-
Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem, ein Ladesystem und ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
-
Elektrisch angetriebene Fahrzeuge sind im Hinblick auf ihre Reichweite und damit die Betriebseffizienz aufgrund limitierter Energiespeicherkapazitäten begrenzt. Deshalb ist es wünschenswert, dass die Ladevorgänge von Speichereinheiten der Fahrzeuge möglichst effizient durchführbar sind. Dabei besteht eine Schwierigkeit darin, dass eine Vielzahl an unterschiedlichen Ladestandards in Bezug auf netzseitig bereitgestellte Wechsel- und Gleichspannungen und deren Amplituden existieren.
-
Ein anderer Ansatz, um die Betriebseffizienz eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs zu erhöhen, besteht in einer Gewichtsoptimierung. Eine Gewichtsersparnis kann dadurch erzielt werden, dass die Ladeelektronik umfassend einen Wechselspannungs-Gleichspannungswandler und einen nachgelagerten Gleichspannungs-Gleichspannungswandler aus dem Fahrzeug extrahiert und stattdessen beispielsweise in einem Ladekabel integriert wird. Dadurch wird zwar das Gewicht des Fahrzeugs reduziert, allerdings ist der Bauraum im Steckergehäuse des Ladekabels begrenzt. Deshalb geht die Auslagerung der elektronischen Komponenten aus dem Fahrzeug mit einem Kompromiss einher, welcher die Baugrößen dieser Komponenten und damit die durch die Komponenten bereitgestellten elektrischen Leistungen anbelangt. Diese sind einerseits aufgrund des begrenzten Bauraums des Ladekabels, aber auch wegen des erforderlichen Kühlkonzepts limitiert, insbesondere wenn die Komponenten zur Optimierung des Ladevorgangs für den Hochvoltbereich ausgelegt sind. Deshalb sind bei diesem Ansatz auch der Wirkungsgrad und die erzielbare elektrische Leistungsübertragung während des Ladevorgangs suboptimal.
-
Ein anderer Aspekt bezieht sich auf die Vielzahl elektronischer Komponenten innerhalb eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Die hohe Anzahl führt dazu, dass die Systemintegration und das Kabelmanagement zunehmend an Bedeutung gewinnen. Das ist auch vor dem Hintergrund jeweiliger Crash-Bereiche innerhalb des Fahrzeugs zu beurteilen. Denn die Integration von Hochvolt-Komponenten innerhalb des Fahrzeugs insbesondere in jeweiligen Crash-Bereichen ist nur bedingt möglich, um Gefahren für den Nutzer oder Rettungspersonal zu vermeiden.
-
Ein weiterer Aspekt betrifft die elektrischen Nebenverbraucher, die aufgrund der notwendigen Adaptierbarkeit der Ladekomponenten an die unterschiedlichen Ladestandards in der Regel für weite Spannungsbereiche ausgelegt sein müssen. Dadurch steigen für diese Komponenten die Anforderungen, die Kosten und regelmäßig auch die im Betrieb durch die Komponenten erzeugten Verlustleistungen, denn die Komponenten können dann in der Regel nicht bei optimalen Betriebsparametern eingesetzt werden.
-
Die zugrundeliegende technische Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Energieversorgungssystem, ein Ladesystem und ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug bereitzustellen, bei denen die Nachteile des Stands der Technik vermieden oder zumindest verringert werden können.
-
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
-
Es wird unter anderem ein Energieversorgungssystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug bereitgestellt. Das Energieversorgungssystem umfasst zumindest eine Ladeschnittstelle, einen isolierenden Hochvolt-Gleichspannungs-Gleichspannungswandler (HV-DCDC) und zumindest einen Hochvoltspeicher. Der Hochvoltspeicher weist eine Nennspannung auf und ist mit einem Ausgang des Hochvolt-Gleichspannungs-Gleichspannungswandler elektrisch verbunden. Der isolierende HV-DCDC ist eingangsseitig mit der Ladeschnittstelle elektrisch verbunden und dazu eingerichtet, eine eingangsseitig von der Ladeschnittstelle empfangene Leistungsspannung ihrer Amplitude nach in eine Ausgangsspannung am Ausgang zu wandeln, wobei die Ausgangsspannung ihrer Amplitude nach der Nennspannung des zumindest einen Hochvoltspeichers entspricht. Der Hochvoltspeicher kann dann mit der nach der Amplitude angepassten Ausgangsspannung des HV-DCDCs direkt geladen werden.
