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Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs sowie ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs mit einer solchen Ladevorrichtung.
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Wenn die bestehende Hochvolt-Bordnetzarchitektur eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs auf 800 V Bordnetzspannung beruht, ist für das Laden des elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs an einer 400 V-Ladesäule ein zusätzlicher 400 V/800 V-Gleichspannungswandler erforderlich.
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Die
DE 102019003459 A1 offenbart eine Ladevorrichtung zum Laden einer Hochvoltbatterie mit einem Gleichspannungsanschluss zum Verbinden der Ladevorrichtung mit einem externen Ladeanschluss. Die Ladevorrichtung umfasst einen Wechselspannungsanschluss zum Verbinden der Ladevorrichtung mit einem zweiten externen Ladeanschluss und einem Gleichspannungswandler zum Umwandeln einer ersten Gleichspannung des ersten Ladeanschlusses in eine zweite Gleichspannung, mit welcher die Hochvoltbatterie versorgt wird. Ebenfalls umfasst die Ladevorrichtung einen Bordlader zum Umwandeln einer Wechselspannung des zweiten Ladeanschlusses in die zweite Gleichspannung, wobei durch eine Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers und des Bordladers die erste Gleichspannung in die gegenüber der ersten Gleichspannung höhere zweite Gleichspannung umwandelbar ist. Bei der Ladevorrichtung handelt es sich um eine Ladeeinheit eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, mit welcher eine Hochvoltbatterie des elektrisch betreibbaren Fahrzeugs geladen werden kann. Durch die Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers und des Bordladers kann eine geringere Gleichspannung des ersten externen Ladeanschlusses gegenüber einer Batteriespannung der Hochvoltbatterie in die zweite Gleichspannung umgewandelt werden.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs zu schaffen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs mit einer solchen verbesserten Ladevorrichtung anzugeben.
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Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs vorgeschlagen, mit einem Ladeanschluss zum elektrischen Verbinden der Ladevorrichtung mit einer externen Spannungsversorgung, einer Ladeeinheit zum Umwandeln einer am Ladeanschluss anliegenden ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung, welche zum Laden des elektrischen Energiespeichers vorgesehen ist, sowie einer Leistungsverteilereinheit mit einem ersten und einem zweiten Ausgang zum Bereitstellen der am Ladeanschluss anliegenden ersten Gleichspannung und/oder der von der Ladeeinheit umgewandelten zweiten Gleichspannung an den an den Ausgängen angeschlossenen elektrischen Energiespeicher. Dabei weist die Leistungsverteilereinheit einen ersten elektrischen Anschluss für den Ladeanschluss und einen zweiten elektrischen Anschluss für die Ladeeinheit auf. Die Leistungsverteilereinheit weist Schalter auf, mit welchen in einem ersten Ladezustand der Ladeanschluss auf den ersten und zweiten Ausgang geschaltet ist, und in einem zweiten Ladezustand ein erster Ausgang der Ladeeinheit auf einen der Ausgänge der Leistungsverteilereinheit und ein zweiter Ausgang der Ladeeinheit auf den anderen der Ausgänge der Leistungsverteilereinheit geschaltet ist.
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Vorteilhaft ist die Ladeeinheit der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung nicht, wie im Stand der Technik, zwischen dem Ladeanschluss und der Leistungsverteilereinheit angeordnet und weist damit zwei Eingänge und zwei Ausgänge auf, sondern kann aus der Leistungsverteilereinheit heraus zugeschaltet werden und benötigt dazu nur noch drei Anschlüsse. Entsprechend ist damit eine direkte Verbindung zwischen dem Ladeanschluss und der Leistungsverteilereinheit möglich. Dies entspricht der Funktion einer Bypass-Schaltung der Ladeeinheit, wobei diese dann nicht mehr über die Ladeeinheit erfolgt. Die Leistungsverteilereinheit enthält alle weiteren laderelevanten Komponenten, wie auch Komponenten eines sogenannten Hochvolt-Zwischenkreises mit beispielsweise Komponenten zum Zuschalten des Energiespeichers an das Hochvolt-Bordnetz. Die Ladeeinheit kann einen standardmäßigen Gleichspannungswandler aufweisen, welcher als Aufwärtswandler ausgebildet ist, sodass ein Elektrofahrzeug (EV) mit einem Hochvolt-Bordnetz mit höherer Spannung, beispielsweise 800 V auch an einer DC-Ladestation mit niedriger Spannung, beispielsweise. 400 V geladen werden kann.
