DE102020007867A1 - Verfahren und Ladesystem zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs - Google Patents

Verfahren und Ladesystem zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs Download PDF

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Alexander Aspacher
Juergen Benecke
Urs Boehme
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Mercedes Benz Group AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers (4) eines Fahrzeugs (3), wobei
- mit einer Ladevorrichtung (6) des Fahrzeugs (3) ein Ladevorgang des Energiespeichers (3) durchgeführt wird,
- in einer ersten Phase des Ladevorgangs der Energiespeicher (4) in Abhängigkeit von einem Ladestrom (IL) der Ladequelle (2) mit einer ersten Gleichspannung (U1) der Ladequelle (2) geladen wird,
- eine Batteriespannung (UBatt) des Energiespeichers (3) während des Ladevorgangs (6) bestimmt wird,
- die Batteriespannung (UBatt) des Energiespeichers (4) einer der Ladespannung der Ladequelle (2) verglichen wird,
- in Abhängigkeit von dem Vergleich der Batteriespannung (UBatt) mit der Ladespannung ein Spannungswandler (7) betrieben wird, wobei
- in einer zur ersten Phase nachfolgenden zweiten Phase des Ladevorgangs der Energiespeicher (4) in Abhängigkeit von einem Drosselstrom (ID) des Spannungswandlers (7) mit einer zweiten Gleichspannung (U2) des Spannungswandler (7) geladen wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Ladesystem (1).

Description

  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Ladesystem zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
  • Elektrisch angetriebene Fahrzeuge, wie beispielsweise Elektrofahrzeuge, weisen eine Spannungslage von bis zu 800 Volt auf. Dem gegenüber liefern die heutzutage verwendeten DC-Ladesäulen nur eine maximale Ausgangsspannung von 750 Volt.
  • Eine Vielzahl an DC-Ladesäulen weist nur eine Ausgangsspannung von maximal 500 Volt auf. Daher kann eine Abwärtskompatibilität zu einer DC-Ladesäule mit einer maximalen Spannungslage von 500 Volt verwendet werden um das Elektrofahrzeug laden zu können. Dabei kann die niedrigere Spannung mittels eines Boost-Wandlers auf die höhere Spannungslage gewandelt werden.
  • Beim Laden eines 800 Volt-Fahrzeuges an einer 700 Volt-Ladesäule muss das Fahrzeug dazu ausgelegt werden, dass seine Spannungslage kleiner oder gleich 750 Volt liegt oder dass auch das Elektrofahrzeug über einen entsprechenden Boost-Wandler verfügt, um von Anfang an den Ladevorgang mit Hilfe des Boost-Wandlers durchzuführen. Allerdings kann in diesem Fall der Boost-Wandler mit seinen Leistungen bestimmend für die Lebensdauer des Elektrofahrzeuges sein. Aufgrund von Kosten und/oder Dimensionen (Leistungsdichte) ist es ungünstig, Boost-Wandler mit sehr hohen Leistungen (beispielsweise größer 150 kW) im Fahrzeug vorzuhalten. Typische Leistungswerte sind beispielsweise 50 kW oder maximal 150 kW. Um eine Ladezeit dennoch kurz halten zu können und gleichzeitig die Wandlerleistung des Boost-Wandlers klein zu gestalten, empfiehlt es sich, zunächst über eine direkte Kopplung zwischen der Ladesäule und der Fahrzeugbatterie den Ladevorgang zu starten. Sobald eine maximale Ladespannung der Ladesäule erreicht wird, wird die direkte Kopplung aufgetrennt und der Ladevorgang über den Boost-Wandler durchgeführt. Dabei ergeben sich jedoch zwei Herausforderungen, die es zu lösen gilt. Bei dem Wechsel zwischen dem Ladevorgang direkt mit der Ladesäule und dem Ladevorgang mittels des Boost-Wandlers kann es zu einem Ladeabbruch kommen. Ebenfalls kann beim Übergang der Ladungen von der direkten Kopplung zum Laden über den Boost-Wandler die Bypass-Schütze geöffnet werden und der Bosst-Wandler den Ladevorgang fortsetzen, so können bedingt durch denen einer Ausgangsdrossel der DC-Ladesäule gespeicherten Energieinhalt (W=0,5 × L × i2) die Gefahr, dass beim Aufschalten auf eine unbestromte Induktivität im Boost-Wandel eine hohe Überspannung generiert werden kann, sodass ebenfalls die Gefahr eines Ladeabbruches besteht.
  • Beispielsweise kann bei Boost-Wandlern mit kapazitiven Energiespeichern (zum Beispiel Ladungspumpe oder Spannungsverdoppler) kein fließender Übergang vom Laden über eine direkte Kopplung zum Laden über einen Boost-Wandler gestaltet werden.
  • Die DE 10 2015 101 187 A1 , die DE 10 2017 009 355 A1 , die DE 10 2017 009 352 A1 und die DE 10 2017 010 390 A1 befassen sich mit Wandlertypen auf Basis von induktiven Energiespeichern. Dabei weisen diese folgende Nachteile auf, denn je nachdem, wie der Übergang von der direkten Kopplung zum Laden über den Boost-Wandler aufgeführt wird, kann der Ladevorgang durch die Ladesäule ungeplant abgebrochen werden.
  • Somit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen DC-Ladevorgang eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges hinsichtlich eines Ladeabbruches sicherer zu gestalten.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein Ladesystem gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, wobei
    • - das elektrisch angetriebene Fahrzeug mit einer fahrzeugexternen Ladequelle gekoppelt wird,
    • - mit der gekoppelten fahrzeugexternen Ladequelle und einer Ladevorrichtung des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ein Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers durchgeführt wird, und
    • - in einer ersten Phase des Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers der elektrische Energiespeicher in Abhängigkeit von einem Ladestrom der fahrzeugexternen Ladequelle mit einer ersten Gleichspannung als Ladespannung der fahrzeugexternen Ladequelle geladen wird, wobei
    • - eine Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers während des Ladevorgangs bestimmt wird,
    • - die Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers mit der Ladespannung der fahrzeugexternen Ladequelle durch die Ladevorrichtung verglichen wird,
    • - in Abhängigkeit von dem Vergleich der Batteriespannung mit der Ladespannung ein Spannungswandler der Ladevorrichtung des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs betrieben wird, wobei
    • - in einer zur ersten Phase nachfolgenden zweiten Phase des Ladevorgangs der elektrische Energiespeicher in Abhängigkeit von einem zum Ladestrom niedrigeren Drosselstrom des Spannungswandlers mit einer zur Ladespannung höheren zweiten Gleichspannung des Spannungswandlers geladen wird.
  • Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann ein Übergang zwischen einem DC-Laden von der direkten Kopplung der Ladequelle mit dem elektrischen Energiespeicher zum Laden über den Spannungswandler zu gestalten, bei dem kein Ladeabbruch durch eine Überspannung oder eine Reduzierung des Ladestroms auf 0 Amper zu erwarten ist. Insbesondere ist dies bei einem DC-Ladevorgang eines 800 Volt-Fahrzeugs an einer 700 Volt-Ladesäule von Vorteil. Durch diesen gemischten Ladebetrieb (Laden über die direkte Kopplung und Laden über den Spannungswandler) kann das Fahrzeug schneller geladen werden als bei einem Ladevorgang rein über den Spannungswandler ab dem Startzeitpunkt des Ladevorgangs (Annahme dass die Ladeleistung des Spannungswandlers geringer als die Leistung beim Laden über die direkte Kopplung ist).
  • Insbesondere kann mithilfe des vorgeschlagenen Verfahrens ein Ladeabbruch des Fahrzeuges an einer DC-Ladestation vermieden werden. Zum einen kann erreicht werden, dass der Ladestrom auf 0 Amper sinkt, da der Wechsel der beiden Ladevarianten (beziehungsweise erster und zweiter Phase) nur dann durchgeführt wird, wenn eine Drossel des Spannungswandlers strombehaftet ist. Je dichter die Stromwerte der Ladequelle und des Spannungswandlers zusammen, desto geringer ist eine Spannungsspitze beim Wechsel zwischen der ersten und zweiten Phase. Da ist es nötig, im Spannungswandler noch vor dem Wechsel zwischen den beiden Phasen des Ladevorgangs in der Drossel des Spannungswandlers einen Strom einzuprägen, der dem Strom der Ladequelle entspricht.
  • Insbesondere möglich ist vorgeschlagenes Verfahren eine Stabilisierung eines DC-Ladevorgangs. Insbesondere folgt der Wechsel von der ersten Phase des Ladevorgangs auf die zweite Phase des Ladevorgangs derart, dass der Ladestrom gleich dem Drosselstrom ist. Somit können induktive Spannungsspitzen verhindert werden, welche aus Sicherheitsgründen zu einem Ladeabbruch des Ladevorgangs führen können.
  • Bei dem elektrischen Energiespeicher kann es sich beispielsweise um eine Traktionsbatterie oder um eine Batterieanordnung oder eine Hochvoltbatterie handeln. Insbesondere weist der elektrische Energiespeicher eine Spannungslade von 500 Volt, insbesondere maximal 850 Volt auf. Bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Elektrofahrzeug, oder um ein Hybridfahrzeug oder um ein Plug-In-Fahrzeug oder um ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Insbesondere weist das elektrisch angetriebene Fahrzeug einen elektrischen Antriebsmotor beziehungsweise eine Antriebseinheit beziehungsweise einen Antriebsaggregat auf, welcher von dem elektrischen Energiespeicher mit Energie versorgt wird, sodass das elektrisch angetriebene Fahrzeug fortbewegt werden kann.
  • Bei einer fahrzeugexternen Ladequelle kann es sich beispielsweise um eine DC-Ladestation oder um eine DC-Ladesäule oder um eine Ladeinfrastruktur oder um ein Ladesystem oder um eine Gleichspannungsladequelle handeln. Insbesondere kann mit der fahrzeugexternen Fahrzeugquelle eine Gleichspannung bereitgestellt werden. Insbesondere weist die fahrzeugexterne Ladequelle eine Spannungslage von maximal 750 Volt auf.
  • Insbesondere wird der Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers mithilfe der Ladevorrichtung durchgeführt und überwacht. Bei Ladevorrichtung handelt es sich insbesondere um eine Ladeeinheit des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, wie beispielsweise einen fahrzeuginternen Boardlader. Insbesondere kann die Ladevorrichtung Teil eines elektrischen Bordnetzes des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs sein.
  • In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass in der ersten Phase des Ladevorgangs der elektrische Energiespeicher mittels einer Bypass-Schaltung der Ladevorrichtung direkt mit der fahrzeugexternen Ladequelle gekoppelt wird, sodass der Ladestrom der fahrzeugexternen Ladequelle direkt zum elektrischen Energiespeicher fließt, insbesondere der Spannungswandler in der ersten Phase des Ladevorgangs mittels der Bypass-Schaltung überbrückt wird. Insbesondere wird mithilfe der Bypass-Schaltung der Spannungswandler überbrückt beziehungsweise übergangen, sodass ein direkter Stromfluss zwischen der fahrzeugexternen Ladequelle und dem elektrischen Energiespeicher hergestellt ist. Somit kann insbesondere der elektrische Energiespeicher direkt mit der fahrzeugexternen Ladequelle elektrisch geladen werden. Dabei erfolgt dieser Ladevorgang beziehungsweise dieser direkte Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers so lange, bis das Spannungslevel des elektrischen Energiespeichers im Wesentlichen gleich mit der Spannungslage der Ladequelle ist. Beispielsweise kann die fahrzeugexterne Ladequelle eine Spannung von maximal 750 Volt bereitstellen, somit kann der elektrische Energiespeicher bis zu einer Spannung von maximal 750 Volt über die Bypass-Schaltung geladen werden. Insbesondere kann die Bypass-Schaltung zwei Pfade beziehungsweise zwei Spannungspfade umfassen. Zum einen kann die Bypass-Schaltung am positiven und am negativen Spannungspfad jeweils verschaltet sein. Somit können beide Spannungspotentiale für den Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers betreffend den Spannungswandler überbrückt werden.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass in der zweiten Phase des Ladevorgangs die Bypass-Schaltung mit zumindest einem Trennelement spannungsfrei geschaltet wird, wodurch der Stromfluss des Ladestroms der fahrzeugexternen Ladequelle zum elektrischen Energiespeicher unterbrochen wird. Insbesondere wird also mithilfe des zumindest einen Trennelements beziehungsweise Trennschalters beziehungsweise Schützes die Bypass-Schaltung aufgetrennt und dadurch der direkte Stromfluss zwischen der fahrzeugexternen Ladequelle und dem elektrischen Energiespeicher unterbrochen. Insbesondere erfolgt die zweite Phase dann, wenn die Spannungslage des elektrischen Energiespeichers im Wesentlichen gleich der Spannungslage der fahrzeugexternen Ladequelle entspricht. Somit erfolgt ein Wechsel zwischen dem ersten Ladevorgang, bei welchem ein direkter Stromfluss zwischen der Ladequelle und dem Energiespeicher hergestellt ist, zu der zweiten Phase, bei welcher der elektrische Energiespeicher indirekt über den Spannungswandler geladen wird. Somit fließt der Ladestrom der Ladequelle nicht über die Bypass-Schaltung zum elektrischen Energiespeicher, sondern fließt nun zum Spannungswandler, sodass der Spannungswandler entsprechend betrieben werden kann.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit von der Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers der Spannungswandler derart betrieben wird, dass der Drosselstrom in Abhängigkeit von dem Ladestrom in der Drossel des Spannungswandlers eingeprägt wird. Insbesondere erfolgt nach der Abtrennung der Bypass-Schaltung in der zweiten Phase der Stromfluss des Ladestroms in den Spannungswandler, insbesondere in die Drossel des Spannungswandlers. Somit kann mithilfe des Stromflusses des Ladestroms der Ladequelle der Drosselstrom in die Drossel (Induktivität) eingeprägt werden. Insbesondere erfolgt dabei ein Aufbau des Drosselstroms in der Drossel. Insbesondere wird dabei der Drosselstrom derart in der Drossel eingeprägt, sodass der Drosselstrom einen Stromwert von 105 Ampere oder 110 Ampere oder 115 Ampere oder einen Stromwert zwischen 105 Ampere und 115 Ampere aufweist. Dahingehend kann der Stromwert des Ladestroms zwischen 320 Ampere und 380 Ampere liegen. Somit wird mithilfe des Spannungswandlers ein geringerer Drosselstrom zum Laden des elektrischen Energiespeichers bereitgestellt. Durch den im Vergleich zum Ladestrom geringeren Drosselstrom kann der Spannungswandler eine höhere Spannung im Vergleich zu der ersten Gleichspannung hochtransformieren.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass in der zweiten Phase des Ladevorgangs der Ladestrom der fahrzeugexternen Ladequelle in Abhängigkeit von dem Drosselstrom angepasst wird, insbesondere ein Stromwert des Ladestroms an einen Stromwert des Drosselstroms angepasst wird. Da der Spannungswandler und insbesondere die Drossel des Spannungswandlers nur einen Strom in Höhe von beispielsweise 110 Ampere benötigt, wird der Ladestrom, welcher zunächst einen dreifachen Wert dagegen aufweist, reduziert. Dabei wird insbesondere mithilfe eines Buck-Wandlers der Ladequelle der Stromwert des Ladestroms auf den Stromwert des Drosselstroms reduziert beziehungsweise kommandiert. Somit erfolgt eine Anpassung zwischen den Stromwerten der Ladequelle und des Spannungswandlers. Somit können Spannungsspitzen und/oder Spannungsüberschläge und/oder durch induktive störende Schalteffekte zwischen den beiden Phasen des Ladevorgangs verhindert werden.
