DE102020131600A1 - Vorrichtung und verfahren zum laden einer batterie eines fahrzeugs - Google Patents

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Minseong CHOI
Sihun YANG
Jin Young Yang
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Hyundai Motor Co
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Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Laden einer Batterie (BT) für ein Fahrzeug weist auf: eine Leistungsfaktorkorrektur-(PFC-)Schaltung (100) mit einem Gleichrichter (110), welcher eingerichtet ist zum Gleichrichten einer AC-Leistung, welche von einer Netzwechselstromenergiequelle (AC) angelegt wird, in eine DC-Leistung in einem Batterielademodus zum Laden der Batterie (BT) für ein Fahrzeug, und einem Zwischenkreiskondensator (Clink), welcher zum Gleichrichter (110) parallel geschaltet ist und dazu eingerichtet ist, die gleichgerichtete DC-Leistung zu glätten, einen bidirektionaler DC-DC-Wandler (200) mit einer ersten Schalteinrichtung (210), welche dazu eingerichtet ist, eine vom PFC-Schaltungsteil (100) angelegte DC-Leistung in eine AC-Leistung umzuwandeln, einem Transformator (220), welcher zum Erhöhen oder Verringern einer Spannung der AC-Leistung, welche an der ersten Schalteinrichtung (210) umgewandelt wurde, eingerichtet ist, und einer zweiten Schalteinrichtung (230), welche dazu eingerichtet ist, eine vom Transformator (220) angelegte AC-Leistung in eine DC-Leistung zum Laden der Batterie (BT) für das Fahrzeug gleichzurichten, und eine Steuereinrichtung (300), welche dazu eingerichtet ist, eine Phase eines PWM-Signals, welches an die zweite Schalteinrichtung (230) angelegt wird, so zu steuern, dass der Zwischenkreiskondensator (Clink) durch eine aus der Batterie (BT) für das Fahrzeug entnommenen elektrischen Leistung aufgeladen wird, wenn eine Spannung (Vlink) des Zwischenkreiskondensators (Clink) vor dem Eintreten in den Batterielademodus unter einer vorbestimmten Referenzspannung (Vref) liegt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bzw. Erfindung (nachfolgend kurz auch nur noch: Offenbarung) betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs.
  • Hintergrund
  • In jüngster Zeit entwickelt die Fahrzeugindustrie aufgrund der globalen Erwärmung wegen Umweltverschmutzung und der Erschöpfung fossiler Brennstoffe in hoher Geschwindigkeit Elektrofahrzeuge. Große Fahrzeughersteller auf der ganzen Welt forschen und entwickeln derzeit, um Elektrofahrzeuge zu Hauptfahrzeuge zu machen.
  • Das Elektrofahrzeug (EV) kann angetrieben werden, indem elektrische Energie in einer Batterie, die eine wiederaufladbare Batterie (z.B. Sekundärbatterie, Akkumulator) ist, gespeichert wird und indem die gespeicherte elektrische Energie unter Verwendung eines Elektromotors in Energie umgewandelt wird. Gegenwärtig kann ein Verfahren zum Speichern/Laden der elektrischen Energie in einer Batterie in ein Schnellladeverfahren, bei welchem eine DC-Leistung hoher Spannung (z.B. etwa 50 kW oder mehr) direkt an die Batterie angelegt wird, und in ein Langsamladeverfahren, bei welchem Wechselstrom mit einer Netzwechselspannung (z.B. etwa 3-6 KW) an die Batterie angelegt wird, unterteilt werden.
  • In Bezug auf das Langsamladeverfahren besteht bei einer Bordladevorrichtung (auch bordeigene Ladevorrichtung oder On-Board-Ladevorrichtung, kurz OBC - Englisch „On Board Charger“) die Möglichkeit einer Beschädigung von Bauteilen aufgrund des Vorhandenseins eines Einschaltstroms (IR - Englisch „inrush current“), und ein Vorladungsrelais ist typischerweise an einem Eingangsanschluss angeordnet, um eine solche Möglichkeit zu verhindern. Das heißt, dass durch Schalten des Vorladungsrelais, um zuerst einen Zwischenkreiskondensator durch eine externe Energiequelle zu laden, bevor die Batterie durch Betreiben eines DC-DC-Wandlers geladen wird, das Auftreten des Einschaltstroms (IR) verringert wird, wenn die Bordladevorrichtung (OBC) an die externe Energiequelle angeschlossen wird.
  • Indessen gibt es einen Nachteil dahingehend, dass das Vorladungsrelais zum initialen Laden des Zwischenkreiskondensators ein große Abmessungen hat, ein Design zum Sicherstellen der Haltbarkeit erforderlich ist und insbesondere drei oder mehr Vorladungsrelais in dem Fall eines 3-phasigen Eingangs erforderlich sind. Darüber hinaus besteht bei dem herkömmlichen Vorladungsrelais die Wahrscheinlichkeit einer Verschlechterung der Haltbarkeit aufgrund eines kontinuierlichen Ein/Aus-Betriebs.
  • Dementsprechend ist ein neues Vorgehen/Verfahren zum Laden des Zwischenkreiskondensators während des Lösens des Problems des Vorladungsrelais erforderlich.
  • Die obigen Informationen, welche in diesem Hintergrund-Abschnitt offenbart sind, dienen lediglich dem Verbessern des Verständnisses des allgemeinen Hintergrunds der Offenbarung und können daher Informationen aufweisen, welche nicht Stand der Technik, wie er dem Fachmann in diesem Land schon bekannt ist, bilden.
  • Erläuterung der Erfindung
  • Eine beispielhafte Vorrichtung zum Laden einer Batterie (z.B. Sekundärbatterie, Akkumulator) für ein Fahrzeug (z.B. für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Personenkraftfahrzeug) weist auf: einen PFC-Schaltungsteil mit einem Gleichrichterteil zum Gleichrichten einer AC-Leistung (Wechselstromleistung), welche von einer Netzwechselstromenergiequelle (z.B. AC-Netzenergiequelle Netzwechselstromquelle, insbesondere eine Quelle für eine Netzspannung eines Stromversorgungsnetzes) angelegt wird, in eine DC-Leistung (Gleichstromleistung) in einem Batterielademodus zum Laden der Batterie für ein Fahrzeug und mit einem Zwischenkreiskondensator, welcher parallel zum Gleichrichterteil geschaltet ist, um die gleichgerichtete DC-Leistung (z.B. DC-Strom und/oder DC-Spannung) zu glätten, einen bidirektionaler DC-DC-Wandler mit einem ersten Schaltteil, welcher dazu eingerichtet ist, eine vom PFC-Schaltungsteil angelegte DC-Leistung in eine AC-Leistung umzuwandeln, einem Transformator, welcher zum Erhöhen oder Verringern (z.B. Hochsetzen oder Tiefsetzen, Englisch „boost or reduce“) einer Spannung der AC-Leistung, welche am ersten Schaltteil umgewandelt wurde, eingerichtet ist, und einem zweiten Schaltteil, welcher dazu eingerichtet ist, eine vom Transformator angelegte AC-Leistung in eine DC-Leistung zum Laden der Batterie für ein Fahrzeug gleichzurichten, und eine Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, eine Phase eines PWM-Signals, welches an den zweiten Schaltteil angelegt wird, so zu steuern, dass der Zwischenkreiskondensator durch eine aus der Batterie für ein Fahrzeug entnommenen elektrischen Leistung, insbesondere einen entnommenen elektrischen Strom (z.B. Strom/Spannung aus der Fahrzeugbatterie), aufgeladen wird, wenn eine Spannung des Zwischenkreiskondensators vor dem Eintreten in den Batterielademodus unter einer vorbestimmten Referenzspannung liegt.
  • Der zweite Schaltteil kann einen ersten MOSFET und einen zweiten MOSFET, welche zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode der Batterie für ein Fahrzeug in Reihe geschaltet sind, und einen dritten MOSFET und einen vierten MOSFET, die zwischen einem ersten Anschluss des ersten MOSFET und einem zweiten Anschluss des zweiten MOSFET in Reihe geschaltet sind, aufweisen. Ein erster Anschluss einer Primärspule des Transformators kann mit einem ersten Knotenpunkt zwischen dem ersten MOSFET und dem zweiten MOSFET verbunden sein, und ein zweiter Anschluss der Primärspule kann mit einem zweiten Knotenpunkt zwischen dem dritten MOSFET und dem vierten MOSFET verbunden sein.
  • Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, eine Höhe (z.B. einen Pegel) eines Aufladestroms zu berechnen, welcher an den Zwischenkreiskondensator anzulegen ist, um den Zwischenkreiskondensator über die oder auf die Referenzspannung zu laden, und um Phasen eines dritten PWM-Signals und eines vierten PWM-Signals zum Steuern des Schaltens des dritten MOSFET und des vierten MOSFET so zu verschieben, dass eine dem berechneten Aufladestrom entsprechende Spannung an den Transformator angelegt wird.
  • Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein Inkrement (z.B. Zunahmewert, Erhöhungswert) des Aufladestroms pro Zeiteinheit zu berechnen und Phasen des dritten PWM-Signals und des vierten PWM-Signals so zu verschieben, dass eine Spannung, welche mit dem Inkrement des berechneten Aufladestroms korrespondiert, an den Transformator angelegt wird.
  • Wenn die Spannung des Zwischenkreiskondensators auf über die Referenzspannung geladen wird, kann die Steuereinrichtung das erste bis vierte PWM-Signal so steuern, dass, wenn der erste MOSFET und der dritte MOSFET eingeschaltet werden/sind, der zweite MOSFET und der vierte MOSFET ausgeschaltet werden/sind, und dass, wenn der erste MOSFET und der dritte MOSFET ausgeschaltet werden/sind, der zweite MOSFET und der vierte MOSFET eingeschaltet werden/sind. Die von der Netzwechselstromenergiequelle angelegte elektrische Leistung kann über einen Ladepfad, welcher den PFC-Schaltungsteil, den ersten Schaltteil, den Transformator und die Body-Dioden (z.B. Körperdioden, integrierte Dioden) der ersten bis vierten MOSFET aufweist, an die Batterie für ein Fahrzeug angelegt werden.
  • Ein beispielhaftes Verfahren zum Laden einer Batterie (z.B. Sekundärbatterie, Akkumulator) für ein Fahrzeug (z.B. für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Personenkraftfahrzeug) verwendet einen bidirektionalen DC-DC-Wandler, welcher einen ersten Schaltteil, welcher mit einem Ausgangsanschluss eines PFC-Schaltungsteils zum Gleichrichten einer AC-Leistung einer Netzwechselstromenergiequelle in eine DC-Leistung verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die DC-Leistung in eine AC-Leistung umzuwandeln, einen Transformator, welcher zum Erhöhen oder Verringern einer Spannung der AC-Leistung, welche am ersten Schaltteil umgewandelt wurde, eingerichtet ist, und einen zweiten Schaltteil, welcher dazu eingerichtet ist, eine vom Transformator angelegte AC-Leistung in eine DC-Leistung zum Laden der Batterie für ein Fahrzeug gleichzurichten, aufweist. Das beispielhafte Verfahren weist auf: Erfassen einer Spannung eines Zwischenkreiskondensators, welcher parallel zu einem Ausgangsanschluss des PFC-Schaltungsteils geschaltet ist, synchron mit einem Zeitpunkt des Eintretens in einen Lademodus zum Laden der Batterie für ein Fahrzeug, Ermitteln, ob die erfasste Spannung des Zwischenkreiskondensators unter einer vorbestimmten Referenzspannung liegt, Aufladen des Zwischenkreiskondensators durch eine aus der Batterie für ein Fahrzeug entnommene elektrische Leistung, insbesondere einen entnommenen elektrischen Strom (z.B. Strom/Spannung aus der Fahrzeugbatterie), indem eine Phase eines PWM-Signals, welches an den zweiten Schaltteil angelegt wird, gesteuert wird, wenn die erfasste Spannung des Zwischenkreiskondensators unter der vorbestimmten Referenzspannung liegt, und Laden der Batterie für ein Fahrzeug durch eine elektrische Leistung, welche von der Netzwechselstromenergiequelle angelegt wird, wenn die Spannung des Zwischenkreiskondensators auf über die Referenzspannung geladen ist.
  • Der zweite Schaltteil kann einen ersten MOSFET und einen zweiten MOSFET, welche zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode der Batterie für ein Fahrzeug in Reihe geschaltet sind, und einen dritten MOSFET und einen vierten MOSFET, die zwischen einem ersten Anschluss des ersten MOSFET und einem zweiten Anschluss des zweiten MOSFET in Reihe geschaltet sind, aufweisen. Ein erster Anschluss einer Primärspule des Transformators kann mit einem ersten Knotenpunkt zwischen dem ersten MOSFET und dem zweiten MOSFET verbunden sein, und ein zweiter Anschluss der Primärspule kann mit einem zweiten Knotenpunkt zwischen dem dritten MOSFET und dem vierten MOSFET verbunden sein.
  • Das Laden des Zwischenkreiskondensators kann aufweisen: Berechnen einer Höhe (z.B. eines Pegels) eines Aufladestroms, welcher an den Zwischenkreiskondensator anzulegen ist, um den Zwischenkreiskondensator über die oder auf die Referenzspannung zu laden, und Verschieben von Phasen eines dritten PWM-Signals und eines vierten PWM-Signals zum Steuern des Schaltens des dritten MOSFET und des vierten MOSFET derart, dass eine dem berechneten Aufladestrom entsprechende Spannung an den Transformator angelegt wird.
  • Beim Berechnen der Höhe des Aufladestroms kann ein Inkrement (z.B. Zunahmewert, Erhöhungswert) des Aufladestroms pro Zeiteinheit berechnet werden. Beim Aufladen des Zwischenkreiskondensators können Phasen des dritten PWM-Signals und des vierten PWM-Signals so verschoben werden, dass eine Spannung, welche mit dem Inkrement des berechneten Aufladestroms korrespondiert, an den Transformator angelegt wird, um den Zwischenkreiskondensator zu laden.
  • Beim Laden der Batterie für ein Fahrzeug können, wenn die Spannung des Zwischenkreiskondensators auf über die Referenzspannung geladen wird, das erste bis vierte PWM-Signal so gesteuert werden, dass, wenn der erste MOSFET und der dritte MOSFET eingeschaltet werden/sind, der zweite MOSFET und der vierte MOSFET ausgeschaltet werden/sind, und dass, wenn der erste MOSFET und der dritte MOSFET ausgeschaltet werden/sind, der zweite MOSFET und der vierte MOSFET eingeschaltet werden/sind.
  • Die von der Netzwechselstromenergiequelle angelegte elektrische Leistung kann über einen Ladepfad, welcher den PFC-Schaltungsteil, den ersten Schaltteil, den Transformator und die Body-Dioden (z.B. Körperdioden, integrierte Dioden) der ersten bis vierten MOSFET aufweist, an die Batterie für ein Fahrzeug angelegt werden.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Einschaltstrom (IR) verhindert werden, indem anfänglich ein Zwischenkreiskondensator aufgeladen wird, ohne ein herkömmliches Vorladungsrelais zum Laden des Zwischenkreiskondensators zu verwenden, wodurch eine Schaltung vereinfacht wird, ohne dass ein zusätzliches Design für die Steuerung des Vorladungsrelais erforderlich ist.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt.
    • 2 ist ein Schaltplan einer Vorrichtung zum Laden einer Batterie für ein Fahrzeug in 1.
    • 3 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Laden einer Batterie für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt.
    • 4 bis 7 stellen jeweils das erste bis vierte PWM-Signal, welche an einen zweiten Schaltteil von 2 angelegt werden, und eine dazugehörige Transformatorspannung dar.
    • 8 stellt eine Spannungsänderung eines Zwischenkreiskondensators, welcher anfänglich durch eine Entladeleistung einer Batterie für ein Fahrzeug aufgeladen wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform im Vergleich zu einem herkömmlichen Stand der Technik dar.
    • 9 ist ein beispielhaftes Diagramm, welches die Änderung in der Spannung und dem Strom des Zwischenkreiskondensators mit und ohne die anfängliche Aufladung des Zwischenkreiskondensators zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Eine Batterie für ein Fahrzeug ist eine Energiequelle eines Elektrofahrzeugs (EV) und kann als wiederaufladbare Batterie (z.B. im Allgemeinen eine Lithium-Ionen-Batterie) umgesetzt sein, welche wiederholt mit elektrischer Energie geladen und entladen werden kann. Hierbei kann das Elektrofahrzeug jegliche Arten von Fahrzeugen, wie beispielsweise ein Hybridelektrofahrzeug (HEV), ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (PHEV) und dergleichen, umfassen, welche eine Batterie enthalten, die die elektrische Energie zum Fahren des Fahrzeugs speichern kann. Die Batterie für ein Fahrzeug wird beispielsweise durch Stapeln von Zellen in Reihe darin ausgestaltet und kann abhängig vom Ladezustand eine interne Spannung im Bereich von etwa 240 bis 413 V aufweisen.
  • Um eine Batterie für ein Fahrzeug zu laden, kann ein Schnellladeverfahren zum Laden der Batterie durch direktes Anlegen einer DC-Leistung hoher Spannung effizient sein. Gegenwärtig ist die Infrastruktur für das Schnellladesystem jedoch nicht ausreichend aufgebaut, und dementsprechend wird auch ein Verfahren zum Laden eines Fahrzeugs unter Verwendung einer AC-Netzspannung (z.B. Netzwechselspannung) für zu Hause verwendet. Zu diesem Zweck kann das Elektrofahrzeug ein Bordladegerät (auch bordeigene Ladevorrichtung oder On-Board-Ladevorrichtung, kurz OBC - Englisch „On Board Charger“) aufweisen, welche AC-Wechsel(AC-)spannung (oder -Strom) zu Gleich(DC-)spannung (oder -Strom) gleichrichtet und die DC-Spannung (oder DC-Strom) erhöht oder verringert, um die Batterie für ein Fahrzeug aufzuladen.
  • Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen, die in der vorliegenden Beschreibung offenbart sind, im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der vorliegenden Beschreibung werden dieselben oder ähnliche Komponenten mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine wiederholte Beschreibung davon wird weggelassen. Die Begriffe „Modul“ und/oder „Einheit“ für Komponenten, die in der folgenden Beschreibung verwendet werden, werden nur verwendet, um die technischen Eigenschaften leicht zu beschreiben. Daher haben diese Begriffe keine Bedeutungen oder Rollen, die sie an und für sich voneinander unterscheiden. Wenn bei der Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung festgestellt wird, dass eine detaillierte Beschreibung des bekannten Standes der Technik, welcher mit der vorliegenden Offenbarung im Zusammenhang steht, den Kern der vorliegenden Offenbarung verschleiern kann, wird diese Beschreibung weggelassen. Die beigefügten Zeichnungen sind nur dazu bereitgestellt, um es zu ermöglichen, dass beispielhafte Ausführungsformen, welche in der vorliegenden Beschreibung offenbart sind, leicht zu verstehen sind, und sind nicht als Einschränkung des in der vorliegenden Beschreibung offenbarten Wesens zu interpretieren, und es ist zu verstehen, dass die vorliegende Offenbarung alle Modifikationen, Äquivalente und Substitutionen ohne Abweichung vom Umfang und Wesen der vorliegenden Offenbarung einschließt.
  • Begriffe, welche Ordnungszahlen wie erste, zweite und dergleichen enthalten, werden nur zur Beschreibung verschiedener Komponenten verwendet und sind nicht als Einschränkung dieser Komponenten zu verstehen. Die Begriffe werden nur verwendet, um eine Komponente von anderen Komponenten zu unterscheiden.
  • Es ist außerdem zu verstehen, dass, wenn von einer Komponente als mit einer anderen Komponente „verbunden“ oder „gekuppelt“ gesprochen wird, diese direkt mit der anderen Komponente verbunden oder gekuppelt sein kann oder auch mit der anderen Komponente mittels einer weiteren dazwischenliegenden Komponente verbunden oder gekuppelt sein kann. Ferner ist es zu verstehen, dass, wenn von einer Komponente als mit einer anderen Komponente „direkt verbunden“ oder „direkt gekuppelt“ gesprochen wird, diese mit der anderen Komponente direkt ohne eine weitere dazwischenliegende Komponente verbunden oder gekuppelt sein kann.
  • Es ist ferner zu verstehen, dass die Begriffe „aufweisen“, „enthalten“ oder „haben“, welche in der vorliegenden Beschreibung verwendet werden, das Vorliegen von in der vorliegenden Beschreibung genannten Merkmalen, Ziffern, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten oder Bauteilen oder eine Kombination aus diesen spezifizieren, jedoch nicht die Anwesenheit oder das Hinzufügen von einem oder mehreren weiteren Merkmalen, Ziffern, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten, Bauteilen oder Kombinationen aus diesen ausschließen.
  • 1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt.
  • Bezugnehmend auf 1 weist eine Vorrichtung 1 zum Laden einer Batterie für ein Fahrzeug einen Leistungsfaktorkorrektur-(PFC-)Schaltungsteil 100, einen bidirektionalen DC-DC-Wandler (auch bidirektionaler Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler) 200 und eine Steuereinrichtung 300 auf. Die Vorrichtung 1 zum Laden einer Batterie für ein Fahrzeug kann eine bidirektionale Bordladevorrichtung (auch bordeigene Ladevorrichtung oder On-Board-Ladevorrichtung, kurz OBC - Englisch „On Board Charger“), welche eine Batterie BT für ein Fahrzeug über eine Eingangsstromquelle, beispielsweise eine Netzwechselstromenergiequelle AC, auflädt und eine elektrische Leistung, die aus der Batterie BT für ein Fahrzeug entladen wird, an eine elektrische Last liefert. 1 stellt dar, dass ein Zwischenkreiskondensator Clink als von dem PFC-Schaltungsteil 100 separates Element verwendet wird, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Zwischenkreiskondensator Clink kann in dem PFC-Schaltungsteil 100 enthalten sein.
  • Die Netzwechselstromenergiequelle ist mit einem Eingangsanschluss des PFC-Schaltungsteils 100 verbunden, und der bidirektionale DC-DC-Wandler 200 ist mit einem Ausgangsanschluss des PFC-Schaltungsteils 100 verbunden. In einem Batterielademodus für ein Langsamladen der Batterie BT für ein Fahrzeug richtet der PFC-Schaltungsteil 100 eine von der Netzwechselstromenergiequelle angelegte AC-Leistung in eine DC-Leistung gleich und überträgt diese an den bidirektionalen DC-DC-Wandler 200.
  • Der PFC-Schaltungsteil 100 ist eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung und kann eine Rolle bei der Verringerung des Leistungsverlusts beim Umwandlungsvorgang von AC-Leistung (z.B. Wechselstrom) in DC-Leistung (z.B. Gleichstrom) spielen.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann der PFC-Schaltungsteil 100 den Zwischenkreiskondensator Clink aufweisen, welcher parallel zwischen dem Ausgangsanschluss und dem bidirektionalen DC-DC-Wandler 200 geschaltet ist. Wenn der Zwischenkreiskondensator Clink vor dem Eintreten in den Batterielademodus auf eine vorbestimmte Referenzspannung Vref aufgeladen wird, dann kann ein Einschaltstrom (IR) unmittelbar nach dem Eintreten in den Batterielademodus verhindert werden. Der Einschaltstrom (IR) kann zu einer Degradation, Leistungsverschlechterung, Defekten und dergleichen anderer Vorrichtungen/Geräte führen.
  • Die Netzwechselstromenergiequelle kann eine einphasige AC-Leistungsquelle (z.B. einphasige Wechselstromquelle) sein, die für den privaten oder gewerblichen Gebrauch verwendet werden kann. Die Netzspannung beträgt in Korea im Allgemeinen 220 V AC, und die verwendete Spannung kann von Land zu Land variieren, liegt jedoch in einem Bereich von 85 bis 265 V, beispielsweise in Deutschland bei einphasig ca. 230 VC AC. Außerdem kann die Frequenz länderabhängig im Allgemeinen 60 Hz oder 50 Hz betragen. Durch diese Netzwechselstromenergiequelle AC wird eine AC-Leistung (z.B. Wechselstrom) erzeugt, und der Batterie BT für ein Fahrzeug können etwa 3 bis 6 kW Leistung zugeführt werden. Beispielsweise kann die Netzwechselstromenergiequelle AC eine Elektrofahrzeugversorgungseinrichtung (EVSE) sein.
  • Die Batterie BT für ein Fahrzeug ist eine Energiequelle eines Elektrofahrzeugs (EV) und kann als wiederaufladbare Batterie umgesetzt sein, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, welche in der Lage ist, wiederholt elektrische Energie zu laden und zu entladen. Die Batterie BT für ein Fahrzeug enthält mehrere Zellen, die in Reihe oder parallel verschaltet sind, und kann abhängig vom Ladezustand eine Hochvoltbatterie im Bereich von etwa 240 bis 413 V sein.
  • In dem Batterielademodus zum Laden der Batterie BT für ein Fahrzeug mit der Netzwechselstromenergiequelle AC erhöht oder verringert der bidirektionale DC-DC-Wandler 200 die Spannung der DC-Leistung, welche von dem PFC-Schaltungsteil 100 ausgegeben wird, um die Batterie BT für ein Fahrzeug zu laden. Der bidirektionale DC-DC-Wandler 200 kann die Batterie BT für ein Fahrzeug mit einer geeigneten Ladespannung der Batterie BT für ein Fahrzeug aufladen, beispielsweise einer Spannung im Bereich von etwa 240 bis 413 V.
  • In einem Batterieentlademodus zum Liefern der aus der Batterie BT für ein Fahrzeug entladenen elektrischen Leistung an eine Last kann der bidirektionale DC-DC-Wandler 200 die aus der Batterie BT für ein Fahrzeug entladene elektrische Leistung erhöhen oder verringern (z.B. hochsetzen oder tiefsetzen, Englisch „boost or reduce“) und die und die erhöhte oder verringerte Spannung an den PFC-Schaltungsteil 100 anlegen.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann, wenn eine Spannung des Zwischenkreiskondensators Clink , welcher zwischen dem Ausgangsanschluss des PFC-Schaltungsteils 100 und einem Eingangsanschluss des bidirektionalen DC-DC-Wandlers 200 parallel geschaltet ist, niedriger als die Referenzspannung Vref vor dem Eintreten in den Batterielademodus ist, der bidirektionale DC-DC-Wandler 200 anfänglich den Zwischenkreiskondensator Clink mit der aus der Batterie BT für ein Fahrzeug entladenen elektrischen Leistung unter der Steuerung durch die Steuereinrichtung 300 aufladen.