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Die Verschaltung der Ladevorrichtung weist vor allem in der Kontaktierung und im Leitungssatz, vor allem bei Hochvolt-Leitungen, Vorteile auf. Mit der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung können die gleichen Funktionen realisiert werden wie bei einer üblichen Ladevorrichtung und dennoch beim einfachen Laden mit Gleichstrom (DC), bei dem die Ladespannung der Systemspannung des Bordnetzes, bzw. des Energiespeichers entspricht, eine direkte Verbindung zwischen Ladeanschluss und der Leistungsverteilereinheit genutzt werden. Dabei wird die Ladeeinheit nicht belastet. Der Ladestrom wird auch nicht über die Ladeeinheit geführt, was den Leitungssatz vereinfacht, weniger Kontaktstellen bedarf und somit auch besser bei der Wärmeentwicklung und Kühlung ist.
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Vorteilhaft wird bei der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung die Ladeeinheit mit einem Gleichspannungswandler als galvanisch gekoppelter Wandler in die bestehende Hochvolt-Bordnetzarchitektur integriert. Dabei kann beim Laden eines 800 V-Energiespeichers an einer 400 V-Ladesäule der serielle Ladepfad der Ladevorrichtung durch einen vorhandenen Schalter offen gelassen werden, so dass auf der Eingangsseite der Ladevorrichtung die erste Gleichspannung von 400 V der Ladesäule anliegen und am Ausgang der Leistungsverteilereinheit 800 V des Gleichspannungswandlers zum Laden des Energiespeichers zur Verfügung stehen. Die Werte von 800V und 400V sind hierbei natürlich Beispielwerte zur Verdeutlichung der Vorzüge und Vorteile der Erfindung und wie einem Fachmann auch bekannt ist, sind es nicht feste Werte, die dauerhaft anliegen, sondern hängen von dem Ladezustand des Energiespeichers beziehungsweise vom der Ladestation ab und liegen in einem weiten Spannungsband, das durch diese Werte symbolisiert sind.
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Mit einer solchen Ladevorrichtung können üblicherweise zwischen Ladeanschluss und DC/DC-Ladeschützen vorgesehene zusätzliche DC-Schütze für eine Bypass-Schaltung des Gleichspannungswandlers eingespart werden.
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Auf eine Änderung des Hochvolt-Serien-Leitungssatzes kann verzichtet werden.
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Die Ladevorrichtung benötigt nur einen zweipoligen Hochstrom-Steckverbinder (beispielsweise einen zweipoligen 500 A-Steckverbinder) für den Anschluss des Ladeanschlusses, während zum Anschluss der Ladeeinheit an die Leistungsverteilereinheit lediglich zwei dreipolige Steckverbinder für geringere Leistung (beispielsweise zwei dreipolige 125 A-Steckverbinder) benötigt werden.
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Da kein elektrischer Bypass-Pfad beim Laden an einer 800 V-Ladesäule über die Ladeeinheit geführt werden muss, kann der Bypass-Schalter, beispielsweise ein Hochvolt-Schütz, eingespart werden. Der Bauraum kann verkleinert werden, da Hochstrom-Stromschienen wegfallen. Es tritt keine Erwärmung der Ladeeinheit auf Grund eines üblicherweise notwendigen Durchschleifens des Hochstrompfades als Bypass durch die Ladeeinheit auf.
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Die Ladeeinheit braucht nur auf geringere Ladeleistungen ausgelegt werden, sodass die Ladeeinheit kompakter und leichter aufgebaut werden kann. Ladeeinheit wie auch die in oder an der Ladeeinheit verbauten Schalter sowie Steckverbinder und Kabel brauchen nur auf den eigenen Nennstrom der Ladeeinheit ausgelegt werden.
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Eine Konformität der Ladeeinheit zu aktuell bekannten Ladestandards kann dadurch gewährleistet werden.
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Auch die Integration der Ladevorrichtung in das Fahrzeug vereinfacht sich, da die Ladevorrichtung nur einen Hochvolt-Anschluss an der Leistungsverteilereinheit sowie geringere Biegeradien der Hochvolt-Leitungen aufweist.
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Das Einsparen zusätzlicher Steckverbinder und Hochvolt-Schütze führt zu einer signifikanten Kosten- und Gewichtseinsparung.
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Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung kann vorteilhaft zum Laden eines elektrischen Energiespeichers elektrisch betreibbarer Fahrzeuge mit üblichen DC-Ladeverfahren, bzw. DC-Ladestandards eingesetzt werden, wie CCS Typ 1 oder CCS Typ 2 (CCS = „Combined Charging System“ als in Europa entwickelter Standard), das mit Typ2-Steckern ein Laden mit Gleichstrom und Wechselstrom erlaubt, CHAdeMO („Charge de Move“ als in Japan entwickelter Standard mit einer Ladeleistung meist bis 50 kW), GB/T (als in China entwickelter Standard).