-
Die Ladeschnittstelle stellt eine elektrische Schnittstelle des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs zu einer externen Ladeeinrichtung oder einem externen Ladesystem dar, z.B. einem Ladekabel, das eine Netzspannung oder eine daraus abgeleitete Spannung überträgt.
-
Dadurch, dass ein isolierender HV-DCDC verwendet wird, können eingangs- und ausgangsseitig des HV-DCDCs unterschiedliche Spannungspotentiale verwendet werden. In diesem Sinne stellt der isolierende HV-DCDC eine galvanische Trennung bereit. Dadurch kann ein Fahrzeug-internes Massepotential unabhängig vom Massepotential eines externen Ladesystems realisiert werden, was die Systemintegration vereinfacht.
-
Der isolierende HV-DCDC stellt eingangsseitig eine gegenüber einem nicht-isolierenden HV-DCDC stark verbesserte Toleranz bezüglich der Amplitude der Eingangsspannung bereit, ohne über den Toleranzbereich einen Abfall des Wirkungsgrads in Kauf nehmen zu müssen. In anderen Worten ist die Eingangstoleranz des isolierenden HV-DCDC gegenüber einem nicht-isolierenden HV-DCDC größer. Deshalb stellt der isolierende HV-DCDC einerseits die Adaptionsfähigkeit des Lademechanismus gegenüber externen Ladegleichspannungen mit unterschiedlichen Amplituden bereit. Andererseits stellt er selbst für den Fall von Eingangsspannungen, die stark differierende Amplituden aufweisen, die Möglichkeit bereit, ausgangsseitig eine Gleichspannung entsprechend der Nennspannung des Hochvoltspeichers des Energieversorgungssystems auszugeben. Durch die Verwendung eines unidirektionalen HV-DCDC kann diese Adaptionsfähigkeit kostengünstig erzielt werden.
-
Der HV-DCDC kann eingerichtet sein, einen Wirkungsgrad von zumindest 97% zu erreichen, insbesondere von 97,5%. Dieser hohe Wirkungsgrad ist für nichtisolierende HV-DCDCs im Allgemeinen nicht zu erreichen, nämlich dann, wenn Eingangsspannungen unterschiedlicher Amplituden (entsprechend unterschiedlicher externer Ladestandards) berücksichtigt werden. Zudem ist der Wirkungsgrad vorteilhaft gegenüber Anordnungen erhöht, die eingangsseitig des HV-DCDC noch einen Wechselspannungs-Gleichspannungswandler umfassen, denn dann ist der Gesamtwirkungsgrad niedriger. Der erhöhte Wirkungsgrad kann also insbesondere von Vorteil sein, wenn eine externe Gleichspannung als Netzspannung anstatt einer Wechselspannung durch den jeweiligen Ladestandard bereitgestellt wird.
-
Der HV-DCDC kann bidirektional sein. Dadurch ist der HV-DCDC vorteilhaft eingerichtet, um Amplitudenanpassungen in gegensätzliche Richtungen bezüglich entsprechender Eingänge und Ausgänge bereitzustellen, wobei jeweils die Vorteile der vergrößerten Eingangstoleranz genutzt werden können.
-
Das Energieversorgungssystem kann zwei Hochvolt-Bordnetze aufweisen und der HV-DCDC kann eingerichtet sein, um diese zwei Hochvolt-Bordnetze miteinander potentialfrei zu koppeln, wobei insbesondere eines der beiden Hochvolt-Bordnetze die Ladeschnittstelle umfassen kann. Dabei kann vorteilhaft dennoch in beide Richtungen elektrischer Strom potentialfrei übertragbar sein. Deshalb kann das Kabelmanagement und die Systemintegration vereinfacht werden, da beispielsweise unterschiedliche Massepunkte realisierbar sind. Diese können vorteilhaft in verschiedenen Bereichen des Fahrzeugs angeordnet sein.