  • Herkömmlicherweise verhindert eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie für ein Fahrzeug den Einschaltstrom (IR) durch anfängliches Laden des Zwischenkreiskondensators Clink mit der elektrischen Leistung, welche von der Netzwechselstromenergiequelle AC angelegt wird, unter Verwendung eines Vorladungsrelais (nicht gezeigt), welches an dem Eingangsanschluss angeordnet ist. In solch einer Schaltung war jedoch ein Platz für das Vorladungsrelais erforderlich und gab es ein Problem wie eine Verschlechterung der Haltbarkeit aufgrund eines kontinuierlichen Ein/Aus-Betriebs. Gemäß einer Vorrichtung 1 zum Laden einer Batterie für ein Fahrzeug nach einer beispielhaften Ausführungsform kann ein solches Vorladungsrelais wegelassen werden, indem der Zwischenkreiskondensator Clink anfänglich durch den bidirektionalen DC-DC-Wandler 200 geladen wird.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, wenn eine Vorrichtung 1 zum Laden einer Batterie für ein Fahrzeug mit der Netzwechselstromenergiequelle AC, z.B. mit der Elektrofahrzeugversorgungseinrichtung (EVSE), verbunden wird, dann ermittelt die Steuereinrichtung 300 vor dem Laden der Batterie BT für ein Fahrzeug, ob die Spannung des Zwischenkreiskondensators Clink unter der Referenzspannung Vref liegt. Wenn die Spannung des Zwischenkreiskondensators Clink unter der Referenzspannung Vref liegt, dann steuert die Steuereinrichtung 300 zuerst den bidirektionalen DC-DC-Wandler 200 derart, dass der Zwischenkreiskondensator Clink auf über die (oder gleich der) Referenzspannung Vref aufgeladen wird. Wenn die Spannung des Zwischenkreiskondensators Clink über die Referenzspannung Vref steigt (oder gleich der Referenzspannung Vref wird), dann lädt die Steuereinrichtung 300 die Batterie BT für ein Fahrzeug mit der von der Netzwechselstromenergiequelle AC angelegten elektrischen Leistung auf.
  • 2 ist ein Schaltplan einer Vorrichtung zum Laden einer Batterie für ein Fahrzeug in 1.
  • Bezugnehmend auf 2 kann der PFC-Schaltungsteil 100 einen Gleichrichterteil 110 und einen Zwischenkreiskondensatorteil 120 aufweisen. Der Gleichrichterteil 110 richtet im Batterielademodus eine AC-Leistung, welche von der Netzwechselstromenergiequelle AC angelegt wird, in eine DC-Leistung gleich. Der Zwischenkreiskondensatorteil 120 weist den Zwischenkreiskondensator Clink auf, welcher die gleichgerichtete DC-Leistung, die am Gleichrichterteil 110 gleichgerichtet wird, glättet. Der Zwischenkreiskondensatorteil 120, genauer gesagt der Zwischenkreiskondensator Clink , ist zwischen dem Ausgangsanschluss des PFC-Schaltungsteils 100 und dem bidirektionale DC-DC-Wandler 200 parallel geschaltet.
  • Der bidirektionale DC-DC-Wandler 200 weist einen ersten Schaltteil 210, einen Transformator 220 und einen zweiten Schaltteil 230 auf.
  • Der erste Schaltteil 210 wandelt eine vom PFC-Schaltungsteil 100 angelegte DC-Leistung im Batterielademodus in eine AC-Leistung um. Der erste Schaltteil 210 steuert, unter der Steuerung durch die Steuereinrichtung 300, eine Übertragungsrichtung der elektrischen Energie zwischen der Batterie BT für ein Fahrzeug und dem Zwischenkreiskondensator Clink und eine Stromhöhe eines Ausgangsstroms der Batterie BT für ein Fahrzeug.
  • Der erste Schaltteil 210 weist einen fünften MOSFET Q5, einen sechsten MOSFET Q6, einen siebten MOSFET Q7 und einen achten MOSFET Q8 auf. Jeder von dem fünften bis achten MOSFET Q5, Q6, Q7 und Q8 kann eine Body-Diode (z.B. Körperdiode, integrierte Diode) aufweisen.
  • Der fünfte MOSFET Q5 und der sechste MOSFET Q6 sind zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss des Zwischenkreiskondensators Clink in Reihe geschaltet. Der siebte MOSFET Q7 und der achte MOSFET Q8 sind zwischen einem ersten Anschluss des fünften MOSFET Q5 und einem zweiten Anschluss des sechsten MOSFET Q6 in Reihe geschaltet. Zu diesem Zeitpunkt ist ein erster Anschluss einer Sekundärspule 222 des Transformators 220 mit einem dritten Verbindungsknoten C zwischen dem fünften MOSFET Q5 und dem sechsten MOSFET Q6 verbunden und ist ein zweiter Anschluss der Sekundärspule 222 mit einem vierten Verbindungsknoten D zwischen dem siebten MOSFET Q7 und dem achten MOSFET Q8 verbunden.
  • Der Transformator 220 erhöht oder verringert eine Spannung im Batterielademodus und/oder im Batterieentlademodus. Der Transformator 220 umfasst eine Primärspule 221 und die Sekundärspule 222.
  • Wenn beispielsweise der Zwischenkreiskondensator Clink aufgeladen wird, erhöht oder verringert der Transformator 220 die Spannung einer AC-Leistung, welche über den zweiten Schaltteil 230 angelegt wird, und überträgt die verstärkte oder verringerte Spannung an den ersten Schaltteil 210. Wenn in einem weiteren Beispiel die Batterie BT für ein Fahrzeug geladen wird, erhöht oder verringert der Transformator 220 die Spannung der AC-Leistung, welche über den ersten Schaltteil 210 angelegt wird, und überträgt die erhöhte oder verringerte Spannung an den zweiten Schaltteil 230.
  • Der zweite Schaltteil 230 richtet eine vom Transformator 220 angelegte AC-Leistung in eine DC-Leistung gleich, um die Batterie BT für ein Fahrzeug im Batterielademodus zu laden. Der zweite Schaltteil 230 steuert, unter der Steuerung durch die Steuereinrichtung 300, die Übertragungsrichtung der elektrischen Energie zwischen der Batterie BT für ein Fahrzeug und dem Zwischenkreiskondensator Clink und eine Stromhöhe eines Aufladestroms Ilink , welcher an den Zwischenkreiskondensator Clink angelegt bzw. angewendet wird.
  • Der zweite Schaltteil 230 kann einen ersten MOSFET Q1, einen zweiten MOSFET Q2, einen dritten MOSFET Q3 und einen vierten MOSFET Q4 aufweisen. Jeder von dem ersten bis vierten MOSFET Q1, Q2, Q3 und Q4 kann eine Body-Diode (z.B. Körperdiode, integrierte Diode) aufweisen.
  • Herkömmlicherweise weist ein unidirektionaler DC-DC-Wandler unidirektionale Dioden an Positionen, welche mit denen der ersten bis vierten MOSFETs Q1, Q2, Q3 und Q4 korrespondieren, auf und kann dieser nur eine Funktion des Ladens der Batterie BT für ein Fahrzeug ausführen. Der zweite Schaltteil 230 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist jedoch die ersten bis vierten MOSFET Q1, Q2, Q3 und Q4, welche jeweils die Body-Diode aufweisen, auf und kann als ein bidirektionaler DC-DC-Wandler fungieren. Das heißt, dass, unter der Steuerung durch den zweiten Schaltteil 230, die Batterie BT für ein Fahrzeug geladen werden kann oder die aus der Batterie BT für ein Fahrzeug entladene elektrische Energie dem Zwischenkreiskondensator Clink oder einer elektrischen Last zugeführt werden kann.
  • Der erste MOSFET Q1 und der zweite MOSFET Q2 sind zwischen einer ersten Elektrode (+) und einer zweiten Elektrode (-) einer Batterie für ein Fahrzeug in Reihe geschaltet. Der dritte MOSFET Q3 und der vierte MOSFET Q4 sind zwischen einem ersten Anschluss des ersten MOSFET Q1 und einem zweiten Anschluss des zweiten MOSFET Q2 in Reihe geschaltet. Ein erster Anschluss der Primärspule 221 des Transformators 220 ist mit einem ersten Verbindungsknoten A zwischen dem ersten MOSFET Q1 und dem zweiten MOSFET Q2 verbunden, und ein zweiter Anschluss der Primärspule 221 ist mit einem zweiten Verbindungsknoten B zwischen dem dritten MOSFET Q3 und dem vierte MOSFET Q4 verbunden.
