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Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb, d.h. sogenannte Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge, verfügen über einen Akkumulator zum Speisen des elektrischen Antriebs des Fahrzeugs. Ferner bestehen weitere elektrische Komponenten wie elektrische Heizelemente oder Elektronik, die mit elektrischer Energie versorgt werden müssen. Ferner besteht bei sogenannten Plug-in-Fahrzeugen die Möglichkeit, über mindestens einen elektrischen Anschluss das Fahrzeug von außen zu laden. Um dies möglichst schnell durchführen zu können, bestehen Ansätze, Akkumulatoren mit hoher Nennspannung von mehr als 400 Volt, etwa in der Höhe von 600 Volt oder insbesondere 800 Volt oder 1000 Volt zu verwenden.
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Andere Komponenten sind für hiervon abweichende Spannungen ausgelegt, beispielsweise für Spannungen von 400 Volt, wobei zudem noch Niedervolt-Komponenten bestehen, die für Nennspannungen von beispielsweise 12 Volt ausgelegt sind. Um die oben genannten Funktionen realisieren zu können, unter Berücksichtigung der genannten Vielzahl von verschiedenen Spannungsniveaus innerhalb desselben Bordnetzes können zahlreiche Gleichspannungswandler und auch weitere Komponenten zur Verknüpfung der Bordnetzabschnitte mit unterschiedlicher Nennspannung verwendet werden. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich die genannten Funktionen und unterschiedlichen Spannungsniveaus im Fahrzeugbordnetz kostenbewusst mit einer geringeren Anzahl von Komponenten darstellen lassen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den Unteransprüchen, der Beschreibung und der 1.
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Es wird vorgeschlagen, eine fahrzeugseitige Hochvolt-Ladeschaltung mit einem Gleichrichter auszuführen, an dem zwei Gleichspannungswandler angeschlossen sind. Über einen Umschalter lassen sich an einen dieser Gleichspannungswandler je nach Modus (bzw. Schalzustand des Umschalters) unterschiedliche Komponenten oder Bordnetzzweige anschließen, die unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen. Ein weiterer Gleichspannungsanschluss ist nicht über den Gleichspannungswandler, sondern direkt an den Gleichrichter angeschlossen, um so eine Möglichkeit des Anschlusses von weiteren Komponenten (mit eigenem Spannungsniveau) zu ermöglichen. Durch den Umschalter können daher verschiedene Komponenten mit elektrischer Energie versorgt werden, ohne dass es eines weiteren Wandlers bedarf. Auch der direkte Anschluss an die Gleichspannungsseite des Gleichrichters ermöglicht die Darstellung eines Gleichspannungsniveaus, wobei gleichzeitig die Wandler durch diese Art der Spannungsversorgung nicht belastet werden und auch andere Spannungen als die Wandlerspannungen zu Versorgung angeboten werden können.
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Es wird daher eine fahrzeugseitige Hochvolt-Ladeschaltung vorgeschlagen, die über einen Wechselspannungsanschluss, mindestens zwei Gleichspannungswandler und einen Gleichrichter verfügt. Die Gleichspannungswandler sind galvanisch trennend und umfassen vorzugsweise einen Transformator, mittels dem die galvanische Trennung durchgeführt wird. Insbesondere sind die Gleichspannungswandler als Aufwärtswandler ausgestaltet. Die Gleichspannungswandler weisen hierbei eine erste Seite auf, die mit dem Gleichrichter (insbesondere dessen Gleichspannungsseite) verbunden ist, und eine zweite Seite, die der ersten Seite bzw. dem Gleichrichter abgewandt ist. Die Gleichspannungswandler sind derart als Aufwärtswandler ausgestaltet, dass eine Spannung an der ersten Seite von den Gleichspannungswandlern übertragen werden kann an die jeweilige zweite Seite, wobei die Spannung an der zweiten Seite größer ist als die an der ersten Seite. Die Gleichspannungswandler sind über den Gleichrichter mit dem Wechselspannungsanschluss verbunden. Hierbei sind insbesondere die ersten Seiten der Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter verbunden.
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Die Ladeschaltung weist ferner einen Umschalter auf sowie einen ersten und einen zweiten Gleichspannungsanschluss. Diese sind mit dem Umschalter verbunden. Der erste und der zweite Gleichspannungsanschluss sind über den Umschalter auswählbar mit dem Gleichspannungswandler verbunden. Der Umschalter verbindet somit wahlweise den ersten Gleichspannungsanschluss mit dem ersten Gleichspannungswandler oder dem zweiten Gleichspannungsanschluss mit dem ersten Gleichspannungswandler. In verschiedenen Modi sind unterschiedliche Gleichspannungsanschlüsse (über den Umschalter) mit dem ersten Gleichspannungswandler verbunden, wobei auch der Gleichspannungswandler bei verschiedenen Modi verschiedene Übersetzungsverhältnisse bzw. verschiedene Spannungen an den jeweiligen Gleichspannungsanschluss (der über den Umschalter an den ersten Gleichspannungswandler angeschlossen ist) abgibt. Über den Umschalter können somit die Gleichspannungsanschlüsse auswählbar mit dem Gleichspannungswandler verbunden werden, wobei sich dies mit verschiedenen Ausgangsspannungen des ersten Gleichspannungswandlers kombinieren lässt, um so an den verschiedenen Gleichspannungsanschlüssen verschiedene Nennspannungen bereithalten zu können. Dies dient zur Versorgung von Komponenten bzw. Bordnetzzweigen, die unterschiedliche Nennspannungen bzw. Betriebsspannungen haben. Dadurch lassen sich Komponenten bzw. Bordnetzzweige verschiedener Nennspannungen bzw. Betriebsspannungen mit verschiedenen Spannungen versorgen, wobei hierbei der erste Gleichspannungswandler für verschiedene Betriebsspannungen bzw. zur Versorgung verschiedener Komponenten oder Bordnetzzweige verwendet werden kann. Es ist auch ein weiterer Modus („Trennmodus“) denkbar, bei dem der Umschalter etwa aus Sicherheitsgründen keinen der beiden Gleichspannungsanschlüsse mit dem ersten Gleichspannungswandler verbindet, entsprechend einer offenen Schaltposition.