-
Das erste Hochvolt-Bordnetz kann den zumindest einen Hochvoltspeicher umfassen und/oder das zweite Hochvolt-Bordnetz kann zumindest einen elektrischen Hochvolt-Nebenverbraucher umfassen, der elektrische Energie nicht in kinetische Energie umsetzt. Ein solcher Hochvolt-Nebenverbraucher kann beispielsweise ein elektrischer Kühlmittelverdichter und/oder einn elektrischer Durchlauferhitzer sein (HV-Nebenverbraucher). Dadurch können die HV-Nebenverbraucher von dem HV-Bordnetz des Hochvoltspeichers ausgelagert sein. Dies vereinfacht die Systemintegration, da die Bordnetze in unterschiedlichen Bereichen des Fahrzeugs angeordnet sein können. Insbesondere kann das HV-Bordnetz, welches den Hochvoltspeicher umfasst, in einem Nicht-Crashbereich angeordnet sein, während das HV-Bordnetz, dass die HV-Nebenverbraucher umfasst, in einem Crash-Bereich, zum Beispiel in einem Frontbereich des Chassis des Fahrzeugs angeordnet sein kann. Das ist insbesondere für Hochvolt-Fahrassistenzsysteme und -Warnsysteme von Interesse, um Bereiche in Fahrtrichtung des Fahrzeugs oder das Fahrzeugumfeld im Allgemeinen überwachen und analysieren zu können.
-
Durch den HV-DCDC kann für das HV-Bordnetz, in dem die HV-Nebenverbraucher angeordnet sind, beispielsweise der elektrische Kühlmittelverdichter und der elektrische Durchlauferhitzer, eine reversible Sicherheitsabschaltung bereitgestellt werden. Beispielsweise können die HV-Nebenverbraucher in einem Crash-Bereich angeordnet sein. In diesem Fall muss eine Sicherheitsabschaltung der HV-Nebenverbraucher bereitgestellt werden. Die galvanische Trennung kann diese in reversibler Weise zur Verfügung stellen. Anders als bei Pyro-Switches, die eine irreversible Unterbrechung eines elektrischen Leiters verursachen, kann der HV-DCDC auch nach Auslösen eines Trennvorgangs, bei dem beispielsweise der Ausgang potentialfrei geschaltet wird, wieder in vollem Funktionsumfang in Betrieb genommen werden. Somit kann das Energieversorgungssystem zerstörungsfrei und ohne zusätzlichen Wartungsaufwand wieder in vollem Umfang genutzt werden.
-
Die Möglichkeit der reversiblen Sicherheitsabschaltung ist insbesondere bei einer heutzutage möglichen Pre-Crash-Indikation vorteilhaft. Dabei werden Fahrassistenzsysteme, beispielsweise Umfeldüberwachungsvorrichtungen, die oftmals selbst HV-Nebenverbraucher darstellen, genutzt, um Gefahrsituationen bereits vor einem Crash-Fall zu erkennen. Eine Steuereinheit kann dann eingerichtet sein, basierend auf den empfangenen Daten der Überwachungsvorrichtungen eine Sicherheitsabschaltung bestimmter Komponenten vorzusehen, um Gefahren zu vermindern. Ist die Sicherheitsabschaltung nur irreversibel möglich, dann können die abgeschalteten Komponenten für den Fall, dass ein Crash-Fall nicht eintritt oder nur geringe Auswirkungen auf das Fahrzeug hatte, anschließend nicht erneut ohne erhöhten Wartungsaufwand erneut betrieben werden. Dazu kann es beispielsweise erforderlich sein, Pyro-Switches auszutauschen. Gerade für den Fall nicht seltener Fehlauslösungen der Sicherheitsabschaltung stellt dies eine besonders nachteilige Auswirkung dar.
-
Der HV-DCDC stellt vorteilhafterweise eine reversible Trennung bereit. Dadurch können Komponenten kurzzeitig vom Hochvoltspeicher getrennt werden, ohne dass zu ihrer erneuten Inbetriebnahme ein zusätzlicher Wartungsaufwand erforderlich ist. Insofern können HV-Nebenverbraucher basierend auf der reversiblen Abschaltrealisierung vorteilhaft auch im Vorderwagenbauraum angeordnet werden, so dass dieser effizienter nutzbar wird.
