zeigt nun ein weiteres Ausführungsbeispiel der Speichereinrichtung 1 aus der 1. Die Grundlegende Funktion ist dieselbe wie in der 1. Nur in diesem Ausführungsbeispiel werden nicht die Kondensatoren C1 und C2 wechselweise geladen, sondern nun werden mithilfe der Schalteinrichtung 5 ein erster Teilstrang T1 und ein zweiter Teilstrang T2 des elektrischen Energiespeichers mit der Ladespannung UL geladen. Ebenfalls ist hier mithilfe des Stromverlaufs SV1 der Fall gezeigt, wo mit den getakteten Schaltern S1 und S2 der erste Teilstrang T1 mit der Ladespannung UL von 400 Volt geladen werden kann. Mit dem zweiten Stromverlauf SV2 ist gezeigt, dass die Schalter S3 und S4 getaktet sind um den zweiten Teilstrang T2 mit der Ladespannung UL zu laden. Zwischen den beiden Teilsträngen T1 und T2 ist des Weiteren ein dritter Mittelabgriff M3 angeordnet, wobei in diesem Ausführungsbeispiel der dritte Mittelabgriff M3 mit dem ersten Mittelabgriff M1 verbunden ist. Somit kann eine effektive wechselseitige Aufladung des ersten Teilstrangs T1 und des zweiten Teilstrangs T2 durchgeführt werden. Somit weisen beispielsweise beide Teilstränge T1 und T2 eine Spannung von 400 Volt auf, sodass somit eine Gesamtbatteriespannung UBATT von 800 Volt erreicht werden kann. Beispielsweise kann der elektrische Energiespeicher 2 in eine erste Batteriehälfte als erster Teilstrom T1 und eine zweite Batteriehälfte als zweiter Teilstrom T2 aufgeteilt werden.
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Die 3 zeigt beispielsweise ein Simulationsbeispiel der Schalteinrichtung 1 in dem Fall, wo der erste Kondensator C1 und der zweite Kondensator C2 wechselweise mit der Ladespannung UL geladen werden. Dabei werden die Schaltelemente S1 bis S4 über einen Pulsgenerator 6 getaktet um die wechselseitige Aufladung der Kondensatoren C1 und C2 nachzubilden. Mit einer Anzeigeeinheit 7 können die jeweiligen Spannungsverläufe und Stromverläufe als Simulationsergebnis angezeigt werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Ladeanschluss 3 um ein angeschlossenes Ladekabel handeln. Mithilfe der Anzeigeeinheit 7 können beispielsweise die geforderte Spannung der Stromquelle 4 und die Spannungen am kapazitiven Spannungsteiler angezeigt werden. Bei einer Spannungslage von 400 Volt an der Stromquelle 4 kann eine ideale Batteriespannung UBATT von 800 Volt dargestellt und erreicht werden, indem der elektrische Energiespeicher 2 über die beiden Kondensatoren C1 und C2 geladen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Speichereinrichtung
- 2
- Elektrischer Energiespeicher
- 3
- Ladeanschluss
- 4
- Stromquelle
- 5
- Schalteinrichtung
- 6
- Pulsgenerator
- 7
- Anzeigeeinheit
- C1, C2
- Erster und zweiter Kondensator
- M1 bis M3
- Erster bis dritter Mittelabgriff
- S1 bis S4
- Erstes bis viertes Schaltelement
- SV1, SV2
- Erster und zweiter Stromverlauf
- UBATT
- Batteriespannung
- UC1, UC2
- Kondensatorspannungen
- UL
- Ladespannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018000490 A1 [0004]