  • Das heißt, dass ein Drain-Anschluss des ersten MOSFET Q1 mit der ersten Elektrode (+) der Batterie BT für ein Fahrzeug verbunden ist und dass ein Source-Anschluss des ersten MOSFET Q1 und ein Drain-Anschluss des zweiten MOSFET Q2 in Reihe geschaltet sind. Der erste Anschluss der Primärspule 221 ist mit dem ersten Verbindungsknoten A zwischen dem Source-Anschluss des ersten MOSFET Q1 und dem Drain-Anschluss des zweiten MOSFET Q2 verbunden, und ein Source-Anschluss des zweiten MOSFET Q2 ist mit der zweiten Elektrode (-) der Batterie für ein Fahrzeug verbunden. Zusätzlich ist ein Drain-Anschluss des dritten MOSFET Q3 mit der ersten Elektrode (+) der Batterie für ein Fahrzeug verbunden, und sind ein Source-Anschluss des dritten MOSFET Q3 und ein Drain-Anschluss des vierten MOSFET Q4 in Reihe geschaltet. Der zweite Anschluss der Primärspule 221 ist mit dem zweiten Verbindungsknoten B zwischen dem Source-Anschluss des dritten MOSFET Q3 und dem Drain-Anschluss des vierten MOSFET Q4 verbunden, und ein Source-Anschluss des vierten MOSFET Q4 ist mit der zweiten Elektrode (-) der Batterie für ein Fahrzeug verbunden.
  • In dem Batterielademodus werden/sind im ersten Schaltteil 210, wenn der fünfte MOSFET Q5 und der achte MOSFET Q8 eingeschaltet werden/sind, der sechste MOSFET Q6 und der siebte MOSFET Q7 ausgeschaltet und werden/sind, wenn der fünfte MOSFET Q5 und der achte MOSFET Q8 ausgeschaltet werden/sind, der sechste MOSFET Q6 und der siebte MOSFET Q7 eingeschaltet. Dadurch wird die vom PFC-Schaltungsteil 100 angelegte DC-Leistung in AC-Leistung umgewandelt. Zu diesem Zeitpunkt sind die ersten bis vierten MOSFET Q1, Q2, Q3 und Q4, welche in dem zweiten Schaltteil 230 vorgesehen sind, ausgeschaltet. Die am ersten Schaltteil 210 umgewandelte AC-Leistung lädt einen Ausgangsanschlusskondensator Cobc über einen Ladepfad, welcher den Transformator 220 und die Body-Dioden der ersten bis vierten MOSFET Q1, Q2, Q3 und Q4 aufweist, auf. Danach wird die in den Ausgangsanschlusskondensator Cobc geladene elektrische Leistung entladen, um die Batterie BT für ein Fahrzeug aufzuladen.
  • In dem Batterieentlademodus werden/sind im zweiten Schaltteil 230, wenn der erste MOSFET Q1 und der vierte MOSFET Q4 eingeschaltet werden/sind, der zweite MOSFET Q2 und der dritte MOSFET Q3 ausgeschaltet und werden/sind, wenn der erste MOSFET Q1 und der vierte MOSFET Q4 ausgeschaltet werden/sind, der zweite MOSFET Q2 und der dritte MOSFET Q3 eingeschaltet. Dadurch wird die aus der Batterie BT für ein Fahrzeug entladene DC-Leistung in eine AC-Leistung umgewandelt. Zu diesem Zeitpunkt sind die fünften bis achten MOSFET Q5, Q6, Q7 und Q8 im ersten Schaltteil 210 ausgeschaltet. Die am zweiten Schaltteil 230 umgewandelte AC-Leistung wird über einen Entladepfad, welcher den Transformator 220 und die Body-Dioden der fünften bis achten MOSFET Q5, Q6, Q7 und Q8 aufweist, an den Zwischenkreiskondensator Clink angelegt. Danach kann die in den Zwischenkreiskondensator Clink geladene elektrische Leistung entladen werden, um über die PFC-Schaltung Teil 100 an die Netzwechselstromenergiequelle AC angelegt zu werden.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann, wenn vor dem Eintreten in den Batterielademodus eine Spannung Vlink des Zwischenkreiskondensators Clink unter der Referenzspannung Vref liegt, eine Vorrichtung 1 zum Laden der Batterie für ein Fahrzeug die Spannung Vlink des Zwischenkreiskondensators Clink durch die aus der Batterie BT für ein Fahrzeug entladene elektrische Leistung aufladen, so dass diese höher als die Referenzspannung Vref wird. Das heißt, dass eine Vorrichtung 1 zum Laden der Batterie für ein Fahrzeug die Batterie BT für ein Fahrzeug mit der von der Netzwechselstromenergiequelle AC angelegten elektrischen Leistung laden kann, nachdem die Spannung Vlink des Zwischenkreiskondensators Clink auf über die (oder gleich der) Referenzspannung Vref aufgeladen wurde.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform können der erste Schaltteil 210 und der zweite Schaltteil 230 einen Vollbrückenwandler bilden und können in einem Phasenverschiebung-Steuerungsverfahren gesteuert werden. Beispielsweise kann im Batterielademodus der erste Schaltteil 210 die Phase des siebten MOSFET Q7 und des achten MOSFET Q8 steuern und kann dadurch eine Zeitdauer, für welche der fünfte MOSFET Q5 und der achte MOSFET Q8 gleichzeitig eingeschaltet werden, um einen Stromfluss zu erlauben, und eine Zeitdauer, für welche der sechste MOSFET Q6 und der siebte MOSFET Q7 gleichzeitig eingeschaltet werden, um einen Stromfluss zu erlauben, einstellen. Dabei kann sich eine Höhe eines an den Transformator 220 übertragenen Aufladestroms mit zunehmender Zeitdauer des gleichzeitigen Einschaltens erhöhen.
  • In einem anderen Beispiel kann, im Batterieentlademodus oder während des Ladens des Zwischenkreiskondensators Clink , der zweite Schaltteil 230 die Phase des dritten MOSFET Q3 und des vierten MOSFET Q4 steuern und kann dadurch eine Zeitdauer, für welche der erste MOSFET Q1 und der vierte MOSFET Q4 gleichzeitig eingeschaltet werden, um einen Stromfluss zu erlauben, und eine Zeitdauer, für welche der zweite MOSFET Q2 und der dritte MOSFET Q3 gleichzeitig eingeschaltet werden, um einen Stromfluss zu erlauben, einstellen. Zu diesem Zeitpunkt kann sich eine Höhe eines an den Transformator 220 übertragenen Entladestroms mit zunehmender Zeitdauer des gleichzeitigen Einschaltens erhöhen.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Laden einer Batterie für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt. 4 bis 7 stellen jeweils das erste bis vierte PWM-Signal, welche an einen zweiten Schaltteil von 2 angelegt werden, und eine dazugehörige Transformatorspannung dar. 8 stellt eine Spannungsänderung eines Zwischenkreiskondensators, welcher anfänglich durch eine Entladeleistung einer Batterie für ein Fahrzeug aufgeladen wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform im Vergleich zu einem herkömmlichen Stand der Technik dar.
  • Nachfolgend werden eine Vorrichtung zum Laden der Batterie für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Laden der Batterie für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf 2 bis 8 ausführlich beschrieben.
  • Zunächst wird in Schritt S10 ein Fahrzeug mit der Elektrofahrzeugversorgungseinrichtung (EVSE) verbunden. Zu diesem Zeitpunkt erfasst in Schritt S20 die Steuereinrichtung 300 die Spannung Vlink des Zwischenkreiskondensators Clink , welcher zwischen dem Ausgangsanschluss bzw. den Ausgangsanschlüssen des PFC-Schaltungsteils 100 und dem Eingangsanschluss bzw. den Eingangsanschlüssen des bidirektionalen DC-DC-Wandlers 200 parallel geschaltet ist, synchron (z.B. zeitlich synchron, gleichzeitig) mit einem Zeitpunkt des Eintretens in den Batterielademodus zum Laden der Batterie BT für ein Fahrzeug.
  • Das heißt, dass bei Empfang eines Verbindungssignals von einem Sensor (nicht gezeigt), welcher eine Verbindung mit der Netzwechselstromenergiequelle AC, beispielsweise der Elektrofahrzeugversorgungseinrichtung (EVSE), erfasst, die Steuereinrichtung 300 einen Ladezustand des Zwischenkreiskondensators Clink prüfen kann.
  • Anschließend ermittelt die Steuereinrichtung 300 in Schritt S30, ob die Spannung Vlink des Zwischenkreiskondensators Clink über oder gleich der Referenzspannung Vref ist.
  • Das heißt, dass, wenn die Elektrofahrzeugversorgungseinrichtung (EVSE) und eine Vorrichtung 1 zum Laden der Batterie für ein Fahrzeug physikalisch (z.B. nur physikalisch, noch nicht elektrisch) miteinander verbunden werden/sind, die Steuereinrichtung 300 vor dem Laden der Batterie BT für ein Fahrzeug ermittelt, ob die Spannung Vlink des Zwischenkreiskondensators Clink über oder gleich der Referenzspannung Vref ist.