-
Der HV-DCDC kann durch eine galvanische Trennung für das zweite Hochvolt-Bordnetz eine vordefinierte Spannungslage bereitstellen. Durch die galvanische Trennung der beiden Bordnetze werden vorteilhaft nur geringere Anforderungen an die HV-Nebenverbraucher gestellt. So kann vermieden werden, dass die HV-Nebenverbraucher für weite Spannungsbereiche ausgelegt sein müssen. Vielmehr kann für ein jeweiliges HV-Bordnetz eine vordefinierte Spannungslage bereitgestellt werden, z.B. 450 V. Somit müssen die HV-Nebenverbraucher nur für diese definierte Spannungslage ausgelegt sein, weshalb sie einfacher und kostengünstiger konzipierbar sind. Zudem können die Verlustleistungen, die durch die HV-Nebenverbraucher während des Betriebs verursacht werden, reduziert werden, da sie nicht für weite Spannungsbereiche, sondern nur für vordefinierte Spannungslagen ausgelegt sein müssen. Verlustleistungen, die ansonsten dadurch verursacht werden, dass die HV-Nebenverbraucher bei nicht-optimalen Spannungslagen betrieben werden, können deshalb vermieden werden.
-
Das Energieversorgungssystem kann auch zumindest eine Schützbaugruppe mit zumindest einem Schütz umfassen. Basierend auf einer an der Ladeschnittstelle anliegenden Leistungsspannung kann das Schütz eine geschlossene oder offene Stellung einnehmen, so dass der HV-DCDC mit der Ladeschnittstelle elektrisch verbunden sein kann oder nicht. In Abhängigkeit der Amplitude der an der Ladeschnittstelle empfangenen Leistungsspannung kann es möglich sein, den Hochvoltspeicher direkt mit einer Gleichspannung zu laden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Amplitude der Leistungsspannung der Nennspannung des Hochvoltspeichers entspricht. In diesem Fall ist eine Amplitudenanpassung mittels des HV-DCDC während des Ladevorgangs unnötig. Deshalb kann das Energieversorgungssystem eingerichtet sein, den HV-DCDC in Abhängigkeit der Amplitude der Leistungsspannung mithilfe des Schütz zu umgehen. Die Schützbaugruppe kann auch Teil des HV-DCDC sein.
-
Es kann auch mehrere Schütze geben. Das Schütz oder mehrere Schütze können zudem so eingerichtet sein, dass die HV-Nebenverbraucher in Abhängigkeit ihrer Stellung abgekoppelt werden können.
-
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Ladesystem. Das Ladesystem umfasst ein Ladekabel und ein fahrzeuginternes Energieversorgungssystem der zuvor beschriebenen Art. Die zum Energieversorgungssystem genannten Merkmale und Vorteile gelten gleichermaßen für das Ladesystem und umgekehrt.
-
Das Ladekabel kann ein Netzende mit einer Netzschnittstelle und ein Fahrzeugende mit einer Fahrzeugschnittstelle und, insbesondere am Netzende, eine netzseitige Leistungselektronik umfassen. Die Leistungselektronik kann einen Wechselspannungs-Gleichspannungswandler (ACDC) und einen mit dem ACDC elektrisch verbundenen Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC) umfassen, wobei der ACDC mit der Netzschnittstelle und der PFC mit der Fahrzeugschnittstelle elektrisch verbunden sind, und wobei die Fahrzeugschnittstelle mit der Ladeschnittstelle elektrisch verbindbar ist. An dem ACDC kann eingangsseitig eine Netzspannung anliegen.
-
Der PFC kann eingerichtet sein, ausgangsseitig eine Leistungsspannung an die Fahrzeugschnittstelle auszugeben, wobei die Leistungsspannung eine Amplitude von mehr als 400 V Gleichspannung aufweisen kann, insbesondere mehr als 700 V Gleichspannung, weiter insbesondere 850 V Gleichspannung.
-
Der PFC kann eingerichtet sein, um Blindleistungen, die aus Oberschwingungen der Generierung einer Gleichspannung durch den ACDC resultieren können, abzuschwächen oder zu kompensieren. Der PFC kann insbesondere ein aktiver PFC sein.