  • Insbesondere kann bei einer im Wesentlichen nah beieinanderliegen der Stromwerte der Ladequelle und des Spannungswandlers eine Reduzierung und/oder Verringerung von Spannungsspitzen beim Öffnen des Trennelements der Bypass-Schaltung verhindert werden.
  • Die oben angegebenen Spannungswerte und Stromwerte sind nicht als absolute Werte zu verstehen. Die angegebenen Spannungs- und Stromwerte können Abweichungen enthalten. Diese Abweichungen können durch Toleranzen, insbesondere Messtoleranzen, entstehen. Beispielsweise können die jeweiligen Werte eine Abweichung von 5 Prozent, insbesondere 10 Prozent, aufweisen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Ladesystem zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, mit
    • - einer fahrzeugexternen Ladequelle zum Bereitstellen einer Ladespannung,
    • - einem Ladeanschluss des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs zum Koppel des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit der fahrzeugexternen Ladequelle,
    • - einer Ladevorrichtung des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs zum Durchführen eines Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers, wobei in einer ersten Phase des Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers der elektrische Energiespeicher in Abhängigkeit von einem Ladestrom der fahrzeugexternen Ladequelle mit einer ersten Gleichspannung als Ladespannung der fahrzeugexternen Ladequelle aufladbar ist, gekennzeichnet, durch
    • - eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers während des Ladevorgangs,
    • - eine Auswerteeinheit, der zum Vergleichen der Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers mit der Ladespannung der fahrzeugexternen Ladequelle ausgebildet ist,
    • - einen Spannungswandler der Ladevorrichtung zum Bereitstellen eines zum Ladestrom niedereren Drosselstroms in Abhängigkeit von dem Vergleich zwischen der Batteriespannung und der Ladespannung, wobei
    • - die Ladevorrichtung derart ausgebildet ist, in einer zur ersten Phase nachfolgenden zweiten Phase des Ladevorgangs den elektrischen Energiespeicher in Abhängigkeit von dem Drosselstrom des Spannungswandlers mit einer zur Ladespannung höheren zweiten Gleichspannung des Spannungswandlers zu laden.
  • Insbesondere kann mithilfe des soeben geschilderten Ladesystems ein Verfahren nach einem der vorherigen Aspekte oder einer Ausführung davon ausgeführt werden.
  • Insbesondere kann mithilfe des Ladesystems ein effizienterer und störunanfälligerer DC-Ladevorgang eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges durchgeführt werden. Insbesondere ermöglicht das vorgeschlagene Ladesystem einen zweiphasigen Ladevorgang, indem in einer ersten Phase zuerst direkt über die Ladequelle der elektrische Energiespeicher geladen wird und in einer zweiten nachfolgenden Phase wird der elektrische Energiespeicher über einen Spannungswandler geladen. Somit kann insbesondere ein elektrischer Energiespeicher (mit einer Spannungslage von 850 Volt) effizient durch eine DC-Ladesäule (maximal 750 Volt) geladen werden. Insbesondere ermöglicht das vorgeschlagene Ladesystem eine effiziente Möglichkeit für einen Schnellladevorgang.
  • In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ladevorrichtung eine Bypass-Schaltung zum Laden des elektrischen Energiespeichers in Abhängigkeit von dem Ladestrom aufweist, wobei die Bypass-Schaltung zwischen einem positiven Potential der fahrzeugexternen Ladequelle und einem positiven Potential des elektrischen Energiespeichers verschaltet ist. Mithilfe der Bypass-Schaltung kann der elektrische Energiespeicher direkt mit der Ladequelle geladen werden. Insbesondere ermöglicht die Bypass-Schaltung einen direkten Stromfluss zwischen dem elektrischen Energiespeicher und der Ladequelle. Insbesondere kann es sich bei der Bypass-Schaltung um einen Überbrückungszweig oder um einen Pfad handeln. Insbesondere kann die Bypass-Schaltung zwischen dem Positiv-Potential (HV-Plus-Potential) und einem positiven Potential (HV-Plus-Potential) der fahrzeugexternen Ladequelle und des elektrischen Energiespeichers verschaltet werden. Insbesondere wird die Bypass-Schaltung im HV-Plus-Potential des Ladesystems verschaltet. Mit anderen Worten wird die Bypass-Schaltung im positiven Spannungspfad zwischen der Ladequelle und dem elektrischen Energiespeicher verschaltet. Insbesondere ermöglicht die Bypass-Schaltung eine Überbrückung des Spannungswandlers.