  • Wenn die Spannung Vlink des Zwischenkreiskondensators Clink unter der Referenzspannung Vref liegt (S30 - Nein), dann lädt in Schritt S40 anschließend die Steuereinrichtung 300 den Zwischenkreiskondensator Clink zunächst durch die aus der Batterie BT für ein Fahrzeug entnommene elektrische Leistung auf.
  • Wenn eine Vorrichtung 1 zum Laden der Batterie für ein Fahrzeug elektrisch mit der Netzwechselstromenergiequelle AC verbunden wird/ist, um eine elektrische Leistung zu erhalten, während die Spannung Vlink des Zwischenkreiskondensators Clink unter der Referenzspannung Vref liegt, können andere Elemente beschädigt werden aufgrund eines schnellen Anstiegs der Spannung Vlink des Zwischenkreiskondensators Clink und des Aufladestroms Ilink .
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird, unter der Steuerung durch die Steuereinrichtung 300, die aus der Batterie BT für ein Fahrzeug entladene DC-Leistung durch den zweiten Schaltteil 230 des bidirektionalen DC-DC-Wandlers 200 in eine AC-Leistung umgewandelt und wird die umgewandelte AC-Leistung über den Transformator 220 und die Body-Dioden des ersten Schaltteils 210 an den Zwischenkreiskondensator Clink angelegt. Wenn eine Vorrichtung 1 zum Laden der Batterie für ein Fahrzeug und die Elektrofahrzeugversorgungseinrichtung (EVSE) elektrisch werden, nachdem die Spannung Vlink des Zwischenkreiskondensators Clink über die Referenzspannung Vref aufgeladen, kann danach der Einschaltstrom (IR) verhindert werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung anderer Elemente verringert wird.
  • Während des Schritts S40 berechnet die Steuereinrichtung 300 zunächst in Schritt S41 eine Höhe des Aufladestroms Ilink , welcher an den Zwischenkreiskondensator Clink anzulegen ist, und ein Inkrement (z.B. Zunahmewert, Erhöhungswert) ΔI des Aufladestroms Ilink pro Zeiteinheit, um die Spannung Vlink des Zwischenkreiskondensators Clink über die Referenzspannung Vref aufzuladen.
  • Die Steuereinrichtung 300 kann beispielsweise 3 A für den Aufladestrom Ilink berechnen, welcher an den Zwischenkreiskondensator Clink anzulegen ist, damit der Zwischenkreiskondensator Clink auf die Spannung Vlink , welche der Referenzspannung Vref entspricht, geladen wird und kann 0,1 A für das Inkrement ΔI des Aufladestroms Ilink pro Zeiteinheit berechnen. Das heißt, dass die Steuereinrichtung 300 den Aufladestrom Ilink derart steuert, dass er nacheinander von 0 A auf 3 A ansteigt, d.h. in einer Abfolge von 0,1 A, 0,2 A, 0,3 A,..., 2,9 A, 3 A ansteigt.
  • Anschließend steuert die Steuereinrichtung 300 in Schritt S42 das erste bis achte PWM-Signal, welche an den bidirektionalen DC-DC-Wandler 200 angelegt werden, wodurch der Zwischenkreiskondensator Clink durch den berechneten Aufladestrom Ilink aufgeladen wird.
  • In dem Batterieentlademodus werden/sind im zweiten Schaltteil 230, wenn der erste MOSFET Q1 und der vierte MOSFET Q4 eingeschaltet werden/sind, der zweite MOSFET Q2 und der dritte MOSFET Q3 ausgeschaltet und werden/sind, wenn der erste MOSFET Q1 und der vierte MOSFET Q4 ausgeschaltet werden/sind, der zweite MOSFET Q2 und der dritte MOSFET Q3 eingeschaltet. Dadurch wird die aus der Batterie BT für ein Fahrzeug entladene DC-Leistung in eine AC-Leistung umgewandelt. Zu diesem Zeitpunkt sind die fünften bis achten MOSFET Q5, Q6, Q7 und Q8 im ersten Schaltteil 210 ausgeschaltet. Die am zweiten Schaltteil 230 umgewandelte AC-Leistung wird über einen Entladepfad, welcher den Transformator 220 und die fünften bis achten Body-Dioden aufweist, an den Zwischenkreiskondensator Clink angelegt. Die fünften bis achten Body-Dioden können jeweilig zugeordnet parallel zu den fünften bis achten MOSFET Q5, Q6, Q7 und Q8 geschaltet sein.
  • Beispielsweise kann die Steuerung 300 anfänglich die ersten bis vierten PWM-Signale so einstellen, dass die elektrische Leistung über den Ladepfad angelegt wird, vorausgesetzt, dass in den Batterielademodus unter der Bedingung eingetreten wird, dass die Spannung Vlink des Zwischenkreiskondensators Clink über oder gleich der Referenzspannung Vref ist.
  • Bezugnehmend auf 4 kann die Steuereinrichtung 300 das erste bis vierte PWM-Signal so einstellen, dass ein erstes PWM-Signal und ein drittes PWM-Signal einen gleichen Tastgrad von 50% und eine gleiche Phase haben und dass ein zweites PWM-Signal und ein viertes PWM-Signal den gleichen Tastgrad von 50% und eine Phasendifferenz von 180 Grad im Vergleich zum ersten PWM-Signal und zum dritten PWM-Signal haben, so dass die elektrische Leistung der Batterie BT für ein Fahrzeug nicht über einen Entladepfad, welcher eine umgekehrte Richtung des Ladepfades darstellt, an den Transformator 220 angelegt wird. Das heißt, dass die Spannung VTF der AC-Leistung, welche vom zweiten Schaltteil 230 an den Transformator 220 angelegt wird, 0 V betragen kann.
  • Detaillierter: In dem Fall, dass das erste bis vierte PWM-Signal, welche in 4 gezeigt sind, jeweilig zugeordnet an die ersten bis vierten MOSFET Q1, Q2, Q3 und Q4 angelegt werden, werden/sind, wenn der erste MOSFET Q1 und der dritte MOSFET Q3 eingeschaltet werden/sind, der zweite MOSFET Q2 und der vierte MOSFET Q4 ausgeschaltet und werden/sind, wenn der erste MOSFET Q1 und der dritte MOSFET Q3 ausgeschaltet werden/sind, der zweite MOSFET Q2 und der vierte MOSFET Q4 eingeschaltet. Dadurch wird die elektrische Energie nicht über einen Entladepfad, welcher die ersten bis vierten MOSFET Q1, Q2, Q3 und Q4 aufweist, geliefert.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 300, wenn das Laden des Zwischenkreiskondensators Clink erforderlich ist, die Höhe der Spannung VTF der AC-Leistung, welche vom zweiten Schaltteil 230 an den Transformator 220 angelegt wird, durch Steuern der Phasenverschiebung des dritten PWM-Signals und des vierten PWM-Signals steuern. Bezugnehmend auf 2, 5 und 6 wird in Reaktion auf die Phasenverschiebung des dritten PWM-Signals und des vierten PWM-Signals die elektrische Leistung der Batterie BT für ein Fahrzeug dem Transformator 220 durch den zweiten Schaltteil 230 zugeführt.
  • Ausführlicher unter Bezugnahme auf 5 erläutert, werden während einer ersten Zeitdauer T1_1, in welcher die Phasen des dritten PWM-Signals und des vierten PWM-Signals um PS1 verschoben sind, das erste PWM-Signal und das vierte PWM-Signal mit einem Ein-Pegel an den ersten MOSFET Q1 und den vierten MOSFET Q4 angelegt, wodurch der erste MOSFET Q1 und der vierte MOSFET Q4 eingeschaltet werden, und werden das zweite PWM-Signal und das dritte PWM-Signal mit einem Aus-Pegel an den zweiten MOSFET Q2 und den dritten MOSFET Q3 angelegt, wodurch der zweite MOSFET Q2 und der dritte MOSFET Q3 ausgeschaltet werden. Dabei wird die elektrische Leistung bzw. Spannung VTF (+) der Batterie BT für ein Fahrzeug durch den zweiten Schaltteil 230 an den Transformator 220 angelegt.
  • Zusätzlich werden während einer dritten Zeitdauer T1_3, in welcher die Phasen des dritten PWM-Signals und des vierten PWM-Signals um PS1 verschoben sind, das erste PWM-Signal und das vierte PWM-Signal mit dem Aus-Pegel an den ersten MOSFET Q1 und den vierten MOSFET Q4 angelegt, wodurch der erste MOSFET Q1 und der vierte MOSFET Q4 ausgeschaltet werden, und werden das zweite PWM-Signal und das dritte PWM-Signal mit dem Ein-Pegel an den zweiten MOSFET Q2 und den dritten MOSFET Q3 angelegt, wodurch der zweite MOSFET Q2 und der dritte MOSFET Q3 eingeschaltet werden. Dabei wird die elektrische Leistung bzw. Spannung VTF (-) der Batterie BT für ein Fahrzeug durch den zweiten Schaltteil 230 an den Transformator 220 angelegt.