-
Das so eingerichtete Ladesystem stellt die Möglichkeit bereit, das Energieversorgungssystem und insbesondere den Hochvoltspeicher auch mit externen Netzspannungen zu laden, die Wechselspannungen sind. Diese externen Netzspannungen können unterschiedliche Amplitude aufweisen. Vorteilhafterweise ist der ACDC aber aus dem Fahrzeug entfernt und in ein Ladekabel implementiert. Dadurch kann eine Gewichtsersparnis des Fahrzeugs erzielt werden. Zudem kann das Ladekabel je nach gebietsabhängigem Ladestandard auch ganz entfallen, sofern die Netzspannungen ohnehin Gleichspannungen umfassen. Dadurch, dass nur der ACDC und der PFC aus dem Fahrzeug in das Ladekabel verortet wird und nicht auch der HV-DCDC, kann der im Ladekabel vorhandene Bauraum genutzt werden, um den ACDC größer auszulegen. Durch die Vermeidung des HV-DCDC innerhalb des Ladekabels, kann auch das Kühlkonzept im Ladekabel vorteilhaft vereinfacht werden. Somit kann einerseits die Adaptionsfähigkeit des ACDCs an externe Netzspannungen verbessert werden. Andererseits kann bei gleichem Leitungsquerschnitt des Ladekabels eine höhere Leistung übertragbar sein.
-
Die netzseitige Leistungselektronik kann eingerichtet sein, um einen Wirkungsgrad von zumindest 97,5% zu erreichen, insbesondere von 98%.
-
Im Fall einer als Wechselspannung angebotenen Netzspannung ist der Gesamtwirkungsgrad von ACDC und nachgelagertem HV-ACDC kleiner als jeder der einzelnen Wirkungsgrade. Der Gesamtwirkungsgrad kann in diesem Fall größer als 95% sein, insbesondere 95,5%.
-
Im Fall einer als Gleichspannung angebotenen externen Netzspannung ist der Wirkungsgrad des Ladevorgangs unabhängig vom Wirkungsgrad des ACDC. Dann basiert er allein auf dem Wirkungsgrad des HV-DCDC. Dieser ist gegenüber dem Gesamtwirkungsgrad der Kombination bestehend aus ACDC und HV-DCDC erhöht. Durch die Separierung von ACDC und HV-DCDC kann deshalb insbesondere im Fall einer externen Netz-Gleichspannung ein Effizienzgewinn erzielt werden.
-
Dadurch, dass der HV-DCDC nur dann eingekoppelt sein muss, wenn als Netzspannung eine Wechselspannung bereitgestellt wird, braucht der HV-DCDC bezüglich seiner Stromtragfähigkeit nur auf den ACDC und den Leistungsfaktorkorrekturfilter angepasst zu sein. Denn wenn als Netzspannung eine Gleichspannung angeboten wird, ist der HV-DCDC ausgekoppelt. Seine Stromtragfähigkeit braucht also die durch das Gleichstrom-Laden erforderlichen Anforderungen nicht zu erfüllen. Selbst, wenn die Amplitude der Netzspannung nicht der Nennspannung des Hochvoltspeichers im Fall des Gleichstromladens entspricht, kann vorgesehen sein, den HV-DCDC anhand der Schütze auszukoppeln. Der HV-DCDC kann deshalb bezüglich seiner baulichen Anforderungen reduziert ausgeführt werden.
-
Die Aufgabe wird auch durch ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug gelöst, das ein Energieversorgungssystem nach den zuvor beschriebenen Aspekten umfasst.
-
Das elektrisch angetriebene Fahrzeug kann vorliegend insbesondere Landfahrzeuge umfassen, nämlich unter anderem Elektroroller, E-Scooter, Zweiräder, Motorräder, Dreiräder, Trikes, Quads, Gelände- und Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen und andere Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge (Bahnen), aber auch Wasserfahrzeuge (Boote) und Luftfahrzeuge wie Hubschrauber, Multicopter, Propellerflugzeuge und Strahlflugzeuge, welche zumindest einen dem Vortrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor aufweisen. Fahrzeuge können bemannt oder unbemannt sein. Neben reinen Elektrofahrzeugen (BEV) können auch Hybridelektrofahrzeuge (HEV), Plug-In-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCHV) umfasst sein.
-
Sämtliche vorgenannt beschriebenen Aspekte können miteinander kombiniert werden. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird:
- - 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Energieversorgungssystems,
- - 2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ladesystems mit einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug und einem Ladekabel, und
- - 3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ladesystems mit einem Energieversorgungssystem und einem Ladekabel.