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Die Ladeschaltung weist einen dritten Gleichspannungsanschluss auf. Dieser ist mit dem zweiten Gleichspannungswandler verbunden. Hierbei ist die Verbindung vorzugsweise permanent, beispielsweise um einen Bordnetzzweig oder eine Komponente zu versorgen, die dauerhaft, insbesondere aus Sicherheitsgründen versorgt werden muss. Beispielsweise kann mittels des dritten Gleichspannungsanschlusses und des daran angeschlossenen zweiten Gleichspannungswandlers ein Niedervoltbordnetzzweig versorgt werden. Hierbei würde an sich den dritten Gleichspannungsanschluss ein Niederspannungswandler anschließen, der eingerichtet ist, aus der von dem Gleichrichter erzeugten Spannung eine Spannung für den Niedervoltbordnetzzweig zu erzeugen, beispielsweise in der Höhe von ca. 12 V (oder auch 24 V oder 48V).
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Die Ladeschaltung weist vorzugsweise ferner eine Steuerung auf. Diese ist eingerichtet, in einem ersten Modus die Gleichspannungswandler (das heißt den ersten und den zweiten Gleichspannungswandler) gemäß einer ersten Soll-Ausgangsspannung anzusteuern, die minimal 750 Volt (oder minimal 650 V) und maximal 1000 Volt (oder maximal 1200 V) beträgt, beispielsweise ca. 800 Volt. Die Steuerung ist ferner eingerichtet, in einem zweiten Modus die Gleichspannungswandler gemäß einer zweiten Soll-Ausgangsspannung anzusteuern, die ca. die Hälfte (+- 25% oder +10%) hiervon beträgt, beispielsweise maximal 480 Volt oder maximal 450 Volt. Ein an dem dritten Gleichspannungsanschluss angeschlossener Niederspannungswandler ist eingerichtet, sowohl aus dem erstgenannten, höheren Spannungsbereich als auch aus dem zweitgenannten, niedrigeren Spannungsbereich eine Niedervoltspannung zu erzeugen, beispielsweise ca. 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt.
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Die erste Soll-Ausgangsspannung beträgt minimal 750 Volt (oder minimal 560 V). Die erste Soll-Ausgangspannung kann ferner maximal 1000 Volt oder auch maximal 1100 Volt oder 1200 V betragen, um beispielsweise einen Akkumulator oder einen Hochvolt-Bordnetzzweig zu versorgen, d.h. allgemein eine Komponente, die zumindest in einem Zustand eine hohe Spannung von mindestens 750 Volt erfordert, d.h. deren Betriebsspannungsbereich einen Abschnitt aufweist, der minimal 750 Volt beträgt. Die betreffende Komponente ist ausgelegt, in zumindest einem Zustand mit einer Betriebsspannung von minimal 750 Volt (oder 650 V) zu arbeiten. Dies ist insbesondere der Fall bei einem Akkumulator mit einer Nennspannung von 800 Volt, etwa um diesen vollständig aufzuladen und den maximalen Ladezustand zu erreichen. In dem ersten Modus verbindet der Umschalter den ersten Gleichspannungswandler mit dem ersten Gleichspannungsansch luss.
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In dem zweiten Modus hat der Umschalter vorzugsweise einen anderen Schaltzustand als im ersten Modus. Dadurch kann die geringere Spannung, die maximal 480 Volt oder maximal 450 Volt beträgt, dem zweiten Gleichspannungsanschluss über den Umschalter zugeführt werden, sodass an dem zweiten Gleichspannungsanschluss eine Komponente oder ein Bordnetzzweig vorgesehen sein kann, der mit maximal 480 Volt oder maximal 450 Volt versorgt werden kann (d.h. ausgelegt für eine Maximal-Betriebsspannung = 480 Volt oder 450 Volt), der jedoch nicht zum Betrieb mit 650 Volt oder 750 Volt oder mehr ausgebildet ist. Dies ist beispielsweise der Fall für elektrische Heizelemente, die etwa eine Nennspannung von 400 Volt aufweisen, die jedoch auch zerstörungsfrei mit einer Spannung von 450 oder 480 Volt betrieben werden können, das heißt Komponenten, deren maximal zulässige Betriebsspannung 10%, 15% oder 20% über der Nenn-Betriebsspannung liegt. Bei Heizelementen ist dies möglich, da aufgrund ihrer thermischen Trägheit eine kurzzeitig höhere Leistung akzeptabel ist. Auch ein elektrisch betriebener Klimakompressor kommt hierbei in Frage. In dem zweiten Modus verbindet der Umschalter den zweiten Gleichspannungsanschluss mit dem ersten Gleichspannungswandler.