  • Insbesondere kann die Bypass-Schaltung nicht nur an dem positiven Spannungspfad, sondern auch an dem negativen Spannungspfad verschaltet werden. Somit kann beispielsweise ein Teil der Bypass-Schaltung zwischen dem positiven Potential der Ladequelle und des Energiespeichers und ein zweiter Teil der Bypass-Schaltung zwischen dem negativen Potential der Ladequelle und des Energiespeichers verschaltet werden.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass eine erste Anschlussseite der Bypass-Schaltung mit einer Primärseite des Spannungswandlers und eine zweite Anschlussseite der Bypass-Schaltung mit einer Sekundärseite des Spannungswandlers verschaltet sind. Somit kann mit anderen Worten der Spannungswandler elektrisch überbrückt werden, sodass der Ladestrom der Ladequelle nicht über den Spannungswandler, sondern über die Bypass-Schaltung zum elektrischen Energiespeicher fließt. Somit kann ein effizienterer Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers durchgeführt werden, ohne den Spannungswandler in der ersten Phase des Ladevorgangs unnötig zu belasten.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Anschlussseite der Bypass-Schaltung und der zweiten Anschlussseite der Bypass-Schaltung ein Trennelement verschaltet ist, wobei mit dem Trennelement der Spannungswandler überbrückbar ist. Insbesondere kann es sich bei dem Trennelement um einen Trennschalter oder um ein Schutzelement oder um einen Schütz handeln. Insbesondere kann mithilfe des Trennelements die Bypass-Schaltung stromfließend geschalten werden oder die Bypass-Schaltung aufgetrennt werden. Somit kann das Trennelement entweder dafür sorgen, dass entweder der Spannungswandler mit dem Ladestrom oder die Bypass-Schaltung mit dem Ladestrom beaufschlagt werden.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Spannungswandler als stromgeregelter Aufwärtswandler ausgebildet ist. Somit kann der Spannungswandler insbesondere über den Ladestrom der Ladequelle geregelt werden. Insbesondere wird der Spannungswandler derart geregelt, dass der elektrische Energiespeicher maximal aufgeladen werden kann. Insbesondere wird mithilfe des Spannungswandlers die Spannung der Ladequelle in eine höhere Spannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers umgewandelt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Ladesystems anzusehen. Ebenfalls können vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Ladesystems angesehen werden. Das Ladesystem weist dazu gegenständliche Merkmale auf, welche eine Durchführung des Verfahrens oder eine vorteilhafte Ausgestaltungsform davon ermöglichen.
  • 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 Figur/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.
  • In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ladesystems 1. Insbesondere weist das Ladesystem 1 eine fahrzeugexterne Ladequelle 2 und ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug 3 auf. Mithilfe der fahrzeugexternen Ladequelle 2 kann insbesondere das elektrisch angetriebene Fahrzeug 3 geladen werden. Mit anderen Worten umfasst das Ladesystem 1 alle Komponenten und/oder Einheiten, die bei einem elektrischen Ladevorgang des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 3 an der Ladequelle 2 verwendet werden.
  • Bei dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug 3 handelt es sich insbesondere um ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug oder ein Plug-In-Fahrzeug oder um ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Insbesondere handelt es sich bei dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug 3 um ein Fahrzeug mit einer Spannungslage von maximal 850 Volt. Insbesondere weist das elektrisch angetriebene Fahrzeug 3 einen elektrischen Energiespeicher 4 auf. Bei dem elektrischen Energiespeicher 4 handelt es sich um eine Fahrzeugbatterie oder um eine HV-Batterie oder um Hochvoltbatterie oder um eine Batterieanordnung des Fahrzeuges 3. Insbesondere weist der elektrische Energiespeicher 4 eine Spannungslage von 500 Volt, insbesondere maximal 850 Volt auf. Mithilfe des elektrischen Energiespeichers 4 kann insbesondere eine elektrische Antriebseinheit oder ein elektrisches Antriebsaggregat oder ein elektrischer Antriebsmotor des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 3 mit Energie versorgt werden, sodass mithilfe des elektrischen Energiespeichers 4 eine Fortbewegungsfahrt des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 3 durchgeführt werden kann.
  • Um einen Gleichspannungsladevorgang des elektrischen Energiespeichers 4 durchführen zu können, kann über eine Ladeanschluss 5 des Fahrzeuges 3 beziehungsweise eines DC-Ladeanschlusses, das elektrisch angetriebene Fahrzeug 3 mit der Ladequelle 2 verbunden beziehungsweise gekoppelt werden. Bei der Ladequelle 2 kann es sich beispielsweise um die DC-Ladestation oder um eine DC-Ladesäule oder um eine Ladeinfrastruktur oder um ein Ladesystem handeln. Insbesondere weist die DC-Ladesäule (Ladequelle 2) eine Spannungslage von maximal 750 Volt auf.
  • Insbesondere weist das elektrisch angetriebene Fahrzeug 3 eine Ladevorrichtung 6 auf. Bei der Ladevorrichtung 6 kann es sich beispielsweise um einen fahrzeuginternen Bordlader beziehungsweise um eine fahrzeuginterne Ladeeinheit handeln. Mithilfe der Ladevorrichtung 6 kann insbesondere der elektrische Ladevorgang an der Ladequelle 3 durchgeführt, gesteuert und insbesondere überwacht werden.
  • Beispielsweise kann der elektrische Energiespeicher 4 in einem entladenden Zustand an dessen Anschlussklemmen beispielsweise 500 Volt, insbesondere 600 Volt aufweisen.
  • Beispielsweise umfasst die Ladevorrichtung 6 einen Spannungswandler 7. Bei dem Spannungswandler 7 kann es sich beispielsweise um einen Aufwärtswandler oder um einen Boost-Wandler oder um einen Gleichspannungswandler oder um einen DC-DC-Wandler handeln. Insbesondere ist der Spannungswandler 7 so ausgestaltet, dass er in der Lage ist, eine niedrigere Spannung der Ladequelle 2 in eine Spannung zu wandeln beziehungsweise hochtransformieren, die zum Laden elektrischen Energiespeichers 4 geeignet ist. Sofern die Ladequelle 2 in der Lage ist, eine zur Fahrzeugbatterie (elektrischer Energiespeicher 4) passende Spannung zu liefern, so kann der Spannungswandler 5 beispielsweise über eine Bypass-Schaltung 8 gebrückt beziehungsweise spannungsfrei geschaltet werden. Beispielsweise kann dies über Trennelemente 9 (Bypass-Schütze) der Bypass-Schaltung 8 durchgeführt werden. Bei der Bypass-Schaltung 8 handelt es sich insbesondere um einen Überbrückungszweig beziehungsweise um einen Abtrennungszweig. Bei den Trennelementen 9 kann es sich beispielsweise um Schütze oder um Trennschalter handeln. Wie in der 1 zu sehen, kann mithilfe der Bypass-Schaltung 8 ein positiver Spannungszweig und ein negativer Spannungszweig zwischen dem elektrischen Energiespeicher 4 und der Ladequelle 2 entsprechend überbrückt oder nicht überbrückt werden. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der Spannungswandler 7 dann überbrückt wird, wenn die Leistung des Spannungswandlers 7 geringer ist als im Vergleich zu einer maximalen Ladeleistung des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 3 beziehungsweise der Ladevorrichtung 6.
  • Des Weiteren kann die Ladevorrichtung 6 beispielsweise Schaltelemente 11 aufweisen. Mithilfe der Schaltelemente 11 kann insbesondere während einer Fortbewegungsfahrt des Fahrzeuges 3 oder bei einem nicht-Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers 4 der fahrzeugseitige Ladeanschluss 5 spannungsfrei geschalten werden. Insbesondere handelt es sich bei den Schaltelementen 11 um Schütze oder Schalteinheiten.