-
1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Energieversorgungssystems 1 für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
-
Das Energieversorgungssystem 1 umfasst zumindest eine Ladeschnittstelle 2, an der eine extern bereitgestellte Leistungsspannung VPOW eingangsseitig anliegen kann. Die Leistungsspannung VPOW kann durch ein externes Ladesystem bereitgestellt werden. Die Ladeschnittstelle 2 ist mit einem Hochvolt-Gleichspannungs-Gleichspannungswandler (HV-DCDC) 3 gekoppelt, der die Leistungsspannung VPOW eingangsseitig empfängt. Der HV-DCDC 3 weist zwischen seinem Eingang 4 und seinem Ausgang 5 eine Isolierung, in Form einer galvanischen Trennung 6 auf. Zur Realisierung der galvanischen Trennung 6 umfasst der HV-DCDC 3 eine Eingangselektronik 10 und eine Ausgangselektronik 11. Die galvanische Trennung 6 kann beispielsweise durch einen Transformator mit Spulen bereitgestellt werden. Andere Realisierungsformen sind ebenfalls möglich. Der Ausgang 5 des HV-DCDC 3 ist mit einem Hochvoltspeicher 9 gekoppelt.
-
Da der HV-DCDC 3 die galvanische Trennung 6 umfasst, werden somit zwei potentialfrei gekoppelte HV-Bordnetze HV-BN1 und HV-BN2 bereitgestellt. Während der Hochvoltspeicher 9 im ersten HV-Bordnetz HV-BN1 integriert ist, sind die Ladeschnittstelle 2, der elektrische Kühlmittelverdichter eKMV und der elektrische Durchlauferhitzer eDH im zweiten HV-Bordnetz HV-BN2 integriert. Der HV-DCDC 3 ist bidirektional. Durch die galvanische Trennung 6 werden für die HV-Bordnetze HV-BN1, HV-BN2 vordefinierte Spannungslagen bereitgestellt. Deshalb brauchen die HV-Nebenverbraucher eKMV und eDH während des Fahrens, wenn sie anhand der durch den Hochvoltspeicher 9 bereitgestellten Spannung betrieben werden, nicht für weite HV-Spannungsbereiche, sondern nur für die für das zweite HV-Bordnetz HV-BN2 spezifizierte Spannungslage ausgelegt sein. Dadurch sind die HV-Nebenverbraucher eKMV und eDH weniger komplex, was eine Kostenreduktion und eine Reduzierung der durch die HV-Nebenverbraucher verursachten Verlustleistungen ermöglicht.
-
Mittels der Schalter S1 und S2 können die HV-Nebenverbraucher eKMV und eDH während des Ladevorgangs optional getrennt werden.
-
Mittels des Schalters S3 kann die Ladeschnittstelle 2 optional während der Fahrsituation getrennt werden.
-
Sicherheitstrennelemente P1, P2, die beispielsweise als Pyro-Switches ausgeführt sind, können vorgesehen sein, um insbesondere die Ladeschnittstelle 2 und den Hochvoltspeicher 9 im Crash-Fall wahlweise von den jeweiligen HV-Bordnetzen HV-BN1, HV-BN2 zu entkoppeln. Somit können Nutzer oder Rettungspersonal vor Verletzungen geschützt werden. Natürlich können weitere Sicherheitstrennelemente vorgesehen sein.
-
Die Sicherheitstrennelemente P1, P2 stellen nur eine mögliche Sicherheitsmaßnahme für den Crash-Fall dar. Eine Entkopplung eines HV-Bornetzes oder bestimmter Komponenten kann im Crash-Fall auch basierend auf der galvanischen Trennung 6 des HV-DCDC 3 reversibel erfolgen. Dies ist von Vorteil gegenüber einer irreversiblen Trennung mittels eines Pyro-Switches P1, P2.
-
Beide Sicherheitsabschaltmechanismen, also die galvanische Trennung 6 und Pyro-Switches P1, P2 können auch kombiniert werden.
-
Natürlich können auch weitere HV-Nebenverbraucher in entsprechender Weise vorgesehen sein.