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Vorzugsweise umfasst die Ladeschaltung auch eine Konfigurationsschaltung. Die Gleichspannungswandler sind über diese Konfigurationsschaltung mit dem Gleichrichter verbunden. Die Konfigurationsschaltung ist eingerichtet, die Gleichspannungswandler parallel (in einer ersten Konfiguration) oder seriell (in einer zweiten Konfiguration) miteinander und derart auch mit dem Gleichrichter zu verbinden. Die Konfigurationsschaltung ist somit eingerichtet, in einer ersten Konfiguration die dem Gleichrichter zugewandten Seiten der Gleichspannungswandler (= deren erste Seiten) parallel miteinander zu verbinden und die Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter parallel zu verbinden. Die Konfigurationsschaltung ist ferner eingerichtet, in einer zweiten Konfiguration die dem Gleichrichter zugewandten Seiten der Gleichspannungswandler (= erste Seiten) seriell miteinander zu verbinden. Diese sich ergebene Seriellschaltung wird mit dem Gleichrichter verbunden, wobei insbesondere die Enden der sich ergebenden Seriellschaltung parallel an dem Gleichrichter angeschlossen werden. Die Gleichspannungswandler werden somit in dieser Seriellkonfiguration mit dem Gleichrichter verbunden, wenn die zweite Konfiguration von der Konfigurationsschaltung vorgesehen ist. Es kann vorgesehen sein, dass die Parallelkonfiguration eingestellt wird (insbesondere von der Steuerung), wenn die Gleichspannungsseite des Gleichrichters eine Spannung unter einer vorgegebenen Grenze abgibt, und die Seriellkonfiguration eingestellt wird, wenn der Gleichrichter eine Gleichspannung abgibt, die größer als diese Grenze ist. Im erstgenannten Fall kann beispielsweise durch einphasiges Laden über den Gleichrichter eine vergleichsweise geringe Spannung erzeugt werden, die unter einer Maximaleingangsspannung der Gleichrichter liegt. Bei dreiphasigem Laden ergibt sich eine höhere Spannung an der Gleichspannungsseiet des Gleichrichters, sodass dann eine Seriellkonfiguration eingestellt werden kann, wobei die ersten Seiten der Gleichspannungswandler sowie ggf. daran angeschlossene Zwischenkreiskondensatoren dann jeweils nur die Hälfte der von dem Gleichrichter abgegebenen Spannung erhält. Diese liegt dann durch die Halbierung der Spannung (aufgrund der Seriellschaltung) unter der Maximaleingangsspannung der Gleichrichter. Die Maximaleingangsspannung der Gleichrichter bezieht sich auf die jeweilige erste Seite, das heißt die Seite, die mit dem Gleichrichter verbunden ist.
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Die Konfigurationsschaltung kann zwei Schalter umfassen, die jeweils ein Potential der ersten Seite der Wandler miteinander verbindet, um so eine Parallelschaltung (für beide Potentiale) vorzusehen. Zudem kann die Konfigurationsschaltung einen weiteren Schalter oder eine Diode oder eine Diodenschaltung aufweisen, mittels der die Potentiale der ersten Seiten der Gleichspannungswandler seriell miteinander verbunden werden, insbesondere wenn die zur Parallelschaltung vorgesehenen Schalter offen sind. Eine Diodenschaltung kann zwei seriell geschaltete Dioden aufweisen, deren Verbindungspunkt vorzugsweise mit einem Neutrallleiteranschluss des Wechselspannungsanschlusses verbunden ist.
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Bei der Umschaltung von serieller auf paralleler Konfiguration können parasitäre Kapazitäten und/oder Zwischenkreiskondensatoren auf die Spannung vorgeladen werden, die sich bei geänderter Konfiguration ergibt, insbesondere bevor die Konfiguration mittels der Schalter eingestellt wird. Die entsprechende Vorladung bzw. Entladung verringert signifikant einen Ladungsausgleich („inrush-current“), der sich durch die geänderte Spannung aufgrund der geänderten Konfiguration ergibt. Hierzu sind verschiedene Möglichkeiten der Vorladung oder Entladung denkbar. Die Steuerung kann eingerichtet sein, einen Niederspannungswandler, der über einen der Gleichspannungswandler (insbesondere der zweite) mit dem Gleichrichter verbunden ist, bei einer Änderung zwischen den zwei Konfigurationen anzusteuern, Kapazitäten umzuladen, die an den Gleichspannungswandler angeschlossen sind bzw. an der ersten oder zweiten Seite der Gleichspannungswandler vorhanden sind. Dies können Kapazitäten (Zwischenkreiskondensatoren und/oder parasitäre Kapazitäten) sein an der ersten Seite (oder zweiten Seite) der Gleichspannungswandler oder an der Gleichspannungsseite des Gleichrichters. Insbesondere können dies Kapazitäten sein, die auf der Seite des Gleichrichters oder auf der Seite des Gleichspannungswandlers, von der Konfigurationsschaltung aus gesehen, liegen. Insbesondere betrifft dies eine Zwischenkreiskapazität an der Gleichspannungsseite des Gleichrichters, das heißt eine Zwischenkreiskapazität zwischen dem Gleichrichter und der Konfigurationsschaltung. Eine entsprechende Umladung wird vorzugsweise immer dann ausgeführt, wenn sich der Ladezustand wechselspannungsseitig ändert, das heißt wenn zwischen den folgenden Zuständen ein Zustandsübergang durchgeführt wird: einphasiges Laden, mehrphasiges Laden und kein Laden, insbesondere bei Übergängen zwischen den Zuständen: einphasiges Laden oder mehrphasiges Laden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung eingerichtet sein, eine Ladungsübertragungschaltung zwischen Kondensatoren beiderseits der Gleichspannungswandler zur Übertragung von Ladung anzusteuern bzw. zu aktivieren. Eine entsprechende Ladungsübertragungsschaltung kann passiv sein und beispielsweise einen Schalter und einen Widerstand umfassen, oder kann aktiv sein im Sinne eines (vorzugsweise bidirektionalen) Wandlers zum Ladungsausgleich zwischen Kondensatoren beiderseits der Konfigurationsschaltung oder zwischen Kondensatoren unterschiedlicher Gleichspannungswandler. Ferner kann die Steuerung eingerichtet sein, eine Entladungsschaltung an Kondensatoren zu aktivieren, wobei dies Kondensatoren betrifft, die an den Gleichspannungswandlern angeschlossen sind. Insbesondere kann eine wie oben erwähnte Ladungsübertragungsschaltung vorgesehen sein, die zwischen Kondensatoren beiderseits der Gleichspannungswandler vorliegen. Es kann auch eine Ladungsübertragungschaltung vorgesehen sein, die eingerichtet ist zur passiven oder aktiven Vorladung oder Entladung eines Kondensators, der an die Gleichspannungsseite des Gleichrichters angeschlossen ist.