Die Ladevorrichtung kann vorteilhaft auch mit zukünftigen Standards wie ChaoJi (für CHAdeMO-Standard 3.0 mit einer Ladeleistung bis 500 kW) und MegaWatt-Laden eingesetzt werden, welche mit Ladespannungen in Höhe der Hochvolt-Bordspannung auch nicht über die Ladeeinheit geführt werden muss und analog der Vorteile beim Laden an einer 800 V-Ladesäule somit auch keine Erwärmung der Ladeeinheit auf Grund eines üblicherweise notwendigen Durchschleifens des Hochstrompfades als Bypass durch die Ladeeinheit auftritt. Hierdurch weist die Ladevorrichtung nicht nur aktuell Vorteile beim Laden an 800 V-Ladesäulen und 400 V-Ladesäulen, sondern ist auch zukunftssicher bei kommenden Ladestandards anwendbar und bietet dabei ebenfalls die gleichen Vorteile.
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Durch die Anordnung und Verschaltung der Ladeeinheit mit dem Gleichspannungswandler können insbesondere die neuen Elektrofahrzeuge mit einer Hochvolt- Bordspannung von mehr als 500 V, zum Beispiel 800 V, nicht nur an DC-Ladestationen mit ebenfalls der gleichen hohen Ladespannung direkt geladen werden, sondern auch abwärtskompatibel über die Ladeeinheit der Ladevorrichtung an Ladestationen mit geringerer Spannung, wie beispielsweise mit 400 V.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ladevorrichtung kann in dem ersten Ladezustand die erste Gleichspannung des Ladeanschlusses auf den ersten und zweiten Ausgang der Leistungsverteilereinheit geschaltet sein, und in dem zweiten Ladezustand die von der Ladeeinheit umgewandelte zweite Gleichspannung auf den ersten und zweiten Ausgang der Leistungsverteilereinheit geschaltet sein. Im ersten Ladezustand kann der Energiespeicher, welcher an die Ausgänge der Leistungsverteilereinheit angeschlossen ist und welcher beispielsweise 800 V Sollspannung aufweist, direkt über eine am Ladeanschluss anliegende Gleichspannung von ebenfalls 800 V geladen werden. Im zweiten Ladezustand, wenn am Ladeanschluss beispielsweise nur eine erste Gleichspannung von 400 V zur Verfügung gestellt wird, kann diese erste Gleichspannung durch den Gleichspannungswandler der Ladeeinheit auf eine zweite Gleichspannung von 800 V gewandelt werden und so der Energiespeicher ebenfalls mit 800 V geladen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ladevorrichtung kann in dem zweiten Ladezustand, insbesondere, in dem die erste Gleichspannung an dem Ladeanschluss kleiner als die Sollspannung des elektrischen Energiespeichers ist, der erste Ausgang der Ladeeinheit über den ersten Schalter der Leistungsverteilereinheit mit einem ersten Pol des Ladeanschlusses sowie direkt mit dem ersten Ausgang der Leistungsverteilereinheit verschaltet sein. Dabei kann der zweite Ausgang der Ladeeinheit mit dem zweiten Ausgang der Leistungsverteilereinheit verschaltet sein, und ein Eingang der Ladeeinheit mit einem zweiten Pol des Ladeanschlusses verschaltet sein. Dabei ist ein Schalter in der Ladeeinheit vorgesehen, der den Eingang der Ladeeinheit an einen Eingang eines Gleichspannungswandlers der Ladeeinheit durchschaltet. Mit dieser zweckmäßigen Verschaltung kann die erste Gleichspannung an die Ladeeinheit durchgeschaltet werden, in die zweite Gleichspannung umgewandelt werden und diese zweite Gleichspannung an die Ausgänge der Leistungsverteilereinheit durchgeschaltet werden. Dabei wird vorteilhaft nur ein dreipoliger Leitungssatz zur Verbindung zwischen Leistungsverteilereinheit und Ladeeinheit benötigt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ladevorrichtung kann der Gleichspannungswandler als Aufwärtswandler ausgebildet sein. Günstigerweise kann so eine erste Gleichspannung von 400 V in eine zum Laden eines Energiespeichers mit einer Sollspannung von 800 V benötigte zweite Gleichspannung von 800 V umgewandelt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ladevorrichtung kann in dem ersten Ladezustand, insbesondere, in dem die erste Gleichspannung an dem Ladeanschluss größer oder gleich der Sollspannung des elektrischen Energiespeichers ist, der erste Schalter und der zweite Schalter geschlossen sein und der dritte Schalter geöffnet sein. Dabei liegt die erste Gleichspannung zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang des Leistungsverteilers an. Auf diese Weise kann die am Ladeanschluss anliegende Gleichspannung direkt auf die Ausgänge der Leistungsverteilereinheit und damit an einen Eingang des Energiespeichers durchgeschaltet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ladevorrichtung kann der erste elektrische Anschluss der Leistungsverteilereinheit einen zweipoligen Hochstrom-Steckverbinder aufweisen. Günstigerweise wird so zum Anschließen des Ladeanschlusses an die Leistungsverteilereinheit nur ein Kabel mit einem solchen Steckverbinder benötigt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ladevorrichtung kann der zweite elektrische Anschluss der Leistungsverteilereinheit einen dreipoligen Steckverbinder aufweisen. Die Ladeeinheit kann so vorteilhaft über ein Kabel mit zwei dreipoligen Steckverbindern an die Leistungsverteilereinheit angeschlossen werden.