-
Auch kann ein Hochvolt-Niedervolt-Gleichspannungs-Gleichspannungswandler vorgesehen sein, um ein Niedervolt-Bordnetz mit Spannung zu versorgen.
-
In der Fahrsituation sind der Eingang 4, der Ausgang 5, die Eingangselektronik 10 und die Ausgangselektronik 11 des HV-DCDC 3 bezüglich des Hochvoltspeichers 9 und der HV-Nebenverbraucher eKMV und eDH entsprechend zu interpretieren. Dann wird die Spannung für die HV-Nebenverbraucher eKMV und eDH durch den Hochvoltspeicher 9 bereitgestellt. Da der Hochvoltspeicher 9 im ersten Hochvolt-Bordnetz HV-BN1 angeordnet ist, wird der HV-DCDC 3 dann genutzt, um die Hochvolt-Gleichspannung der Amplitude nach zu wandeln, sodass die gewandelte Hochvolt-Gleichspannung für das zweite Hochvolt-Bordnetz 2 zur Versorgung der HV-Nebenverbraucher eKMV und eDH zur Verfügung steht. In der Fahrsituation ist deshalb der Eingang 5 bzw. die Eingangselektronik 11 des HV-DCDC 3 im ersten Hochvolt-Bordnetz HV-BN1 angeordnet und der Ausgang 4 bzw. die Ausgangselektronik 10 im zweiten Hochvolt-Bordnetz HV-BN2, umgekehrt zur Ladekonfiguration.
-
2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ladesystems 20 mit einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug 21 und einem Ladekabel 22.
-
Das elektrisch angetriebene Fahrzeug 21 umfasst ein Energieversorgungssystem 1 mit der Ladeschnittstelle 2.
-
Das Ladekabel 22 umfasst eine Netzschnittstelle 23, eine Fahrzeugschnittstelle 24 und zumindest einen elektrischen Leiter 25 dazwischen. Die Fahrzeugschnittstelle 24 ist mit der Ladeschnittstelle 2 derart koppelbar, dass der Leiter 25 mit dem Energieversorgungssystem 1 elektrisch leitend verbunden ist.
-
Das Ladekabel 22 umfasst zudem zumindest ein Gehäuse 26, in dem die Netzschnittstelle 23 angeordnet ist. Das Gehäuse 26 umfasst auch eine netzseitige Leistungselektronik 27, die zumindest einen Wechselspannungs-Gleichspannungswandler (ACDC) 28 und einen Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC) 29 umfasst.
-
Der ACDC 28 kann eingerichtet sein, um eingangsseitig an der Netzschnittstelle 23 eine Netzspannung VAC in Form einer Wechselspannung zu empfangen und ausgangsseitig eine Gleichspannung auszugeben. Etwaige durch Oberwellen verursachte Blindleistungen können mittels des PFC 29 verringerbar oder kompensierbar sein. Die dann vom PFC 29 ausgegebene Leistungsspannung VPOW kann eine Gleichspannung mit einer Amplitude von zumindest 700 V oder 800 V sein, insbesondere 850 V.
-
Der ACDC 28 ist hier angedeutet, um für ein-phasiges Laden eingerichtet zu sein. Der ACDC 28 kann natürlich auch für drei-phasiges Laden eingerichtet sein, also für eine drei-phasige Wechselspannung als Netzspannung gegenüber einer ein-phasigen Wechselspannung.
-
Umfasst die extern bereitgestellte Netzspannung eine Gleichspannung, kann das Ladekabel 22 einfach weggelassen werden und die so bereitgestellte Gleichspannung direkt mittels des HV-DCDC 3 entsprechend der Nennspannung des Hochvoltspeichers 9 der Amplitude nach angepasst werden.
-
Der HV-DCDC 3 weist einen Wirkungsgrad von 97,5 % auf. Der ACDC 28 weist einen Wirkungsgrad von 98 % auf. Wird als Netzspannung eine Gleichspannung durch den Ladestandard bereitgestellt, so kann der ACDC 28 entfallen.