  • Bezugnehmend auf 6 wird, wenn die Phasenverschiebung des dritten PWM-Signals und des vierten PWM-Signals größer wird (PS1 <PS2), die elektrische Leistung (z.B. Spannung und/oder resultierender Strom) der Batterie BT für ein Fahrzeug während einer Zeitdauer, welche mit der vergrößerten Phasenverschiebung korrespondiert, durch den zweiten Schaltteil 230 an den Transformator 220 angelegt.
  • Bezugnehmend auf 7A, 7B, 7C kann die Steuereinrichtung 300 die Phasenverschiebung des dritten PWM-Signals und des vierten PWM-Signals dazu steuern, um den gleichen Effekt einer Steuerung eines Tastgrads eines PWM-Signals zur Steuerung der Höhe der an den Transformator 220 angelegten elektrischen Leistung zu erzielen. Mit steigender Phasenverschiebung des dritten PWM-Signals und des vierten PWM-Signals kann daher ein Durchschnittswert der an den Transformator 220 angelegten elektrischen Leistung erhöht werden, und dementsprechend kann sich die Höhe des Aufladestroms Ilink erhöhen. Die Graphen in 7A, 7B, 7C korrespondieren mit den Zeichnungen 4 bis 6, welche (Graphen) die Höhe der elektrischen Leistung VTF des Transformators 220 zeigen.
  • Während beispielsweise der Zwischenkreiskondensator Clink geladen wird, kann der bidirektionale DC-DC-Wandler 200 einen Phasenverschiebungs-Vollbrückenwandler (PSFB-Wandler) bilden. Der erste bis vierte MOSFET Q1, Q2, Q3 und Q4 des zweiten Schaltteils 230 können eine primärseitige Vollbrückenschaltung bilden, der fünfte bis achte MOSFET Q5, Q6, Q7 und Q8 des ersten Schaltteils 210 sind alle ausgeschaltet, und die fünfte bis achte Body-Diode können eine sekundärseitige Vollweggleichrichterschaltung (auch Vollwellengleichrichterschaltung - Englisch „fullwave rectifier circuit“) bilden.
  • In Verbindung mit dem PSFB-Wandler kann die Steuereinrichtung 300 die Phase des dritten PWM-Signals und des vierten PWM-Signals steuern und dadurch eine Zeitdauer, für welche das erste PWM-Signal und das vierte PWM-Signal gleichzeitig eingeschaltet sind, oder eine Zeitdauer, für welche das dritte PWM-Signal und das vierte PWM-Signal gleichzeitig eingeschaltet werden, steuern. Die Höhe des Aufladestroms Ilink , welcher an den Zwischenkreiskondensator Clink angelegt wird, kann sich mit steigender Zeitdauer, für welche das erste PWM-Signal und das vierte PWM-Signal gleichzeitig eingeschaltet werden, erhöhen.
  • Anschließend ermittelt die Steuereinrichtung 300 in Schritt S43, ob die Spannung Vlink des Zwischenkreiskondensators Clink über oder gleich der Referenzspannung Vref ist.
  • Wenn die Spannung Vlink des Zwischenkreiskondensators Clink über oder gleich der Referenzspannung Vref ist (S30 - Ja oder S43 - Ja), dann verbindet die Steuereinrichtung 300 daraufhin in Schritt S5 die Elektrofahrzeugversorgungseinrichtung (EVSE) und eine Vorrichtung 1 zum Laden der Batterie für ein Fahrzeug elektrisch miteinander und kann dann in Schritt S60 in den Batterielademodus zum Laden der Batterie BT für ein Fahrzeug eingetreten werden.
  • In dem Batterielademodus werden/sind im ersten Schaltteil 210, wenn der fünfte MOSFET Q5 und der achte MOSFET Q8 eingeschaltet werden/sind, der sechste MOSFET Q6 und der siebte MOSFET Q7 ausgeschaltet und werden/sind, wenn der fünfte MOSFET Q5 und der achte MOSFET Q8 ausgeschaltet werden/sind, der sechste MOSFET Q6 und der siebte MOSFET Q7 eingeschaltet. Dadurch wird die vom PFC-Schaltungsteil 100 angelegte DC-Leistung in die AC-Leistung umgewandelt. Zu diesem Zeitpunkt sind die ersten bis vierten MOSFET Q1, Q2, Q3 und Q4 in dem zweiten Schaltteil 230 ausgeschaltet. Die am ersten Schaltteil 210 umgewandelte AC-Leistung lädt den Ausgangsanschlusskondensator Cobc über einen Ladepfad, welcher den Transformator 220 und die ersten bis vierten Body-Dioden aufweist, auf. Danach wird die in den Ausgangsanschlusskondensator Cobc geladene elektrische Leistung entladen, um die Batterie BT für ein Fahrzeug aufzuladen.
  • Unter Bezugnahme auf 8 ist die Spannungsänderung B, welche nach dem anfänglichen Aufladen des Zwischenkreiskondensators Clink durch den DC-DC-Wandler 200 mittels einer Entladeleistung der Batterie für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform erhalten wird, ähnlich der erhaltenen Spannungsänderung A, welche nach dem Laden des Zwischenkreiskondensators Clink unter Verwendung eines herkömmlichen Relais erhalten wird.
  • 9A zeigt die Spannungsänderung des Zwischenkreiskondensators mit und ohne die anfängliche Aufladung des Zwischenkreiskondensators. 9B zeigt die Stromänderung des Zwischenkreiskondensators mit und ohne die anfängliche Aufladung des Zwischenkreiskondensators.
  • Bezugnehmend auf 9A und 9B steigt, wie in gestrichelten Linien gezeigt, die Spannung Vlink des Zwischenkreiskondensators gemächlich an, wenn das integrierte Ladegerät (OBC) nach dem anfänglichen Laden des Zwischenkreiskondensators an die externe Energiequelle angeschlossen wird, und der Strom Ilink weist ebenfalls eine niedrige Veränderung auf. Wenn andererseits, wie in durchgezogenen Linien gezeigt, das integrierte Ladegerät (OBC) an die externe Energiequelle angeschlossen wird, wobei der Zwischenkreiskondensator anfänglich nicht geladen ist, kann die Möglichkeit bestehen, dass andere Elemente beschädigt werden aufgrund des schnellen Anstiegs der Spannung Vlink_no und des Stroms Ilink_no des Zwischenkreiskondensators.
  • Obwohl die Erfindung in Verbindung damit beschrieben wurde, was gegenwärtig als zweckmäßige, beispielhafte Ausführungsformen angesehen wird, ist es zu verstehen, dass die Erfindung/Offenbarung nicht auf die (hierin) offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Im Gegenteil ist sie dazu gedacht, diverse Modifikationen und Abwandlungen abzudecken, die im Umfang der angehängten Ansprüche enthalten sein können.

Claims (10)

  1. Vorrichtung (1) zum Laden einer Batterie (BT) für ein Fahrzeug, die Vorrichtung aufweisend: eine Leistungsfaktorkorrektur-(PFC-)Schaltung (100) mit: einem Gleichrichter (110), welcher eingerichtet ist zum Gleichrichten einer AC-Leistung, welche von einer Netzwechselstromenergiequelle (AC) angelegt wird, in eine DC-Leistung in einem Batterielademodus zum Laden der Batterie (BT) für ein Fahrzeug, und einem Zwischenkreiskondensator (Clink), welcher zum Gleichrichter (110) parallel geschaltet ist und dazu eingerichtet ist, die gleichgerichtete DC-Leistung zu glätten, einen bidirektionaler DC-DC-Wandler (200) mit: einer ersten Schalteinrichtung (210), welche dazu eingerichtet ist, eine vom PFC-Schaltungsteil (100) angelegte DC-Leistung in eine AC-Leistung umzuwandeln, einem Transformator (220), welcher zum Erhöhen oder Verringern einer Spannung der AC-Leistung, welche an der ersten Schalteinrichtung (210) umgewandelt wurde, eingerichtet ist, und einer zweiten Schalteinrichtung (230), welche dazu eingerichtet ist, eine vom Transformator (220) angelegte AC-Leistung in eine DC-Leistung zum Laden der Batterie (BT) für das Fahrzeug gleichzurichten, und eine Steuereinrichtung (300), welche dazu eingerichtet ist, eine Phase eines PWM-Signals, welches an die zweite Schalteinrichtung (230) angelegt wird, so zu steuern, dass der Zwischenkreiskondensator (Clink) durch eine aus der Batterie (BT) für das Fahrzeug entnommenen elektrischen Leistung aufgeladen wird, wenn eine Spannung (Vlink) des Zwischenkreiskondensators (Clink) vor dem Eintreten in den Batterielademodus unter einer vorbestimmten Referenzspannung (Vref) liegt.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die die zweite Schalteinrichtung (230) aufweist: einen ersten MOSFET (Q1), einen zweiten MOSFET (Q2), wobei der erste MOSFET (Q1) und der zweite MOSFET (Q2) zwischen einer ersten Elektrode (+) und einer zweiten Elektrode (-) der Batterie (BT) für ein Fahrzeug in Reihe geschaltet sind, einen dritten MOSFET (Q3), und einen vierten MOSFET (Q4), wobei der dritte MOSFET (Q3) und der vierte MOSFET (Q4) zwischen einem ersten Anschluss des ersten MOSFET (Q1) und einem zweiten Anschluss des zweiten MOSFET (Q2) in Reihe geschaltet sind, wobei ein erster Anschluss einer Primärspule (221) des Transformators (220) mit einem ersten Knotenpunkt (A) zwischen dem ersten MOSFET (Q1) und dem zweiten MOSFET (Q2) verbunden ist, und wobei ein zweiter Anschluss der Primärspule (221) mit einem zweiten Knotenpunkt (B) zwischen dem dritten MOSFET (Q3) und dem vierten MOSFET (Q4) verbunden ist.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung (300) dazu eingerichtet ist: eine Höhe eines Aufladestroms (Ilink) zu berechnen, welcher an den Zwischenkreiskondensator (Clink) anzulegen ist, um den Zwischenkreiskondensator (Clink) über die oder auf die Referenzspannung (Vref) aufzuladen, und Phasen eines dritten PWM-Signals und eines vierten PWM-Signals zum Steuern des Schaltens des dritten MOSFET (Q3) und des vierten MOSFET (Q4) so zu verschieben, dass eine dem berechneten Aufladestrom (Ilink) entsprechende Spannung an den Transformator angelegt wird.