Alternativ kann hier auch ein zweipoliger Steckverbinder und ein einpoliger Steckverbinder vorgesehen sein, so dass es anstatt einem einstückigen Steckverbinder mit drei Polen, zwei Steckverbinder mit einmal zwei Polen und einmal einem Pol angeordnet sind. Hierbei können dann die beiden Steckverbinder getrennt über zwei eigenständige Verbindungsvorrichtungen, insbesondere zwei Kabel, miteinander verbunden werden oder auch über ein gemeinsames Kabel, auch als Kabelbaum, oder ein einzelnes Kabel dann mit zwei Anschlusseinrichtungen für die beiden Steckverbinder einmal mit einem Pol und einmal mit zwei Polen.
In einer weiteren alternativen Ausführung kann der Anschluss auch als drei einzelne Steckverbinder mit je einem einzigen Pol vorgesehen sein, was aber etwas aufwendiger ist und auch durch die höhere Anzahl an Steckverbinder fehleranfälliger ist.
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Vorteilhaft kann der zweite elektrische Anschluss der Leistungsverteilereinheit und der dritte elektrische Anschluss der Ladeeinheit komplementär ausgeführt sein, so dass der zweite elektrische Anschluss der Leistungsverteilereinheit direkt ohne Verbindungseinrichtung mit dem dritten elektrischen Anschluss der Ladeeinheit verbindbar ist. Beispielsweise kann an der Leistungsverteilereinheit eine Buchse direkt am Gehäuse angeordnet sein und an der Ladeeinheit das dazu passende Gegenstück als Stecker direkt am Gehäuse angeordnet sein, so dass über die Stecker-Buchse-Verbindung an den beiden Gehäusen direkt eine Verbindung zwischen der Leistungsverteilereinheit und der Ladeeinheit hergestellt werden kann.
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Auch anstatt eines Kabels als Verbindungvorrichtung zwischen den Steckverbindungen, egal ob bei einem Steckverbinder mit drei Polen oder bei zwei Steckverbinder mit einmal einem Pol und einmal zwei Polen, können Alternativen genutzt werden, was beispielsweise auch über Stromschienen, also feste vorgeformte Leitungseinrichtungen, erfolgen kann oder auch eine sogenannte Direktverbindung ist möglich. Bei einer Direktverbindung ist auf eine Verbindungsvorrichtung zwischen dem Steckverbinder der Ladeeinheit und dem Steckverbinder der Leistungsverteilereinheit ganz verzichtet und der Steckverbinder der Ladeeinheit ist mit dem Steckverbinder der Leistungsverteilereinheit direkt verbunden, also in einander eingesteckt. Dabei kann nicht nur auf eine Verbindungvorrichtung, insbesondere ein Kabel, verzichtet sein, was Gewicht und Kosten spart, sondern auch durch die geringere Anzahl an Kontakten eine Verbesserung der Leitfähigkeit und Reduktion an Fehlerquellen erreicht sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ladevorrichtung kann an der Ladeeinheit ein dritter elektrischer Anschluss vorgesehen sein, der an den zweiten elektrischen Anschluss der Leistungsverteilereinheit angeschlossen ist. Insbesondere kann der dritte elektrische Anschluss einen dreipoligen Steckverbinder aufweisen. Die Ladeeinheit kann so vorteilhaft über ein Kabel mit zwei dreipoligen Steckverbindern an die Leistungsverteilereinheit angeschlossen werden.
