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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Hochvolt-Bordnetz, das einen Energiespeicher, insbesondere eine Batterie, und einen Resonanzkreis zum induktiven Laden des Energiespeichers, umfasst.
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Zum induktiven Laden von Energiespeichern weisen Hochvolt-Bordnetze von Fahrzeugen typischerweise einen Resonanzkreis mit einer Spule und Kompensationsnetzwerk auf, in welchen ein elektromagnetisches Feld eingekoppelt werden kann. Zum Laden wird dieses elektromagnetische Feld als Wechselfeld von einer Ladestation bereitgestellt, welche eine Sendespule umfasst, die typischerweise Teil eines ladestationseitigen Resonanzkreises mit Kompensationsnetzwerk ist. Der ladestationseitige Resonanzkreis ist typischerweise in einer Bodenplatte angeordnet, über welche der Resonanzkreis des Fahrzeugs angeordnet werden kann, um den Energiespeicher des Fahrzeugs zu laden. Durch solche induktive Ladeverfahren wird das kontaktlose Laden von Energiespeichern in Fahrzeugen ermöglicht, d.h. dass insbesondere kein Ladekabel mit dem Hochvolt-Bordnetz des Fahrzeugs verbunden werden muss.
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Das induktive Laden bringt aber auch die Gefahr mit sich, dass über den Resonanzkreis des Hochvolt-Bordnetzes fremde elektromagnetische Felder eingekoppelt werden können, d.h. elektromagnetische Felder, die nicht von einer zum Laden des Energiespeichers eigens eingerichteten Ladestation erzeugt werden. Insbesondere dann, wenn sich das Fahrzeug in einem Sleep-Modus befindet, in welchem die Niedervolt-Versorgungsspannung zur Versorgung der Steuergeräte deaktiviert ist, können solche fremde Felder Probleme hervorrufen. Beispielsweise kann sich in dem Hochvolt-Bordnetz eine Spannung aufbauen, die höher ist als die maximale zulässige Berührungsspannung von 60 V DC oder 30 VAC und somit eine Gefahr für Werkstattpersonal darstellt. Es besteht dann eine Gefahr für Personen, die an dem Hochvolt-Bordnetz arbeiten. Außerdem könnte durch solch ein fremdes Feld, auch ein nicht durch die Steuergeräte überwachtes Laden der HV- Batterie stattfinden.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, die von in das Hochvolt-Bordnetz eingekoppelte fremde Felder ausgehende Gefahr zu reduzieren.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Fahrzeug gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Fahrzeug, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug, umfasst ein Hochvolt-Bordnetz,
- - das einen Energiespeicher, insbesondere eine Batterie, und
- - einen Resonanzkreis zum induktiven Laden des Energiespeichers, umfasst, wobei das Fahrzeug wahlweise in einem Lade-Modus oder einem Sleep-Modus betreibbar ist,
- - wobei in dem Lade-Modus eine Niedervolt-Versorgungsspannung zur Versorgung mindestens eines Steuergeräts zum Steuern eines Ladevorgangs des Energiespeichers aktiviert ist, und
- - wobei in dem Sleep-Modus die Niedervolt-Versorgungsspannung zur Versorgung des mindestens einen Steuergeräts deaktiviert ist, oder der max.
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Verbrauch der Steuergeräte stark begrenzt ist (üblicherweise auf <1mA) wobei das Fahrzeug eine mit dem Resonanzkreis elektrisch gekoppelte Schutzschaltung aufweist, die dazu eingerichtet ist, in dem Sleep-Modus und beim Einkoppeln eines elektromagnetischen Felds in den Resonanzkreis das Hochvolt-Bordnetz kurzzuschließen und/oder den Resonanzkreis zu verstimmen.