  4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (300) dazu eingerichtet ist: ein Inkrement (ΔI) des Aufladestroms (Ilink) pro Zeiteinheit zu berechnen und Phasen des dritten PWM-Signals und des vierten PWM-Signals so zu verschieben, dass eine Spannung, welche mit dem Inkrement (ΔI) des berechneten Aufladestroms (Ilink) korrespondiert, an den Transformator (220) angelegt wird.
  5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei: wenn die Spannung (Vlink) des Zwischenkreiskondensators (Clink) auf über die vorbestimmte Referenzspannung (Vref) geladen wird, die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, das erste PWM-Signal, das zweite PWM-Signal, das dritte PWM-Signal und das vierte PWM-Signal so steuern, dass: wenn der erste MOSFET (Q1) und der dritte MOSFET (Q3) eingeschaltet werden, der zweite MOSFET (Q2) und der vierte MOSFET (Q4) ausgeschaltet werden, und wenn der erste MOSFET (Q1) und der dritte MOSFET (Q3) ausgeschaltet werden, der zweite MOSFET (Q2) und der vierte MOSFET (Q4) eingeschaltet werden, und die von der Netzwechselstromenergiequelle (AC) angelegte elektrische Leistung über einen Ladepfad, welcher die PFC-Schaltung (100), die erste Schalteinrichtung (210), den Transformator (220) und Body-Dioden des ersten MOSFET (Q1), des zweiten MOSFET (Q2), des dritten MOSFET (Q3) und des vierten MOSFET (Q4) aufweist, an die Batterie (BT) für ein Fahrzeug angelegt wird.
  6. Verfahren zum Laden einer Batterie (BT) für ein Fahrzeug mittels eines bidirektionalen DC-DC-Wandlers (200), das Verfahren aufweisend: Erfassen (S20) einer Spannung (Vlink) eines Zwischenkreiskondensators (Clink), welcher parallel zu einem Ausgangsanschluss einer Leistungsfaktorkorrektur-(PFC-)Schaltung (100) geschaltet ist, synchron mit einem Zeitpunkt des Eintretens in einen Lademodus zum Laden einer Batterie (BT) für ein Fahrzeug, Ermitteln (S30), ob die erfasste Spannung (Vlink) des Zwischenkreiskondensators (Clink) unter einer vorbestimmten Referenzspannung (Vref) liegt, Aufladen (S40) des Zwischenkreiskondensators (Clink) durch eine aus der Batterie (BT) für das Fahrzeug entnommene elektrische Leistung, indem eine Phase eines PWM-Signals, welches an eine zweite Schalteinrichtung (230) angelegt wird, gesteuert wird, wenn die erfasste Spannung (Vlink) des Zwischenkreiskondensators (Clink) unter der vorbestimmten Referenzspannung (Vref) liegt, und Laden (S60) der Batterie (BT) für ein Fahrzeug durch eine elektrische Leistung, welche von der Netzwechselstromenergiequelle (AC) angelegt wird, wenn die Spannung (Vlink) des Zwischenkreiskondensators (Clink) auf über die Referenzspannung (Vref) geladen ist, wobei der bidirektionale DC-DC-Wandler (200) aufweist: eine erste Schalteinrichtung (210), welche mit dem Ausgangsanschluss der PFC-Schaltung (100), welche zum Gleichrichten einer AC-Leistung der Netzwechselstromenergiequelle (AC) in eine DC-Leistung eingerichtet ist, verbunden ist und dazu eingerichtet ist, eine vom PFC-Schaltungsteil (100) angelegte DC-Leistung in eine AC-Leistung umzuwandeln, einen Transformator (220), welcher zum Erhöhen oder Verringern einer Spannung der AC-Leistung, welche an der ersten Schalteinrichtung (210) umgewandelt wurde, eingerichtet ist, und eine zweite Schalteinrichtung (230), welche dazu eingerichtet ist, eine vom Transformator (220) angelegte AC-Leistung in eine DC-Leistung zum Laden der Batterie (BT) für das Fahrzeug gleichzurichten.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zweite Schalteinrichtung (230) ferner aufweist: einen ersten MOSFET (Q1), einen zweiten MOSFET (Q2), wobei der erste MOSFET (Q1) und der zweite MOSFET (Q2) zwischen einer ersten Elektrode (+) und einer zweiten Elektrode (-) der Batterie (BT) für ein Fahrzeug in Reihe geschaltet sind, einen dritten MOSFET (Q3), und einen vierten MOSFET (Q4), wobei der dritte MOSFET (Q3) und der vierte MOSFET (Q4) zwischen einem ersten Anschluss des ersten MOSFET (Q1) und einem zweiten Anschluss des zweiten MOSFET (Q2) in Reihe geschaltet sind, wobei ein erster Anschluss einer Primärspule (221) des Transformators (220) mit einem ersten Knotenpunkt (A) zwischen dem ersten MOSFET (Q1) und dem zweiten MOSFET (Q2) verbunden ist, und ein zweiter Anschluss der Primärspule (221) mit einem zweiten Knotenpunkt (B) zwischen dem dritten MOSFET (Q3) und dem vierten MOSFET (Q4) verbunden ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Aufladen (S40) des Zwischenkreiskondensators (Clink) aufweist: Berechnen (S41) einer Höhe eines Aufladestroms (Ilink), welcher an den Zwischenkreiskondensator (Clink) anzulegen ist, um den Zwischenkreiskondensator (Clink) über die oder auf die Referenzspannung (Vref) aufzuladen, und Verschieben (S42) von Phasen eines dritten PWM-Signals und eines vierten PWM-Signals zum Steuern des Schaltens des dritten MOSFET (Q3) und des vierten MOSFET (Q4) derart, dass eine dem berechneten Aufladestrom (Ilink) entsprechende Spannung an den Transformator angelegt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verfahren aufweist: Berechnen der Höhe des Aufladestroms (Ilink) beruhend auf einem Inkrement (ΔI) des Aufladestroms (Ilink) pro Zeiteinheit, und Verschieben von Phasen des dritten PWM-Signals und des vierten PWM-Signals derart, dass eine Spannung, welche mit dem Inkrement (ΔI) des berechneten Aufladestroms (Ilink) korrespondiert, an den Transformator (220) angelegt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verschieben der Phasen des dritten PWM-Signals und des vierten PWM-Signals aufweist: wenn die Spannung (Vlink) des Zwischenkreiskondensators (Clink) auf über die vorbestimmte Referenzspannung (Vref) geladen wird, Steuern des ersten PWM-Signals, des zweiten PWM-Signals, des dritten PWM-Signals und des vierten PWM-Signals derart, dass: wenn der erste MOSFET (Q1) und der dritte MOSFET (Q3) eingeschaltet werden, der zweite MOSFET (Q2) und der vierte MOSFET (Q4) ausgeschaltet werden, und wenn der erste MOSFET (Q1) und der dritte MOSFET (Q3) ausgeschaltet werden, der zweite MOSFET (Q2) und der vierte MOSFET (Q4) eingeschaltet werden, und Anlegen der von der Netzwechselstromenergiequelle (AC) angelegten elektrischen Leistung über einen Ladepfad, welcher die PFC-Schaltung (100), die erste Schalteinrichtung (210), den Transformator (220) und Body-Dioden des ersten MOSFET (Q1), des zweiten MOSFET (Q2), des dritten MOSFET (Q3) und des vierten MOSFET (Q4) aufweist, an die Batterie (BT) für ein Fahrzeug.
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