  • Beispielsweise kann mithilfe der Ladequelle 2 eine erste Spannung U1 als Ladespannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers 4 bereitgestellt werden. Demgegenüber kann wiederum mithilfe des Spannungswandlers 7 eine zur Ladespannung höhere zweite Gleichspannung U2 zum Laden des elektrischen Energiespeichers 4 bereitgestellt werden. Dabei wird insbesondere in einer ersten Phase des Ladevorgangs der elektrische Energiespeicher 4 mit der ersten Spannung U1 und einer zur ersten Phase nachfolgenden zweite Phase des Ladevorgangs der elektrische Energiespeicher 4 mit der zweiten Spannung U2 geladen. Die beiden Phasen des Ladevorgangs werden in Abhängigkeit eines aktuellen Ladezustandes des elektrischen Energiespeichers 4 gewechselt beziehungsweise durchgeführt.
  • Beispielsweise kann die Bypass-Schaltung 8 in der Lage sein, beide HV-Potenziale (HV-Plus-Potential und HV-Minus-Potential) entsprechend zu verwalten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn insbesondere der Spannungswandler 7 in der Lage ist, beide HV-Potentiale zu steuern und dessen Bauteile nicht auf den Strom der direkten Verbindung zwischen der Ladequelle 2 und dem elektrischen Energiespeicher 4 ausgelegt sind. Falls der Spannungswandler 7 jedoch nur eines der beiden Potentiale beeinflusst, so könnte das durchverbundene Potential auf eine höhere Stromstärke ausgelegt werden und somit noch ein Bypass-Schütz (Trennelement 9) notwendig machen.
  • Die 2 zeigt einen schematischen Simulationsaufbau beziehungsweise eine simulierte Schaltanordnung des Ladesystems 1 aus der 1. Dabei ist hier insbesondere die Ladequelle 2 aus einer Spannungsquelle (750 Volt) und einem Buck-Wandler (Abwärtswandler) dargestellt. Der Spannungswandler 7 ist hier als stromgeregelter Boost-Wandler (Aufwärtswandler) dargestellt.
  • Bei einem aufgeteilten Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers 4 können folgende Probleme auftreten beziehungsweise entstehen. Ziel eines Ladevorgangs ist insbesondere, dass ein kontinuierlicher Ladevorgang durchgeführt wird ohne einen Ladeabbruch zu verursachen. Bei dem Öffnen der Trennelemente 9 der Bypass-Schaltung 8 kann es zu einem Ladestrom von 0 Ampere kommen, welcher einen Ladeabbruch verursachen würde. Ebenfalls ein ist ein weiterer Nachteil der, dass bei dem Übergang zwischen dem Laden von der direkten Kopplung zum Laden über den Spannungswandler 7 die Trennelemente 9 derart geöffnet werden, wodurch durch den in der Ausgangsdrossel der Ladequelle 2 vorhandene Energieinhalt die Gefahr auf eine Überspannung vorliegt. Dies kann durch eine unbestromte Drossel des Spannungswandlers 7 hervorgerufen werden. Somit besteht hier ebenfalls die Gefahr eines Ladeabbruchs.
  • Diese negativen Effekte sollen insbesondere mit dem Simulationsaufbau dargestellt werden. Insbesondere erfolgt die Simulation so, dass während der ersten Phase des Ladevorgangs (bis zu einer Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers 4 bis 720 Volt) ein Ladestrom IL (350 Ampere, insbesondere zwischen 320 Ampere und 380 Ampere) in den elektrischen Energiespeicher 4 eingespeist wird. Bei einer Spannungslage des elektrischen Energiespeichers 4 zwischen 720 Volt und 750 Volt wird der Ladestrom IL auf 110 Ampere geregelt. Insbesondere kann der Ladestrom IL dabei zwischen 110 Ampere und 120 Ampere liegen. Ab einer Spannungslage von 750 Volt des elektrischen Energiespeichers 4 wird der Buck-Wandler der Ladequelle 2 permanent durchgeschaltet. Die Trennelemente 9 (DC-Bypass-Schütze) öffnen bei 730 Volt und der Spannungswandler 7 setzt mit seiner Funktion beziehungsweise mit seinem Betrieb bei 735 Volt ein.
  • Die nachfolgenden Figuren (3 und 4) zeigen beispielhafte Simulationsverläufe beziehungsweise Simulationsabläufe des Simulationsaufbaus aus 2. Dabei zeigen die 3 und 4 insbesondere Zeitverläufe. 4 zeigt wiederum ein Zeitintervall der Zeitverläufe aus 3 während des Öffnens beziehungsweise des Öffnungsvorgangs der Trennelemente 9. Insbesondere zeigt 4 den Zeitpunkt des Öffnens der Trennelemente 9 (Bypass-Schütze).
  • Beispielsweise zeigt der Spannungsverlauf a den zeitlichen Verlauf der Spannung der Ladequelle 2. Dabei ist in dem jeweiligen Verlauf a in 3 und in 4 eine Spannungsspitze 12 zu erkennen. Bei dieser durchgeführten beispielhaften Simulation beträgt die Spannungsspitze 12 einen Wert von 864 Volt. Dabei lag die ursprüngliche Klemmenspannung der Ladequelle 2 bei 740 Volt.
  • Somit ist hier eine Überspannung von circa 124 Volt entstanden, was zu einem Abbruch des Ladevorgangs führt. Die Überspannung hat ihren Grund darin, dass in der Ausgangsdrossel der DC-Ladesäule (Ladequelle 2) noch ein Strom eingeprägt ist. Mit dem Öffnen der Schütze werden die Ausgangskapazitäten der Ladequelle 2 und die Eingangskapazitäten des Spannungswandlers 7 (Boost-Wandler) geladen, bevor der Stromfluss in der Drossel L des Spannungswandlers 7 einsetzen kann. Dieses Aufladen der Kapazitäten ist als Überspannung messbar. In dem Verlauf b ist in den beiden Figuren (3 und 4) der Stromverlauf in der Ladequelle 2 dargestellt. In dem Verlauf c ist jeweils der Zustand des Schaltelements SG an seinem Gate dargestellt.
  • In dem Verlauf d ist insbesondere der Stromverlauf in der Bypass-Schaltung 8 dargestellt. Dabei ist der Zeitpunkt 13 der Zeitpunkt bei dem das Trennelement 9 (Bypass-Schütz) geöffnet wird.
  • In dem Verlauf e ist der Stromverlauf der Drossel des Spannungswandlers 7 dargestellt. Dabei ist mit dem Zeitpunkt 14 der Zeitpunkt dargestellt, bei dem die Stromaufnahme der Drossel L des Spannungswandlers 7 beginnt beziehungsweise startet.
  • In dem Verlauf f ist der Zustand des Gates eines Schaltelements SG1 dargestellt. Dabei ist mit an den Zeitpunkt 15 zu erkennen, dass hier die Taktung des Spannungswandlers 7, insbesondere bei einem Strom von 110 Ampere, startet.
  • In dem Verlauf g ist der Spannungsverlauf des elektrischen Energiespeichers 4 dargestellt und in dem Verlauf h ist der Stromverlauf des elektrischen Energiespeichers 4 dargestellt.