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Die Gleichspannungswandler können gleich ausgebildet sein. Hierbei sind die Gleichspannungswandler insbesondere mit der gleichen Nennleistung ausgebildet, vorzugsweise auch mit gleichen Bauelemente, die auch die gleiche Auslegung aufweisen. Insbesondere haben die Gleichspannungswandler den gleichen Eingangsspannungsbereich und den gleichen Ausgangsspannungsbereich sowie Transistoren mit demselben Übersetzungsverhältnis. Zudem können die Gleichspannungswandler den gleichen Nennstrom oder Maximalstrom aufweisen.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass zumindest der mit dem Umschalter verbundene Gleichspannungswandler, das heißt der erste Gleichspannungswandler, bidirektional ausgestaltet ist. Die Steuerung kann eingerichtet sein, denn mit dem Umschalter verbundenen Gleichspannungswandler in dem ersten Modus anzusteuern, eine Spannung an der Seite dieses Gleichspannungswandlers zu erzeugen, die mit dem Gleichrichter verbunden ist.
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Es kann ein Nebenverbraucheranschluss an derjenigen Seite des Gleichrichters vorgesehen sein, die mit dem Gleichspannungswandler verbunden ist, das heißt an der Gleichspannungsseite des Gleichrichters. Dadurch kann an dem Nebenverbraucheranschluss die Spannung abgegriffen werden, die über die Konfigurationsschaltung auch (vollständig oder teilweise) an den ersten Seiten der Gleichspannungswandler anliegt. Die Steuerung kann eingerichtet sein, einen der Gleichspannungswandler (insbesondere den ersten) anzusteuern, eine Spannung an der zweiten Seite in eine Spannung an der ersten Seite zu wandeln, die dann (direkt oder über die Konfigurationsschaltung) dem Nebenverbraucheranschluss zugeführt wird. Ist beispielsweise ein Akkumulator an einer dem Gleichrichter abgewandten Seite eines Gleichspannungswandlers angeschlossen, dann kann dieser über den betreffenden Gleichspannungswandler und ggf. über den Umschalter Energie abgeben an den Nebenverbraucheranschluss, das heißt an die Gleichspannungsseite des Gleichrichters. Dies gilt insbesondere für den ersten Gleichspannungswandler. Ein weiterer Aspekt ist es, dass auch der Gleichrichter bidirektional ausgebildet sein kann und eingerichtet sein kann, eine Gleichspannung, die an der Gleichspannungsseite des Gleichrichters anliegt, in eine Wechselspannung zur Rückspeisung über den Wechselspannungsanschluss zu erzeugen. Hierbei kann elektrische Energie über den ersten Gleichspannungsanschluss, den zweiten Gleichspannungsanschluss oder den Nebenverbraucheranschluss eingespeist werden; die Steuerung ist zur Steuerung der betreffenden Energieübertragung eingerichtet.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der erste Gleichspannungsanschluss an einem Akkumulator angeschlossen ist, wobei der daran angeschlossene erste Gleichspannungswandler eingerichtet sein kann, die Spannung von der zweiten Seite des Wandlers in eine Spannung auf der ersten Seite (mit dem Gleichrichter verbunden) des Wandlers zu wandeln, um so über den Nebenverbraucheranschluss mindestens einen Nebenverbraucher speisen zu können. Über den zweiten Gleichspannungswandler kann ein Niederspannungsbordnetzzweig über ein Niederspannungswandler angeschlossen sein. Die Steuerung kann ausgebildet sein, diesen anzusteuern, elektrische Energie von dem Niederspannungsbordnetzzweig an dem Nebenverbraucheranschluss, die erste Seite des zweiten Gleichspannungswandlers oder die Gleichspannungsseite des Gleichrichters zu übertragen, um dort vorhandene Kapazitäten (Zwischenkreiskondensatoren und/oder parasitäre Kapazitäten) bei einer anstehenden Konfigurationsänderung auf die zu erwartende, neue Spannung umzuladen, insbesondere bevor die Konfigurationsschaltung ihren Zustand ändert (gesteuert von der Steuerung). An den zweiten Gleichspannungsanschluss kann eine Komponente oder ein Bordnetzzweig angeschlossen werden, wobei diese Komponente vorzugsweise kein Akkumulator ist und der angeschlossene Bordnetzzweig keinen Akkumulator aufweist, insbesondere ein elektrisches Heizelement oder ein elektrisch betriebener Klimakompressor.