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Vorteilhaft werden so zum Anschließen des Ladeanschlusses an die Leistungsverteilereinheit nur ein zweipoliger Hochstrom-Steckverbinder und zum Anschluss der Ladeeinheit an die Leistungsverteilereinheit nur zwei dreipoligen Steckverbindern benötigt, welche für niedrigere Nennströme der Ladeeinheit ausgelegt sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ladevorrichtung kann in dem zweiten Ladezustand der positive Pol der Pole des Ladeanschlusses einen gemeinsamen Bezug der am Ladeanschluss anliegenden ersten Gleichspannung und der an dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang der Leistungsverteilereinheit anliegenden zweiten Gleichspannung darstellen. Mit einer solchen vorteilhaften Verschaltung ist es möglich, auf den Eingang der Ladeeinheit die erste Gleichspannung von 400 V zu schalten und vom Ausgang der Ladeeinheit die zweite Gleichspannung von 800 V auf die Ausgänge der Leistungsverteilereinheit zu schalten. Günstigerweise kann diese Verschaltung über ein lediglich dreipoliges Kabel erfolgen. Alternativ beziehungsweise umgedeutet gilt gleiches ebenfalls für den negativen Pol der Pole.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs mit einer Ladevorrichtung wie oben beschrieben vorgeschlagen. Dabei umfasst das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte: Vergleichen einer maximalen Spannung, die die Ladesäule als erste Gleichspannung zur Verfügung stellen kann mit einer für das Laden des elektrischen Energiespeichers maximal erforderlichen Spannung als Sollspannung des elektrischen Energiespeichers.
Die maximale Spannung, die die Ladesäule als erste Gleichspannung zur Verfügung stellen kann, wird hierbei normalerweise beim Laden über eine Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und der Ladesäule bestimmt oder ausgetauscht beziehungsweise vom Fahrzeug angefordert und von der Ladesäule übermittelt. Zudem kann die Spannung vor einem Schließen von Ladeschützen auch noch gemessen werden, um sicherzustellen, dass keine zu große Spannungsdifferenz zwischen der Ladespannung und einer Vorladung eines Hochvolt-Zwischenkreises vorhanden ist, um die Schütze beim Schließen nicht zu beschädigen.
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Im Folgenden bezieht sich die erste Gleichspannung immer auf die maximal mögliche Spannung die die Ladesäule liefern kann und die Sollspannung auf die maximal erforderliche Spannung des elektrischen Energiespeichers, die zum Laden notwendig ist.
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Für den Fall, dass die erste Gleichspannung größer oder gleich der Sollspannung des elektrischen Energiespeichers ist, umfasst das Verfahren weiter die Schritte: Schließen eines ersten und eines zweiten Schalters einer Leistungsverteilereinheit zum Verbinden des Ladeanschlusses mit einem ersten Ausgang und einem zweiten Ausgang der Leistungsverteilereinheit; Schalten der ersten Gleichspannung an den ersten Ausgang und den zweiten Ausgang über den ersten und zweiten Schalter; Laden des elektrischen Energiespeichers mit der ersten Gleichspannung.
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Für den Fall, dass die erste Gleichspannung kleiner als die Sollspannung des elektrischen Energiespeichers ist, umfasst das Verfahren weiter die Schritte: Schließen des ersten Schalters zum Verbinden eines ersten Pols des Ladeanschlusses mit dem ersten Ausgang des elektrischen Energiespeichers und einem ersten Ausgang einer Ladeeinheit; Öffnen des zweiten Schalters der Leistungsverteilereinheit und Verbinden eines Eingangs der Ladeeinheit mit einem zweiten Pol des Ladeanschlusses; Schließen eines dritten Schalters der Ladeeinheit zum Verbinden des Eingangs der Ladeeinheit mit einem Eingang eines Gleichspannungswandlers der Ladeeinheit; Schalten einer durch die Ladeeinheit umgewandelten zweiten Gleichspannung an den ersten Ausgang und den zweiten Ausgang der Leistungsverteilereinheit; Laden des elektrischen Energiespeichers mit der zweiten Gleichspannung.
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Vorteilhaft kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Ladezustand, in dem die erste Gleichspannung größer oder gleich der Sollspannung des elektrischen Energiespeichers ist, die am Ladeanschluss anliegende erste Gleichspannung direkt an die Ausgänge der Leistungsverteilereinheit durchgeschaltet werden. Damit kann ein mit den Ausgängen elektrisch verbundener Energiespeicher mit der ersten Gleichspannung geladen werden.