  • Die 5 zeigt ein weiteres schematisches Blockschaltbild, insbesondere einen Teilausschnitt, des Ladesystems 1 aus 1 und 2.
  • Insbesondere wird nun darauf eingegangen, wie mithilfe des erfindungsgemäßen Ladegeräts und des dazugehörigen Verfahrens ein „sanfter“ Wechsel vom direkt gekoppelten DC-Laden zu einem DC-Laden über den Spannungswandler 7 erfolgen kann. Dabei ist es entscheiden, dafür zu sorgen, dass es zu keiner Zeit zu einem Ladeabbruch des DC-Ladevorgangs kommt. Dazu muss erreicht werden, dass der Ladestrom IL zu keiner Zeit stoppt, also auf 0 Ampere absinkt. Und zum einen dürfen die Trennelemente 9 nicht geöffnet werden, wenn es zu diesem Zeitpunkt die Drossel L des Spannungswandlers 7 noch stromfrei ist. Daher ist es empfehlenswert, die Stromwerte des Ladestroms IL und des Drosselstroms ID im Wesentlichen identisch bzw. gleich zu gestalten. Dadurch können Spannungsspitzen beim Öffnen der Trennelemente 9 verhindert werden.
  • Insbesondere kann in der ersten Phase des Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers 4 der elektrische Energiespeicher 4 in Abhängigkeit von dem Ladestrom IL der Ladequelle 2 mit der ersten Spannung U1 als Ladespannung geladen werden. Beispielsweise wird somit der elektrische Energiespeicher 4 mit einer Spannung von bis zu 750 Volt geladen. Dabei kann mithilfe einer Bestimmungseinrichtung 16 die aktuelle Batteriespannung Ubatt des elektrischen Energiespeichers 4 kontinuierlich bestimmt beziehungsweise ermittelt beziehungsweise gemessen werden. Insbesondere erfolgt eine kontinuierliche Bestimmung der aktuellen Batteriespannung Ubatt des elektrischen Energiespeichers 4 während des Ladevorgangs (DC-Ladevorgang).
  • Bei der Bestimmungseinrichtung 16 kann es sich beispielsweise um ein Spannungsmessgerät oder um eine Messschaltung oder um eine Überwachungseinheit oder um ein Oszilloskop oder um ein Spannungs-Strom-Messgerät oder um eine Messeinheit handeln. Insbesondere kann die Bestimmungseinrichtung 16 mehrere einzelne Einheiten aufweisen, sodass an verschiedensten Stellen der Schaltanordnung des Ladesystems 1 Ströme und/oder Spannungen gemessen werden können.
  • Insbesondere erfolgt die Bestimmung beziehungsweise Ermittlung der aktuellen Batteriespannung Ubatt kontinuierlich während des Ladevorgangs. Beispielsweise kann die Bestimmungseinrichtung 16 Teil der Ladevorrichtung 6 sein. Die bestimmte beziehungsweise ermittelte Batteriespannung Ubatt kann mithilfe einer Auswerteeinheit 17 der Ladevorrichtung 6 mit der Ladespannung (erste Spannung U1) verglichen werden. Sollte der Spannungswert der Batteriespannung Ubatt im Wesentlichen, insbesondere mit einer Toleranz von +/- 5 Prozent, dem Spannungswert der Ladespannung (erste Spannung U1) entsprechen, so kann der direkte Ladevorgang über die direkt gekoppelte Ladequelle 2 mit dem elektrischen Energiespeicher 4 über die Bypass-Schaltung 8 beendet werden (insbesondere wird ein Beendigungsvorgang initiiert). Dabei kann gleichzeitig der Spannungswandler 7 aktiviert beziehungsweise in Betrieb geschalten werden.
  • Somit kann in der zu ersten Phase ein nachfolgenden (insbesondere ein zeitlich nachfolgenden) zweiten Phase des Ladevorgangs der elektrische Energiespeicher 4 in Abhängigkeit von dem zum Ladestrom IL niedrigeren Drosselstrom ID des Spannungswandlers 7 mit einer zur Ladespannung höheren zweiten Gleichspannung U2 des Spannungswandlers 7 geladen werden. Beispielsweise kann der Ladestrom IL einen Stromwert von 350 Ampere aufweisen und der Drosselstrom ID einen Stromwert von 110 Ampere. Bei der zweiten Gleichspannung U2 kann es sich beispielsweise um einen Spannungswert von 850 Volt handeln und dem gegenüber kann es sich bei der ersten Spannung um einen Spannungswert von 750 Volt handeln.
  • Für den Wechsel der beiden Ladephasen beziehungsweise der Phasen des Ladevorgangs können zwei Varianten angewendet werden. Diese werden im Folgenden erläutert.
  • In der ersten Variante wird zu Beginn die Trennelemente 9 geschlossen, sodass der Ladestrom IL über eine direkte Kopplung zwischen der Ladequelle 2 und dem elektrischen Energiespeicher 4 fließen kann. Dies erfolgt quasi mit anderen Worten mit der Bypass-Schaltung 8. Dabei kann beispielsweise ein Ladestrom IL von 350 Ampere für die erste Phase des Ladevorgangs verwendet werden. Beispielsweise können dabei die Stromwerte in dem Intervall zwischen 320 Ampere und 380 Ampere liegen. Dabei ist dieser Verlauf mit der Stromflussrichtung 18 dargestellt.
  • In einem nachfolgenden Schritt startet der Spannungswandler 7 seinen Betrieb. Dies geschieht insbesondere bei einer Batteriespannung Ubatt von circa 710 Volt. Dabei ist insbesondere Schaltelement SG1 geschlossen. Somit erfolgt der Aufbau des Drosselstroms ID der Drossel L. Dabei wird der Strom der Drossel L in einem Strombereich von 105 Ampere bis 115 Ampere eingeprägt. Während dieser Phase bleibt der Ladestrom IL der Ladequelle 2 unverändert (zum Beispiel bei 350 Ampere). Dieses ist mit der Stromflussrichtung 19 dargestellt. Bei einem Spannungswert der Batteriespannung Ubatt von 720 Volt wird eine Kommandierung des Ladestroms L der Ladequelle 2 vorgenommen. Somit wird eine Reduzierung des Stroms der Ladesäule auf einen neuen Stromwert von einem Wert zwischen dem Intervall von 100 Ampere bis 120 Ampere eingestellt. Der Aufbau des Drosselstroms I D ist insbesondere mit der Stromflussrichtung 20 dargestellt. Beispielsweise kann anschließend bei einem Spannungswert der Batteriespannung Ubatt von 740 Volt die Trennelemente 9 (Bypass-Schütze) geöffnet werden. Durch die beiden wesentlichen gleichen Stromwerte des Ladestroms IL und des Drosselstroms ID erfolgt ohne negative Eigenschaften (Ladeabbruch) die zweite Phase des Ladevorgangs.