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Die zweiten Seiten der Gleichspannungswandler, das heißt die dem Gleichrichter abgewandten Seiten, können dauerhaft oder über ein Schaltelement parallel miteinander verbunden sein. Hierbei ist jeweils ein Potential eines Gleichspannungswandlers mit dem anderen Potential schaltbar verbunden; das Schaltelement kann somit zweipolig ausgestaltet sind. Der Umschalter kann kombiniert werden mit einem derartigen Schaltelement. Weiterhin ist es möglich, dass der Umschalter nicht zwischen der zweiten Seite des ersten Gleichspannungswandlers und den beiden Gleichspannungsanschlüssen vorgesehen ist, sondern sowohl zwischen den zweiten Seiten der Gleichspannungswandler einerseits als auch zwischen den Gleichspannungsanschlüssen und beiden zweiten Seiten der Gleichspannungswandler. Anstatt oder in Kombination mit dem Umschalter, der die Gleichspannungsanschlüsse auswählbar mit der zweiten Seite des ersten Gleichspannungswandlers verbindet, kann eine Umschaltervorrichtung vorgesehen sein, die die Verbindungen zur Parallelschaltung der zweiten Seiten der Gleichspannungswandler auswählbar mit dem ersten und dem zweiten Gleichspannungsanschluss verbindet. Es kann vorgesehen sein, dass diese Umschaltervorrichtung ferner die Funktion oder ein Schaltelement aufweist, das es ermöglicht, die Parallelschaltung zwischen den zweiten Seiten der Gleichspannungswandler gezielt zu öffnen oder herzustellen. Es kann daher zusätzlich oder zu dem Umschalter oder anstatt des Umschalters eine Umschaltervorrichtung vorgesehen sein, die die Seite des ersten Gleichspannungswandlers, welche dem Gleichrichter abgewandt ist, schaltbar mit der Seite des zweiten Gleichspannungswandlers verbindet, die dem Gleichrichter abgewandt ist, und die alternativ oder zusätzlich auswählbar diese dem Gleichrichter abgewandte Seite des ersten Gleichspannungswandlers mit dem ersten oder dem zweiten Gleichspannungsanschluss verbindet. Bei geöffneter Parallelschaltung der zweiten Seiten der Gleichspannungswandler können die Gleichspannungswandler von der Steuerung mit unterschiedlichen Betriebsmodi (gleichzeitig) angesteuert werden. Dies betrifft insbesondere Betriebsmodi mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen oder Wandlerleistungen oder Tastverhältnissen zur Taktung innerhalb der Gleichspannungswandler. Auch die Umschaltervorrichtung ist zweipolig ausgestaltet. Die dem Gleichrichter abgewandte Seite des ersten bzw. zweiten Gleichspannungswandlers wird auch als zweite Seite des betreffenden Gleichspanungswandlers bezeichnet. Die entgegengesetzte Seite des Gleichspannungswandlers, das heißt die Seite, die dem Gleichrichter zugewandt ist, wird als erste Seite des betreffenden Gleichspannungswandlers bezeichnet.
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Der Umschalter und/oder die Umschaltervorrichtung kann als Schaltelement elektromechanische Schaltelemente umfassen, vorzugsweise werden jedoch Halbleiter-Schaltelemente zur Darstellung des Umschalters bzw. der Umschaltervorrichtung verwendet. Es ist auch denkbar, dass sowohl elektromechanische Schaltelemente als auch Halbleiter-Schaltelemente verwendet werden, wobei dies insbesondere für die Umschaltervorrichtung gilt, wobei dann vorzugsweise die Parallelverbindung zwischen den zweiten Seiten der Gleichspannungswandler mittels elektromechanischer Schaltelemente geschaltet wird, und die wählbare Verbindung zwischen dem (ersten) Gleichspannungswandler und den Gleichspannungsanschlüssen mittels Halbleiterschaltelementen schaltbar dargestellt ist. Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise Transistoren, insbesondere MOSFETs oder IGBTs. Die Transistoren können einzeln als Schaltelemente des Umschalters oder der Umschaltervorrichtung verwendet werden, oder können beispielsweise als Paar antiseriell geschalteter Transistoren vorgesehen werden, insbesondere wenn Transistoren mit Body-Dioden verwendet werden. Der Umschalter bzw. die Umschaltervorrichtung verbindet im ersten Modus den ersten Gleichspannungsanschluss mit dem ersten Gleichspannungswandler und im zweiten Modus den zweiten Gleichspannungsanschluss mit dem ersten Gleichspannungswandler. Die Steuerung ist eingerichtet, den Umschalter bzw. die Umschaltervorrichtung entsprechend anzusteuern.
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Ferner wird ein Fahrzeugbordnetz mit einer Ladeschaltung beschrieben, wie sie hierin dargestellt ist. An den ersten Gleichspannungsanschluss ist hierbei ein Akkumulator des Fahrzeugbordnetzes angeschlossen. Der Akkumulator ist insbesondere ein Traktionsakkumulator, der als Hochvolt-Komponente ausgebildet ist. Der Akkumulator kann ein Lithium-Akkumulator sein. Der Akkumulator kann eine Norm-Betriebsspannung (Nennspannung) von mindestens 750 Volt oder mindestes 950 Volt aufweisen, insbesondere in Höhe von ca. 800 Volt. An dem zweiten Gleichspannungsanschluss kann ein Verbraucher des Fahrzeugbordnetzes vorgesehen sein. Dieser Verbraucher weist eine andere Norm-Betriebsspannung (Nennspannung) als der Akkumulator auf, nämlich insbesondere im Wesentlichen die Hälfte (+25% oder +-10%) hiervon. Die Norm-Betriebsspannung (Nennspannung) des Verbrauchers, der am zweiten Gleichspannungsanschluss angeschlossen ist, beträgt im Wesentlichen 400 oder 420 Volt, beispielsweise mindestens 350 Volt und insbesondere nicht mehr als 500 oder 600 Volt. Es können hierbei als Verbraucher übliche 400 Volt-Komponenten eingesetzt werden. Zudem ist die Maximal-Betriebsspannung (durch Auslegung festgelegte Maximalspannung) des Verbrauchers (auch nur temporär) vorzugsweise mehr als 400 Volt, beispielsweise ca. 420, 440 oder insbesondere 450 Volt. Dies ist insbesondere der Fall bei elektrischen Heizelementen, da deren thermische Trägheit eine kurzzeitige höhere Spannung bzw. höhere Leistung erlaubt, ohne dass Schäden am Verbraucher entstehen. Es können als Verbraucher, der am zweiten Gleichspannungsanschluss angeschlossen ist, auch elektrische Klimakompressoren verwendet werden, oder Ähnliches.