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Weiter kann in einem zweiten Ladezustand, in dem die erste Gleichspannung kleiner als die Sollspannung des elektrischen Energiespeichers ist, die erste Gleichspannung auf den Eingang der Ladeeinheit geschaltet werden. Weiter wird durch Öffnen des zweiten Schalters der Leistungsverteilereinheit die Verbindung des Ladeanschlusses zum Ausgang der Leistungsverteilereinheit unterbrochen. In der Ladeeinheit wird die erste Gleichspannung durch einen Gleichspannungswandler in eine zweite höhere Gleichspannung gewandelt, welche dann über die Ausgänge der Ladeeinheit auf die Ausgänge der Leistungsverteilereinheit geschaltet wird. Damit kann ein mit den Ausgängen elektrisch verbundener Energiespeicher mit der zweiten Gleichspannung geladen werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Systemübersicht der Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung in einer schematischen Darstellung; und
- 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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1 zeigt eine Systemübersicht der Ladevorrichtung 100 zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 60 eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs 200 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Ladevorrichtung 100 umfasst einen Ladeanschluss 50 zum elektrischen Verbinden der Ladevorrichtung 100 mit einer externen, nicht dargestellten Spannungsversorgung, eine Ladeeinheit 10 zum Umwandeln einer am Ladeanschluss 50 anliegenden ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung, welche zum Laden des elektrischen Energiespeichers 60 vorgesehen ist, sowie eine Leistungsverteilereinheit 30 mit einem ersten und einem zweiten Ausgang 36, 38 zum Bereitstellen der am Ladeanschluss 50 anliegenden ersten Gleichspannung und/oder der von der Ladeeinheit 10 umgewandelten zweiten Gleichspannung an den an den Ausgängen 36, 38 angeschlossenen elektrischen Energiespeicher 60.
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Der Energiespeicher 60 ist in der in der Figur dargestellten Ausführungsform direkt an die Ausgänge 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30 angeschlossen und umfasst eine Reihe von Batteriezellen 66, die nur schematisch mit einem Batteriesymbol angedeutet sind und welche zum Laden über zwei Schütze 62, 64 zugeschaltet werden.
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Generell können die Ausgänge 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30 mit weiteren, nicht dargestellten, laderelevanten Komponenten eines Hochvolt-Zwischenkreises eines Hochvolt-Bordnetzes des Fahrzeugs, wie beispielsweise weitere Schalter, verbunden sein.
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Die Leistungsverteilereinheit 30 weist einen ersten elektrischen Anschluss 52 für den Ladeanschluss 50 und einen zweiten elektrischen Anschluss 56 für die Ladeeinheit 10 auf.
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Weiter weist die Leistungsverteilereinheit 30 Schalter 32, 34 auf, mit welchen in einem ersten Ladezustand durch Schließen der Schalter 32, 34 der Ladeanschluss 50 auf den ersten und zweiten Ausgang 36, 38 geschaltet werden kann. In dem ersten Ladezustand ist damit eine am Ladeanschluss 50 anliegende erste Gleichspannung auf den ersten und zweiten Ausgang 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30 geschaltet.
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Die Ladeeinheit 10 weist einen Anschluss 54 auf, über welchen ein Eingang 24 und zwei Ausgänge 20, 22 der Ladeeinheit 10 mit dem Anschluss 56 der Leistungsverteilereinheit 30 kontaktiert werden können. Der Eingang 24 der Ladeeinheit 10 ist mit einem zweiten Pol 42 des Ladeanschlusses 50 verschaltet. Ein Schalter 18 ist in der Ladeeinheit 10 vorgesehen, der den Eingang 24 der Ladeeinheit 10 an einen Eingang 26 eines Gleichspannungswandlers 12 der Ladeeinheit 10 durchschaltet. Der Gleichspannungswandler 12 ist als Aufwärtswandler ausgebildet und weist an seinem Eingang eine Eingangskapazität 14 und an seinem Ausgang eine Ausgangskapazität 16 auf. Durch die Verbindung des Ausgangs 20 der Ladeeinheit 10 mit der Ausgangskapazität 16 und der Eingangskapazität 14 ist der Ausgang 20 gleichzeitig auch als ein Eingang der Ladeeinheit 10 genutzt. Es handelt sich hier im Ausführungsbeispiel um einen galvanisch gekoppelten Gleichspannungswandler 12, mit einer Kopplung im oberen Pfad, also im Pluspfad, mit den Ausgängen 20, 22 und dem Eingang 24 und dem Ausgang 20 als gleichzeitigen weiteren Eingang.
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In dem ersten Ladezustand, in dem insbesondere die erste Gleichspannung an dem Ladeanschluss 50 größer oder gleich der Sollspannung des elektrischen Energiespeichers 60 ist, sind der erste Schalter 32 und der zweite Schalter 34 der Leistungsverteilereinheit 30 geschlossen und der dritte Schalter 18 der Ladeeinheit 10 geöffnet. Damit liegt die erste Gleichspannung zwischen dem ersten Ausgang 36 und dem zweiten Ausgang 38 des Leistungsverteilers 30 an und der Energiespeicher 60 kann mit der ersten Gleichspannung geladen werden.