  • In den beiden nachfolgenden Figuren 6 und 7 wird nun wiederum ein Simulationsablauf des Simulationsaufbaus aus 2 durchgeführt. Dabei wird nun die erste Variante für den sanften Wechsel zwischen der ersten Phase des Ladevorgangs auf die zweite Phase des Ladevorgangs behandelt. Die einzelnen Verläufe beziehungsweise Ansichten in den Figuren 6 und 7 entsprechen der gleichen Nummerierung wie in den Figuren 3 und 4 und die 7 zeigt dabei wieder einen Ausschnitt eines Zeitintervalls aus der 6 im Detail, insbesondere während des Öffnens beziehungsweise des Öffnungsvorgangs der Trennelemente 9. Dabei zeigt 7 insbesondere den Zeitpunkt des Öffnens der Trennelemente 9 (Bypass-Schütze).
  • Dabei wird hier nun nur auf die wie in 3 und 4 entscheidenden Punkte eingegangen. Insbesondere ist dabei in dem Verlauf a der in der 6 und 7 zu erkennen, dass die Spannungsspitze 12 nur bei 754 Volt liegt. Somit beträgt beim Öffnen der Trennelemente 9 die Überspannung nur 14 Volt. Aufgrund dieser geringen Überspannung, ist beim Öffnen der Schütze (Trennelemente 9) bereits in der Drossel des Spannungswandlers 7 ein Strom eingeprägt, der gleich groß war wie der Strom der Ladequelle 2 (genauer gesagt der Strom der Ausgangsdrossel der Ladequelle 2). Somit wird hier kein Ladeabbruch des Ladevorgangs verursacht. Des Weiteren ist die ebenfalls in den Verläufen e und f zum einen der Beginn der Stromaufnahme der Drossel L und zum anderen Beginn der Betriebsaufnahme des Spannungswandlers 7 zu sehen. Dabei ist insbesondere in dem Verlauf e beim Zeitpunkt 14 zu erkennen, dass der Strom der Drossel L des Spannungswandlers 7 vor und nach dem Öffnen der Bypass-Schütze auf einem vergleichbaren Niveau befindet. Somit kommt es zu keinen Ladeabbruch.
  • In den Figuren 8 und 9 wird nochmal ein Simulationsdurchlauf des Simulationsaufbaus aus 2 dargestellt. Auch hier in den Figuren 8 und 9 entsprechen die gleichen Nummerierung denen in den Figuren 3 und 4 und die 9 zeigt dabei wieder einen Ausschnitt eines Zeitintervalls aus der 8 im Detail, insbesondere während des Öffnens beziehungsweise des Öffnungsvorgangs der Trennelemente 9. Dabei zeigt 9 insbesondere den Zeitpunkt des Öffnens der Trennelemente 9 (Bypass-Schütze). Dabei wird nur die Variante erläutert, bei welcher zuerst der Strom der Ladequelle 2 reduziert wird und anschließend als erstes der Spannungswandler 7 betrieben beziehungsweise aktiviert wird.
  • In dieser Variante ist wieder zuerst die Trennelemente 9 geschlossen, sodass mithilfe des Ladestroms IL direkt der elektrische Energiespeicher 4 über die Ladequelle 9 geladen wird. Dabei kann der Ladestrom IL zum Beispiel 350 Volt aufweisen. Dabei ist insbesondere der Spannungswandler 7 inaktiv. Anschließend erfolgt die Kommandierung des Ladestroms IL der Ladequelle 2 auf einen Stromwert, mit dem im Anschluss über den Spannungswandler 7 der elektrische Energiespeicher 2 während der zweiten Phase des Ladevorgangs geladen werden soll. Beispielsweise wird dabei der Ladestrom IL auf einen Stromwert von 110 Ampere kommandiert beziehungsweise reduziert.
  • Nachdem der Stromwert des Ladestroms IL auf 110 Ampere (Beispiel ebenso möglich einen zwischen 100 Ampere und 120 Ampere) erfolgt die Aktivierung beziehungsweise das Starten des Spannungswandlers 7. Dabei wird nun der Drosselstrom IL in die Drossel L eingeprägt. Dabei wird insbesondere ein definierter Stromwert (zum Beispiel 110 Ampere) in die Drossel L eingeprägt. Der Ladestrom IL der Ladequelle 2 bleibt dabei unverändert. Dabei kann insbesondere der Stromwert des Ladestroms IL und des Drosselstroms ID 110 Ampere aufweisen. Insbesondere erfolgt der Start des Betriebs des Spannungswandlers 7 bei einer Batteriespannung Ubatt von 730 Volt. Die Reduzierung des Stroms der Ladesäule hingegen erfolgt bereits bei einer Batteriespannung von 720 Volt
  • Nachdem ein Drosselstrom von 110 Ampere eingeprägt ist, und die Batteriespannung Ubatt 740 Volt erreicht hat, werden die Trennelemente 9 geöffnet, sodass nun der Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers 4 über den Spannungswandler 7 erfolgen kann.
  • Insbesondere ist der Übergang zwischen der ersten Phase des Ladevorgangs auf die zweite Phase des Ladevorgangs fließend.
  • Dabei zeigen die beiden Darstellungen der 8 und 9 der Simulationsergebnisse ein vergleichbares Ergebnis wie es in den Figuren 6 und 7 bereits zu sehen war und erläutert wurde. Dabei ist hier ebenfalls wiederum eine im Verlauf a eine Spannungsspitze 12 von 754 Volt zu sehen. Somit beträgt auch in dieser Variante die Überspannung lediglich 14 Volt daher kommt es zu keinem Ladeabbruch des Ladevorgangs.
  • Insbesondere kann mit dem vorgeschlagenen Ladesystem 1 und dem entsprechenden Verfahren eine Stabilisierung eines Ladevorgangs erreicht werden. Dabei wird der Strom durch den Spannungswandler 7 vor öffnen der Bypass-Schaltung 8 (Bypass-Leitung) auf die gleiche Stromstärke als über die noch geschlossene Bypass-Leitung eingestellt, da sonst durch die induktive Spannungsspitze beim Öffnen der Schütze in der Bypass-Leitung der Ladevorgang aus Sicherheitsgründen abgebrochen wird. Hierbei kann entweder zuerst der Strom in der Bypass-Leitung auf eine maximale Stromstärke des Spannungswandlers eingestellt werden und dann im Spannungswandler parallel der Stromfluss aufgebaut werden oder Strom über den Spannungswandler wird erst aufgebaut und dann der Strom in der Bypass-Leitung entsprechend reduziert. Bei gleicher Stromstärke kann dann die Bypass-Leitung geöffnet werden ohne dass wesentliche Spannungsspitzen entstehen.
  • Insbesondere kann im Moment des Öffnens der Bypass-Schütze (Trennelemente 9) ist der Strom (IL) reduziert auf das Stromdelta der Regelung der Ladequelle 2 oder des Spannungswandlers 7 (zum Beispiel +/- 10 Ampere anstelle >100 Ampere). Dadurch wird eine Halterung der Bypass-Schütze (Trennelemente 9) erheblich reduziert.