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Der an den ersten Gleichspannungsanschluss angeschlossene Akkumulator kann allgemein eine erste Komponente sein, insbesondere ein erster Verbraucher. Der Akkumulator stellt beispielsweise beim Ladevorgang einen Verbraucher da. Der am zweiten Gleichspannungsanschluss angeschlossene Verbraucher kann insbesondere allgemein eine zweite Komponente bzw. ein zweiter Verbraucher sein. Dieser Verbraucher kann auch als 400 Volt-Verbraucher oder 400 Volt-Komponente bezeichnet werden. Der ersten Gleichspannungsanschluss kann (über Schalter) mit dem Nebenverbraucheranschluss verbunden sein. Ein Akkumulator kann (über Schalter) mit dem Nebenverbraucheranschluss sowie (über weitere Schalter) mit dem ersten Gleichspannungsanschluss verbunden sein. Die Nennspannung des Akkumulators kann im Wesentlichen der Spannung am ersten Gleichspannungsanschluss entsprechen, insbesondere im ersten Modus; in ersten Modus kann die Spannung am Gleichspannungsanschluss über den ersten Gleichspannungswandler an eine Soll- Ladespannung des Akkumulators angepasst werden. Liegt die Klemmenspannung des Akkumulators über eine Grenze, so kann dieser mit dem Nebenverbraucheranschluss verbunden sein, und insbesondere mit dem ersten Gleichspannungsanschluss. Liegt die Klemmenspannung des Akkumulators nicht über der Grenze, so kann dieser mit dem ersten Gleichspannungsanschluss verbunden sein, und insbesondere nicht mit dem Nebenverbraucheranschluss. Es können Schalter zur entsprechenden Umschaltung vorgesehen sein, die von der Steuerung entsprechend angesteuert werden. Die Steuerung ist für das Steuern dieser Verbindungen ausgestaltet.
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Die am dritten Gleichspannungsanschluss angeschlossene Komponente kann als dritte Komponente bezeichnet werden. Hierbei wird insbesondere ein Bordnetzzweig (als vierte Komponente) an den dritten Gleichspannungsanschluss angeschlossen. Der Bordnetzzweig bzw. die dritte Komponente ist auch Teil des Fahrzeugbordnetzes. Die Norm-Betriebsspannung des Bordnetzzweigs bzw. der dritten Komponente beträgt mindestens 750 Volt oder mindestens 950 Volt, insbesondere ungefähr das Doppelte der Norm-Betriebsspannung des zweiten Verbrauchers. Die Norm-Betriebsspannung der an den dritten Gleichspannungsanschluss angeschlossen Komponente (Bordnetzzweig), kann im Wesentlichen der Norm-Betriebsspannung der ersten Komponente (des Akkumulators am ersten Gleichspannungsanschluss) entsprechen. Es sind jedoch unterschiedliche Betriebsspannungen mit Abweichung von maximal +/- 10% oder maximal +/- 25% möglich. Mit Norm-Betriebsspannung wird die Spannung bezeichnet, die der Auslegung der betreffenden Komponente zugrunde liegt und kann auch als Nennspannung bezeichnet werden. Die Komponente am zweiten Gleichspannungsanschluss kann eine Nennspannung von 400 Volt oder 420 Volt aufweisen, ist jedoch vorzugsweise für eine Maximal-Betriebsspannung ausgelegt, die höher liegt, beispielsweise um mindestens 10% oder mindestens 20%, sodass die Komponente ausgebildet ist für einen (kurzzeitigen) Betrieb bei einer höheren Spannung von ca. 440 Volt oder 450 Volt.
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Der an dem zweiten Gleichspannungsanschluss angeschlossene Verbraucher, das heißt die zweite Komponente, ist vorzugsweise ein elektrisches Heizelement. Insbesondere ist dies ein elektrisches Heizelement einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (etwa eines elektrisch beheizten Katalysators), eines Kühlkreislaufs einer Leistungselektronik, etwa eines Antriebs, ein Heizelement eines Kühlkreislaufs einer Innenraumheizung oder einer Scheibenheizung. Der an den dritten Gleichspannungsanschluss angeschlossene Bordnetzzweig, das heißt die dritte Komponente, kann einen Niedervolt-Spannungswandler aufweisen, insbesondere mit nachgeschalteten Niedervolt-Komponenten. Diese sind insbesondere für eine Nennspannung von 12 Volt (oder auch von 24 oder 48 Volt) ausgebildet. Dadurch kann der an dem dritten Gleichspannungsanschluss angeschlossene Bordnetzzweig ein 12 Volt-Fahrzeugbordnetz sein mit den bekannten 12 Volt-Elektronikkomponenten wie Entertainmentsystem und Bordcomputer, oder auch sicherheitsrelevante Elektronik wie Antiblockiersystem, Fahrassistenzsysteme, Beleuchtung und Ähnliches.