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In einem zweiten Ladezustand ist der erste Ausgang 20 der Ladeeinheit 10 auf einen der Ausgänge 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30, bei dem Ausführungsbeispiel in 1 auf den ersten Ausgang 36 geschaltet. Der zweite Ausgang 22 der Ladeeinheit 10 ist auf den anderen der Ausgänge 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30, in 1 auf den zweiten Ausgang 38 geschaltet. Dieser Pfad kann, wie dargestellt, mit einer optionalen Sicherung 46 abgesichert sein.
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In dem zweiten Ladezustand, in dem insbesondere die erste Gleichspannung an dem Ladeanschluss 50 kleiner als die Sollspannung des elektrischen Energiespeichers 60 ist, wird der erste Schalter 32 geschlossen und damit der erste Ausgang 20 der Ladeeinheit 10 über den geschlossenen ersten Schalter 32 der Leistungsverteilereinheit 30 mit dem ersten Pol 40 des Ladeanschlusses 50 sowie direkt mit dem ersten Ausgang 36 der Leistungsverteilereinheit 30 verschaltet. Der zweite Schalter 34 der Leistungsverteilereinheit 30 bleibt offen.
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Der zweite Ausgang 22 der Ladeeinheit 10 ist mit dem zweiten Ausgang 38 der Leistungsverteilereinheit 30 fest verschaltet. Der Eingang 24 der Ladeeinheit 10 ist damit mit dem zweiten Pol 42 des Ladeanschlusses 50 verbunden. Der dritte Schalter 18 der Ladeeinheit 10 wird geschlossen. Damit ist der Eingang 26 des Gleichspannungswandlers 12 mit dem zweiten Pol 42 des Ladeanschlusses 50 verbunden.
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In dem zweiten Ladezustand liegt somit die an dem Ladeanschluss 50 anliegende erste Gleichspannung direkt an dem Gleichspannungswandler 12 an und kann von diesem in eine zweite Gleichspannung umgewandelt werden, welche dann auf den ersten und zweiten Ausgang 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30 geschaltet wird. Damit kann der Energiespeicher 60 mit der zweiten Gleichspannung geladen werden.
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Der positive der beiden Pole 40, 42 des Ladeanschlusses 50, hier Pol 40, stellt damit in dem zweiten Ladezustand einen gemeinsamen Bezug der am Ladeanschluss 50 anliegenden ersten Gleichspannung und der an dem ersten Ausgang 36 und dem zweiten Ausgang 38 der Leistungsverteilereinheit 30 anliegenden zweiten Gleichspannung dar. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, die Verschaltung der Ladeeinheit 10 mit der Leistungsverteilereinheit 30 mittels dreipoliger Anschlüsse 54, 56 durchzuführen.
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Mit der dargestellten erfindungsgemäßen Ladevorrichtung 100 kann beispielsweise ein elektrischer Energiespeicher 60 mit einer Sollspannung von mehr als 500 V, zum Beispiel 800 V, auch an einer Ladesäule mit einer Ausgangsspannung von weniger als 500 V, zum Beispiel 400 V geladen werden.
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Stehen am Ladeanschluss 50 als erste Gleichspannung 800 V zur Verfügung, kann die erste Gleichspannung im ersten Ladezustand direkt auf die Ausgänge 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30 durchgeschaltet und der Energiespeicher 60 mit hohem Strom, beispielsweise 500 A, geladen werden. Der erste elektrische Anschluss 52 der Leistungsverteilereinheit 30 weist dazu einen zweipoligen Hochstrom-Steckverbinder auf.
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Stehen am Ladeanschluss 50 als erste Gleichspannung jedoch nur 400 V zur Verfügung, wird die erste Gleichspannung nicht direkt durchgeschaltet, sondern auf den Eingang 26 des Gleichspannungswandlers 12 gegeben, welcher die erste Gleichspannung von 400 V in eine zweite Gleichspannung von 800 V umwandelt. Diese zweite Gleichspannung von 800 V wird dann auf die Ausgänge 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30 geschaltet und damit der Energiespeicher 60 geladen. Dieser Ladevorgang kann vorteilhaft mit niedrigerem Strom, beispielsweise 125 A für eine Ladeleistung von 50 kW, durchgeführt werden, sodass die beiden Steckverbinder 54, 56 zwischen Ladeeinheit 10 und Leistungsverteilereinheit 30 lediglich dreipolige Steckverbinder für den niedrigeren Nennstrom des Gleichspannungswandlers 12 aufweisen müssen.