  • Insbesondere können die angegebenen Stromwerte und Spannungswerte Messtoleranzen beziehungsweise Messfehler enthalten. Somit können die angegebenen Strom und Spannungswerte eine Abweichung von 5 Prozent, insbesondere 10 Prozent, aufweisen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Ladesystem
    2
    Ladequelle
    3
    Elektrisch angetriebenes Fahrzeug
    4
    Elektrischer Energiespeicher
    5
    Ladeanschluss
    6
    Ladevorrichtung
    7
    Spannungswandler
    8
    Bypass-Schaltung
    9
    Trennelemente
    10
    Schaltelemente
    11
    Schaltelemente
    12
    Spannungsspitze
    13
    Zeitpunkte
    14
    Zeitpunkte
    15
    Zeitpunkte
    16
    Bestimmungseinrichtung
    17
    Auswerteeinheit
    18
    Stromflussrichtung
    19
    Stromflussrichtung
    20
    Stromflussrichtung
    a - h
    Spannungsverläufe, Stromverläufe, Schaltzustände
    IL
    Ladespannung
    ID
    Drosselstrom
    L
    Drossel
    U1
    Erste Gleichspannung
    U2
    Zweite Gleichspannung
    U batt
    Batteriespannung
    SG
    Schaltelement
    SG1
    Schaltelement
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (10)

  1. Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (4) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (3), wobei - das elektrisch angetriebene Fahrzeug (3) mit einer fahrzeugexternen Ladequelle (2) gekoppelt wird, - mit der gekoppelten fahrzeugexternen Ladequelle (2) und einer Ladevorrichtung (6) des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (3) ein Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers (4) durchgeführt wird, und - in einer ersten Phase des Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers (4) der elektrische Energiespeicher (4) in Abhängigkeit von einem Ladestrom (IL) der fahrzeugexternen Ladequelle (2) mit einer ersten Gleichspannung (U1) als Ladespannung der fahrzeugexternen Ladequelle (2) geladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Batteriespannung (UBatt) des elektrischen Energiespeichers (4) während des Ladevorgangs bestimmt wird, - die Batteriespannung (UBatt) des elektrischen Energiespeichers (4) mit der Ladespannung der fahrzeugexternen Ladequelle (2) durch die Ladevorrichtung (6) verglichen wird, - in Abhängigkeit von dem Vergleich der Batteriespannung (UBatt) mit der Ladespannung ein Spannungswandler (7) der Ladevorrichtung (6) des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (3) betrieben wird, wobei - in einer zur ersten Phase nachfolgenden zweiten Phase des Ladevorgangs der elektrische Energiespeicher (4) in Abhängigkeit von einem zum Ladestrom (IL) niedrigeren Drosselstrom (ID) des Spannungswandlers (7) mit einer zur Ladespannung höheren zweiten Gleichspannung (U2) des Spannungswandler (7) geladen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Phase des Ladevorgangs der elektrische Energiespeicher (4) mittels einer Bypass-Schaltung (8) der Ladevorrichtung (6) direkt mit der fahrzeugexternen Ladequelle (2) gekoppelt wird, so dass der Ladestrom (UL) der fahrzeugexternen Ladequelle (2) direkt zum elektrischen Energiespeicher (4) fließt, insbesondere der Spannungswandler (7) in der ersten Phase des Ladevorgangs mittels der Bypass-Schaltung (8) überbrückt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Phase des Ladevorgangs die Bypass-Schaltung (8) mit zumindest einem Trennelement (9) stromfrei geschaltet wird, wodurch der Stromfluss des Ladestroms (IL) der fahrzeugexternen Ladequelle (2) zum elektrischen Energiespeicher (4) unterbrochen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Batteriespannung (UBatt) des elektrischen Energiespeichers (4) der Spannungswandler (7) derart betrieben wird, dass der Drosselstrom (ID) in Abhängigkeit von dem Ladestrom (IL) in einer Drossel (L) des Spannungswandlers (7) eingeprägt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Phase des Ladevorgangs der Ladestrom (IL) der fahrzeugexternen Ladequelle in Abhängigkeit von dem Drosselstrom (ID) angepasst wird, insbesondere ein Stromwert des Ladestroms (IL) an einem Stromwert des Drosselstroms (ID) angepasst wird.
  6. Ladesystem (1) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (4) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (3), mit - einer fahrzeugexternen Ladequelle (2) zum Bereitstellen einer Ladespannung, - einem Ladeanschluss (5) des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (3) zum Koppeln des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (3) mit der fahrzeugexternen Ladequelle (2), - einer Ladevorrichtung (6) des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (3) zum Durchführen eines Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers (4), wobei in einer ersten Phase des Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers (4) der elektrische Energiespeicher (4) in Abhängigkeit von einem Ladestrom (IL) der fahrzeugexternen Ladequelle (2) mit einer ersten Gleichspannung (U1) als Ladespannung der fahrzeugexternen Ladequelle (2) aufladbar ist, gekennzeichnet, durch - eine Bestimmungseinrichtung (16) zum Bestimmen einer Batteriespannung (UBatt) des elektrischen Energiespeichers (4) während des Ladevorgangs, - eine Auswerteeinheit (17) (6), der zum Vergleichen der Batteriespannung (UBatt) des elektrischen Energiespeichers (4) mit der Ladespannung der fahrzeugexternen Ladequelle (2) ausgebildet ist, - einen Spannungswandler (7) der Ladevorrichtung (6) zum Bereitstellen eines zum Ladestrom (IL) niedereren Drosselstroms (ID) in Abhängigkeit von dem Vergleich zwischen der Batteriespannung (UBatt) und der Ladespannung, wobei - die Ladevorrichtung (6) derart ausgebildet ist, in einer zur ersten Phase nachfolgenden zweiten Phase des Ladevorgangs den elektrischen Energiespeicher (4) in Abhängigkeit von dem Drosselstrom (ID) des Spannungswandlers (7) mit einer zur Ladespannung höheren zweiten Gleichspannung (U2) des Spannungswandlers (7) zu laden.
  7. Ladesystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorrichtung (6) eine Bypass-Schaltung (8) zum Laden des elektrischen Energiespeichers (4) in Abhängigkeit von dem Ladestrom (IL) aufweist, wobei die Bypass-Schaltung (8) zwischen einem positiven Potential der fahrzeugexternen Ladequelle (2) und einem positiven Potential des elektrischen Energiespeichers (4) verschaltet ist und/oder zwischen einem negativen Potential der fahrzeugexternen Ladequelle (2) und einem negativen Potential des elektrischen Energiespeichers (4) verschaltet ist.
  8. Ladesystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Anschlussseite der Bypass-Schaltung (8) mit einer Primärseite des Spannungswandlers (7) und eine zweite Anschlussseite der Bypass-Schaltung (8) mit einer Sekundärseite des Spannungswandlers (7) verschaltet sind.
  9. Ladesystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Anschlussseite der Bypass-Schaltung (8) und der zweiten Anschlussseite der Bypass-Schaltung (8) ein Trennelement (9) verschaltet ist, wobei mit dem Trennelement (9) der Spannungswandler (7) überbrückbar ist.
  10. Ladesystem (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (7) als stromgeregelter Aufwärtswandler ausgebildet ist.
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