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Ein Aspekt ist es, dass mittels der Ladeschaltung bzw. mittels des Fahrzeugbordnetzes die erste und die zweite Komponente, das heißt beispielsweise ein Akkumulator (insbesondere als Verbraucher im Lademodus des Akkumulators) am ersten Gleichspannungsanschluss und ein weiterer Verbraucher, etwa ein Heizelement, am zweiten Gleichspannungsanschluss mittels der Umschalter gleichzeitig betrieben werden können. Hierbei wird abwechselnd durch den Umschalter der erste und der zweite Gleichspannungsanschluss an den Gleichspannungswandler angebunden und von diesem versorgt, wobei die jeweilige Dauer und Wiederholrate des Anschließens des entsprechenden Gleichspannungsanschlusses die effektive Leistung für die angeschlossene Komponente definiert. Hierbei kann somit der Umschalter gemäß einer Soll-Ladeleistung für den Akkumulator sowie gemäß einer Soll-Leistung für den zweiten Verbraucher betrieben werden. Der Umschalter kann insbesondere wiederholt, vorzugsweise periodisch, umgeschaltet werden, wobei das Tastverhältnis die von den jeweiligen Gleichspannungsanschlüssen abgegebene Leistung definiert. Die Steuerung kann hierbei eingerichtet sein, eine Gewichtung der Soll-Ladeleistung für den Akkumulator und eine Gewichtung der Soll-Leistung für den zweiten Verbraucher gemäß einer Prioritätsvorgabe einzustellen. Diese kann angeben, ob ein Fehler zwischen Soll-Ladeleistung und Ist-Ladeleistung des Akkumulators zu minimieren ist, oder die Differenz zwischen der Soll-Leistung und einer Ist-Leistung des zweiten Verbrauchers zu minimieren ist. Es können jedoch auch Ziele vorgegeben werden, die beide Komponenten und somit beide Leistungen betreffen, etwa eine vorgegebene Maximalabweichung zwischen Soll- und Ist-Ladeleistung und/oder eine Maximalabweichung zwischen Soll- und Ist-Leistung. Zudem kann die Prioritätsvorgabe zeitlich gesteuert sein, etwa mit verschiedenen Zeitpunkten, zu denen zum einen der Akkumulator vorgeladen sein muss und zum anderen der zweite Verbraucher eine bestimmte Energiemenge (Wärmemenge) erbracht haben muss. So kann beispielsweise, wenn ein Abfahrtsdatum gewählt ist, der Akkumulator bereits eine Stunde vor diesem Datum vollgeladen sein, wohingegen dann, je näher der Abfahrtszeitpunkt rückt, die Priorität in Richtung zweiten Verbraucher, das heißt in Richtung elektrischer Heizung verschoben wird und zu Lasten der Ladeleistung der Großteil der Leistung an den zweiten Verbraucher abgegeben wird. Die Steuerung kann zudem eingerichtet sein, ein Tastverhältnis, gemäß dem der Umschalter umgeschaltet wird, abhängig von zumindest einem der Gewichtungen einzustellen. Der Umschalter definiert, welchen Anteil an der Gesamtleistung an den ersten Gleichspannungsanschluss abgegeben wird, und welchen Anteil (komplementär hierzu) die über den zweiten Gleichspannungsanschluss übertragene Leistung hat. Wie erwähnt kann das Tastverhältnis variabel sein, etwa um zeitlich unterschiedliche Prioritäten zu ermöglichen, wobei jedoch auch Betriebszustände der ersten und zweiten Komponente Einfluss auf die Prioritätsvorgabe haben können. So kann beispielsweise bei einem Ladezustand unterhalb einer Minimalgrenze die Priorität von dem zweiten Verbraucher, das heißt von dem Heizelement, auf die Ladung des Akkumulators verschoben werden.
- Die 1 dient zur Erläuterung des hier beschriebenen Fahrzeugbordnetzes und der fahrzeugseitigen Ladeschaltung.
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Die 1 zeigt eine Ladeschaltung mit angeschlossenen Komponenten K1, K2, K3, wobei diese über einen Wechselspannungsanschluss mit einer externen Wechselspannungsquelle verbindbar ist. Der Wechselspannungsanschluss kann beispielsweise als standardisierte Ladebuchse ausgebildet sein. Die daran angeschlossene Ladeschaltung weist einen Gleichrichter auf, dessen Wechselspannungsseite mit dem Wechselspannungsanschluss verbunden ist. Die Gleichspannungsseite ist über eine Konfigurationsschaltung KS mit zwei Gleichspannungswandlern W1, W2 verbunden. Der Gleichrichter ist über die Konfigurationsschaltung KS mit den zwei Gleichspannungswandlern W1, W2 verbunden.
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Die Konfigurationsschaltung weist zwei Schalter auf, die in geschlossenem Zustand die beiden ersten Seiten der Gleichspannungswandler W1, W2, das heißt die dem Gleichrichter G zugewandten Seiten, parallel miteinander verbinden. Ferner ist eine Diodenschaltung aus zwei seriellen Dioden D Teil der Konfigurationsschaltung, wobei die Dioden es ermöglichen, bei offenen Schaltern die ersten Seiten der Gleichspannungswandler W1, W2 miteinander in Serie zu schalten. An die erste Seite des ersten Gleichspannungswandlers W1 ist ein erster Kondensator C1 angeschlossen. An die erste Seite des zweiten Gleichspannungswandlers W2 ist ein zweiter Kondensator C2 angeschlossen. Diese Kondensatoren dienen zur Glättung der Spannung an den ersten Seiten der Gleichspannungswandler W1, W2.
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Die Gleichspannungswandler W1, W2 weisen ferner zweite Seiten auf, die von dem Gleichrichter G abgewandt sind. An diesen zweiten Seiten sind weitere Kondensatoren C1, C2 angeschlossen, um die Spannung auf den zweiten Seiten der Gleichspannungswandler zu glätten. Diese Kondensatoren können auch als Zwischenkreiskondensatoren bezeichnet werden. Gleiches gilt auch für die Kondensatoren C1, C2. An die zweite Seite des ersten Gleichspannungswandlers W1 ist ein Umschalter US angeschlossen, über den auswählbar ein erster Gleichspannungsanschluss A1 angeschlossen werden kann, oder ein zweiter Gleichspannungsanschluss A2. An die zweite Seite des zweiten Gleichspannungswandlers W2 ist ein dritter Gleichspannungsanschluss A3 angeschlossen.
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Ein Nebenverbraucheranschluss ist direkt an die Gleichspannungsseite des Gleichrichters angeschlossen.
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Eine erste Komponente K1 ist an den ersten Gleichspannungsanschluss A1 angeschlossen. Die erste Komponente K1 kann ein Akkumulator sein, beispielsweise ein Hochvoltakkumulator, insbesondere ein Akkumulator mit einer Nennspannung von ca. 800 Volt oder 850 Volt. Eine zweite Komponente K2 ist an dem zweiten Anschluss A2 angeschlossen. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine 400 Volt-Komponente, die für eine Maximal-Betriebsspannung von 450 Volt (auch nur temporär) ausgebildet ist. Es kann sich hierbei um ein Heizelement handeln, oder auch um einen elektrischen Klimakompressor. Die Komponente K1 weist allgemein eine höhere Nennspannung auf als die Komponente K2, insbesondere eine Nennspannung, die ungefähr doppelt so groß ist, oder auch nur 180% oder 190% der Nennspannung der zweiten Komponente K2 entspricht.