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2 zeigt ein Fahrzeug 200 mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung 100 in einer schematischen Darstellung. Das Fahrzeug 200 ist in einer Draufsicht dargestellt. In der Figur an der Seite hinten rechts im Fahrzeug 200 ist der Ladeanschluss 50 eingezeichnet, der wiederum mit der Leistungsverteilereinheit 30 elektrisch verbunden ist. Die Leistungsverteilereinheit 30 weist elektrische Verbindungen zu der Ladeeinheit 10 und dem elektrischen Energiespeicher 60 auf.
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In 3 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 60 eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs 200 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Das Verfahren startet damit, dass eine an dem Ladeanschluss 50 anliegende erste Gleichspannung in Schritt S100 bestimmt wird und in Schritt S102 mit einer Sollspannung des elektrischen Energiespeichers 60 verglichen wird. Die Bestimmung der anliegenden ersten Gleichspannung findet normalerweise anhand einer Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und der Ladesäule statt, bei der die Ladesäule die maximal zur Verfügung stellbare Spannung als erste Gleichspannung dem Fahrzeug übermittelt.
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Für den Fall, dass die erste Gleichspannung größer oder gleich der Sollspannung des elektrischen Energiespeichers 60 ist, also beispielsweise die am Ladeanschluss 50 verfügbare erste Gleichspannung 800 V bei einer Sollspannung des Energiespeichers 60 von ebenfalls 800 V beträgt, wird in Schritt S104 der erste und der zweite Schalter 32, 34 der Leistungsverteilereinheit 30 zum Verbinden des Ladeanschlusses 50 mit dem ersten Ausgang 36 und dem zweiten Ausgang 38 der Leistungsverteilereinheit 30 geschlossen.
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Die erste Gleichspannung wird damit in Schritt S106 über den ersten und zweiten Schalter 32, 34 an den ersten Ausgang 36 und den zweiten Ausgang 38 geschaltet.
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Damit kann in Schritt S108 der elektrische Energiespeicher 60 mit der ersten Gleichspannung geladen werden.
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Für den Fall, dass die verfügbare erste Gleichspannung kleiner als die Sollspannung des elektrischen Energiespeichers 60 ist, also beispielsweise die am Ladeanschluss 50 verfügbare erste Gleichspannung 400 V bei einer Sollspannung des Energiespeichers von 800 V beträgt, wird in Schritt S110 der erste Schalter 32 zum Verbinden des ersten Pols 40 des Ladeanschlusses 50 mit dem ersten Ausgang 36 des elektrischen Energiespeichers und dem ersten Ausgang 20 der Ladeeinheit 10 geschlossen.
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In Schritt S112 bleibt der zweite Schalter 34 der Leistungsverteilereinheit 30 geöffnet. Der Eingang 24 der Ladeeinheit 10 ist mit dem zweiten Pol 42 des Ladeanschlusses 50 verbunden. Sollte der zweite Schalter 34 im Vorfeld zu diesem Verfahren durch eine anderen Schritt geschlossen worden sein, wird der geschlossene Schalter 34 im Schritt S112 geöffnet.
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In Schritt S114 wird der dritte Schalter 18 der Ladeeinheit 10 zum Verbinden des Eingangs 24 der Ladeeinheit 10 mit dem Eingang 26 des Gleichspannungswandlers 12 der Ladeeinheit 10 geschlossen.
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Damit wird in Schritt S116 die durch die Ladeeinheit 10 umgewandelte zweite Gleichspannung an den ersten Ausgang 36 und den zweiten Ausgang 38 der Leistungsverteilereinheit 30 geschaltet.
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Damit kann in Schritt S118 der elektrischen Energiespeicher 60 mit der zweiten Gleichspannung geladen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ladeeinheit
- 12
- Gleichspannungswandler
- 14
- Eingangskapazität
- 16
- Ausgangskapazität
- 18
- Schalter
- 20
- Erster Ausgang Ladeeinheit
- 22
- Zweiter Ausgang Ladeeinheit
- 24
- Eingang Ladeeinheit
- 26
- Eingang Gleichspannungswandler
- 30
- Leistungsverteilereinheit
- 32
- Schalter
- 34
- Schalter
- 36
- Erster Ausgang Leistungsverteilereinheit
- 38
- Zweiter Ausgang Leistungsverteilereinheit
- 40
- Erster Pol
- 42
- Zweiter Pol
- 46
- Sicherung
- 50
- Ladeanschluss
- 52
- Hochstrom-Steckverbinder
- 54
- Steckverbinder
- 56
- Steckverbinder
- 60
- Energiespeicher
- 62
- Schalter
- 64
- Schalter
- 66
- Batteriezellen
- 100
- Ladevorrichtung
- 200
- Fahrzeug
-
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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019003459 A1 [0003]