-
Der Gesamtwirkungsgrad des Ladeprozesses ist dann durch den Wirkungsgrad des HV-DCDC 3 gegeben, also 97,5 %. Wird als Netzspannung eine Wechselspannung durch den Ladestandard bereitgestellt, so ist der Gesamtwirkungsgrad des Ladeprozesses unter Berücksichtigung des ACDC 28 zu bestimmen, denn dann kann der ACDC 28 nicht entfallen. Der Gesamtwirkungsgrad bestimmt sich in diesem Fall zu 95,5 %. Insbesondere wenn als externe Netzspannungen Gleichspannungen angeboten werden, wird somit ein signifikanter Effizienzgewinn ermöglicht.
-
3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ladesystems 30 mit einem Energieversorgungssystem 1 und einem Ladekabel 22.
-
Das Ladekabel 22 umfasst in bekannter Weise eine Netzschnittstelle 23, eine Leistungselektronik 27 mit einem Gleichrichter 28 und einem Leistungsfaktorkorrekturfilter 29. Zudem umfasst das Ladekabel 22 einen Leiter 25 und eine Fahrzeugschnittstelle 24.
-
Das Energieversorgungssystem 1 umfasst den HV-DCDC 3, einen Hochvoltspeicher 9, einen elektrischen Durchlauferhitzer eDH, einen elektrischen Kühlmittelverdichter eKMV und eine Ladeschnittstelle 2. Die Ladeschnittstelle 2 ist mit der Fahrzeugschnittstelle 24 elektrisch verbunden.
-
Das Ladesystem 30 umfasst zudem eine Schützbaugruppe 35 mit einem 2-poligen Schütz 37. Die Schützbaugruppe 35 kann auch Teil des HV-DCDC 3 sein.
-
Weiterhin sind zusätzliche zwei-polige Schütze 39, 41 vorgesehen. Basierend auf der Stellung der Schütze 37, 39, 41 kann der HV-DCDC 3 während des Ladevorgangs ausgekoppelt werden.
-
Wird beispielsweise als Netzspannung eine Wechselspannung für das Ladekabel 22 bereitgestellt, können das Schütz 37 und das Schütz 41 geschlossen sein und das Schütz 39 offen. Dann ist der HV-DCDC 3 eingekoppelt und kann die vom Leistungsfaktorkorrekturfilter 29 bereitgestellte Leistungsspannung VPOW der Amplitude nach anpassen, um eine Amplitude entsprechend der Nennspannung des Hochvoltspeichers 9 bereitzustellen.
-
Wird hingegen als Netzspannung eine Gleichspannung bereitgestellt, kann das Ladekabel 22 entfallen. Dann kann die Netzspannung direkt an der Ladeschnittstelle 2 bereitgestellt werden. Wenn die Amplitude der Netzspannung der Nennspannung des Hochvoltspeichers 9 entspricht, können das Schütz 37 und das Schütz 41 offen sein und das Schütz 39 geschlossen. Der HV-DCDC 3 ist in diesem Fall ausgekoppelt. Dann kann der Hochvoltspeicher 9 direkt ohne das Ladekabel 22 und auch ohne den HV-DCDC 3 geladen werden.
-
Dadurch, dass der HV-DCDC 3 nur dann eingekoppelt sein muss, wenn als Netzspannung eine Wechselspannung bereitgestellt wird, braucht der HV-DCDC 3 bezüglich seiner Stromtragfähigkeit nur auf den ACDC 28 und den Leistungsfaktorkorrekturfilter 29 angepasst zu sein. Denn, wenn als Netzspannung eine Gleichspannung angeboten wird, ist der HV-DCDC 3 ausgekoppelt. Seine Stromtragfähigkeit braucht also die durch das Gleichstrom-Laden erforderlichen Anforderungen nicht zu erfüllen. Selbst, wenn die Amplitude der Netzspannung nicht der Nennspannung des Hochvoltspeichers 9 im Fall des Gleichstromladens entspricht, kann vorgesehen sein, den HV-DCDC 3 anhand der Schütze 37, 39, 41 auszukoppeln. Der HV-DCDC 3 kann deshalb bezüglich seiner baulichen Anforderungen reduziert ausgeführt werden.
-
In der Fahrsituation sind das Schütz 37 und das Schütz 39 offen und das Schütz 41 geschlossen. Dann ist der HV-DCDC 3 eingekoppelt und kann die vom Hochvoltspeicher 9 bereitgestellte Gleichspannung der Amplitude nach anpassen, um für die HV-Nebenverbraucher eine definierte Spannungslage bereitzustellen.