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Der Umschalter ist zweipolig ausgestaltet und sieht eine wählbare Verbindung beider Potentiale des ersten Gleichspannungsanschlusses oder beider Potentiale des zweiten Gleichspannungsanschlusses A2 vor. Der Umschalter kann ferner einen dritten Schaltzustand bzw. Modus aufweisen, indem weder der erste Gleichspannungsanschluss noch der zweite Gleichspannungsanschluss mit dem ersten Gleichspannungswandler W1 verbunden ist.
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Eine dritte Komponente K3 ist an den dritten Gleichspannungsanschluss angeschlossen. Dies ist insbesondere ein Niedervolt-Spannungswandler, beispielsweise ein Wandler, auf dessen zweiter Seite (von dem zweiten Gleichspannungswandler abgewandt) eine Nennspannung von 12 Volt vorgesehen ist (oder auch von 24 Volt oder 48 Volt). Der Niedervolt-Gleichspannungswandler kann eine erste Seite aufweisen, die dem zweiten Gleichspannungswandler W2 zugewandt ist und die für eine Nennspannung von mindestens 800 Volt oder 950 Volt vorgesehen ist. Es kann ein Niedervolt-Bordnetzzweig vorgesehen sein, der über einen derartigen Niedervolt-Gleichspannungswandler verfügt, der direkt an den dritten Gleichspannungsanschluss A3 angeschlossen ist. Die Komponente K3 kann somit Platzhalter für einen Niedervolt-Bordnetzzweig sein. Während in diesem Niedervolt-Bordnetzzweig Komponenten sind, für die ein Niederspannungswandler vorgesehen ist, um eine passende Betriebsspannung gemäß der Nennspannung der Komponenten vorzusehen, ist die Komponente K1 auch für (kurzzeitige) Betriebsspannungen oberhalb der betreffenden Nennspannung ausgebildet. Vorzugsweise ist ein Akkumulator, insbesondere ein 800 Volt-Akkumulator, an den ersten Gleichspannungsanschluss angeschlossen. An den zweiten Gleichspannungsanschluss kann eine Komponenten angeschlossen sein, die für eine Betriebsspannung von ca. 400 V ausgebildet ist, und die für eine maximale Betriebsspannung von ca. 420 V oder 450 V ausgebildet ist, etwa ein Heizelement. Ein Akkumulator würde beim Betrieb mit einer Spannung über der Nennspannung gegebenenfalls Schaden nehmen, so dass an dem zweiten Gleichspannungsanschluss vorzugsweise kein Akkumulator angeschlossen ist.
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Der erste Gleichrichter ist für eine Abgabe von Spannung an der Seite des Umschalters in der Höhe von 800 V (als oberer Spannungsbereich) und auch in der Höhe von 450 V (als unterer Spannungsbereich) ausgebildet.
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An dem Nebenverbraucheranschluss können sich (vorzugsweise über eine Trennschaltervorrichtung) ein elektrischer Antrieb anschließen, insbesondere ein Inverter eines elektrischen Antriebs und ggf. eine daran angeschlossene elektrische Maschine, 800 Volt-Komponenten wie hierzu ausgelegte Heizelemente oder Klimakompressoren und/oder auch ein Hochvoltakkumulator mit einer Nennspannung von 800 Volt. Hierbei kann es sich um denselben Akkumulator handeln, der auch (über Trennschalter) mit dem ersten Gleichspannungsanschluss verbunden ist. Zudem kann an dem Nebenverbraucheranschluss (ggf. über die Trennschaltervorrichtung) ein Direkt-Gleichspannungsladeanschluss angeschlossen sein. Dieser ist (vorzugsweise über eigene Trennschalter) mit dem Akkumulator verbunden, um so eine direkte Ladung zu erlauben. Da auch der erste Gleichspannungsanschluss mit dem Akkumulator verbunden ist (vorzugsweise ebenso schaltbar, insbesondere schaltbar über den Umschalter) kann der Akkumulator über den ersten Gleichspannungswandler W1, den Umschalter U und den ersten Gleichspannungsanschluss geladen werden (etwa zum Vorladen, wenn der Ladezustand unter einer Grenze liegt), und kann gleichermaßen über den Direkt-Gleichspannungsladeanschluss geladen werden, vorzugsweise wenn der Ladezustand nicht unter der Grenze liegt.
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Wie erwähnt kann der Umschalter zwischen dem ersten und zweiten Gleichspannungsanschluss A1, A2 einerseits und der zweiten Seite des ersten Gleichspannungswandlers W1 vorgesehen sein. Alternativ oder in Kombination hierzu kann eine Umschaltervorrichtung an der Stelle vorgesehen sein, die mit einem Kreuz gekennzeichnet ist, das heißt in der Parallelverbindung der zweiten Seiten der Gleichspannungswandler W1, W2.
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Der Umschalter kann zwei oder vorzugsweise drei Schaltpositionen aufweisen, nämlich eine erste, in der der erste Gleichspannungsanschluss A1 mit dem Wandler W1 verbunden ist, ein zweiter Zustand, in dem der zweite Gleichspannungsanschluss A1 mit dem Wandler verbunden ist, und einen dritten Zustand, in dem keiner der beiden genannten Gleichspannungsanschlüsse mit dem ersten Wandler verbunden ist. Die Umschaltervorrichtung kann ebenso zwei Zustände aufweisen, in denen der erste oder der zweite Gleichspannungsanschluss mit der zweiten Seite der Gleichspannungswandler verbunden ist, kann einen weiteren Zustand aufweisen, in dem keiner der beiden genannten Gleichspannungsanschlüsse mit den Gleichspannungswandlern W1, W2 verbunden ist, und kann auch einen vierten Zustand aufweisen, in dem die zweite Seite des ersten Gleichspannungswandlers W1 von der zweiten Seit des zweiten Gleichspannungswandlers W2 getrennt ist. Ansonsten sind die zweiten Seiten der beiden Gleichspannungswandler W1, W2 (zweipolig) miteinander parallel verbunden.