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Die Schutzschaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs kann dann, wenn sich das Fahrzeug in dem Sleep-Modus befindet, infolge des Einkoppelns eines elektromagnetischen Felds in den Resonanzkreis des Fahrzeugs das Hochvolt-Bordnetz kurzschließen und/oder den Resonanzkreis verstimmen. Durch den Kurzschluss in dem Hochvolt-Bordnetz und/oder das Verstimmen des Resonanzkreises kann verhindert werden, dass am Hochvolt-Bordnetz eine Spannung anliegt, welche >60 V DC oder > 30 V AC erreichen kann und somit eine Gefahr für Mensch und Tier darstellt. Hierdurch kann die Gefahr verringert werden, dass Personen durch das in das Hochvolt-Bordnetz eingekoppelte elektromagnetische Feld Schaden nehmen. Ebenso kann ein, nicht durch die Steuergeräte überwachtes Laden der HV-Batterie verhindert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schutzschaltung mindestens einen Schalter umfasst, der in dem Sleep-Modus und beim Einkoppeln eines elektromagnetischen Felds in den Resonanzkreis in einen leitenden Zustand versetzbar ist, um das Hochvolt-Bordnetz kurzzuschließen und/oder den Resonanzkreis zu verstimmen. Bei dem Schalter kann es sich um einen Schalter handeln, der im Lade-Modus nicht-leitend geschaltet ist und im Sleep-Modus dann leitend geschaltet wird, wenn ein elektromagnetisches Feld in den Resonanzkreis eingekoppelt wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Schalter im Lade-Modus eine Schaltfunktion erfüllt und im Sleep-Modus leitend geschaltet wird, wenn ein elektromagnetisches Feld in den Resonanzkreis eingekoppelt wird. Bei dem Schalter handelt es sich bevorzugt um einen Halbleiterschalter, insbesondere einen Feldeffekttransistor oder einen Bipolartransistor oder einen abschaltbaren Thyristor. Es kann genau ein Schalter vorgesehen sein. Über diesen Schalter können zwei Pole des Hochvolt-Bordnetzes miteinander verbunden werden, um dieses kurzzuschließen. Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn mindestens zwei, insbesondere genau zwei, Schalter vorgesehen sind. Die zwei Schalter können jeweils einen Pol des Hochvolt-Bordnetzes mit einem Erdpotential verbinden, um das Hochvolt-Bordnetz kurzzuschließen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Hochvolt-Bordnetz einen Gleichrichter aufweist und der mindestens eine Schalter in dem Gleichrichter angeordnet ist. Der Gleichrichter kann dazu eingerichtet sein, eine durch den Resonanzkreis bereitgestellte Wechselspannung/strom in eine Gleichspannung/spannung zu wandeln. Bei dem Gleichrichter kann es sich um einen ungesteuerten Gleichrichter, insbesondere einen Diodengleichrichter, handeln. Der mindestens eine Schalter erfüllt in dem Diodengleichrichter bevorzugt keine Funktion zum Gleichrichten der Spannung, d.h. er ist im Lade-Modus nicht-leitend geschaltet. Im Sleep-Modus schließt der mindestens eine Schalter bevorzugt den Eingang des Gleichrichters kurz, so dass eine in den Resonanzkreis induzierte Wechselspannung blockiert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Hochvolt-Bordnetz einen Gleichspannungs bzw. Gleichstromwandler aufweist und der mindestens eine Schalter in dem Gleichspannungs/Gleichstromwandler angeordnet ist. Der Gleichspannungs/Stromwandler kann dazu vorgesehen sein, eine gleichgerichtete Spannung bzw. Strom, die durch einen mit dem Resonanzkreis verbundenen Gleichrichter bereitgestellt wird, auf ein Spannungsniveau zu wandeln, welches zum Betrieb des Energiespeichers Verwendung findet. Alternativ kann auch eine Gleichstromrichter eingesetzt werden, der den Ladestrom regelt.
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Eine alternative, vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der mindestens eine Schalter in dem Resonanzkreis angeordnet ist. Der mindestens eine Schalter in dem Resonanzkreis kann im Lade-Modus nicht-leitend geschaltet sein und in dem Sleep-modus beim Einkoppeln eines elektromagnetischen Felds leitend geschaltete werden, um eine zusätzliche Impedanz an den Resonanzkreis anzuschalten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schutzschaltung ein Spannungsversorgungsmodul aufweist, welches dazu eingerichtet ist, aus dem über den Resonanzkreis eingekoppelten elektromagnetischen Feld eine Sleep-Versorgungsspannung bereitzustellen. Das Spannungsversorgungsmodul ist bevorzugt ausschließlich im Sleep-Modus aktiv, um eine Spannung zum Kurzschließen des Hochvolt-Bordnetzes und/oder Verstimmen des Resonanzkreises bereitzustellen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Sleep-Versorgungsspannung und der Niedervolt-Versorgungsspannung eine Schutzdiode angeordnet ist. Durch die Schutzdiode kann verhindert werden, dass die bei einem Wechsel aus dem Sleep-Modus heraus, beispielsweise beim Starten des Fahrzeugs, die Spannungsquellen der Sleep-Versorgungsspannung und der Niedervolt-Versorgungsspannung gegeneinander arbeiten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schutzdiode derart gepolt ist, dass diese elektrisch leitend ist, wenn die Versorgungsspannung größer ist als die Sleep-Versorgungsspannung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Sleep-Versorgungsspannung und der Niedervolt-Versorgungsspannung mehrere, insbesondere zwei Schütze, angeordnet sind, um sämtliche Pole der Sleep-Versorgungsspannung und der Niedervolt-Versorgungsspannung wahlweise voneinander zu trennen. Eine derartige Ausgestaltung stellt eine alternative Möglichkeit zum Trennen der Sleep-Versorgungsspannung und der Niedervolt-Versorgungsspannung dar, welche eine Schutzdiode nicht erfordert.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Ladesystem mit einer Ladestation und einem vorstehend beschriebenen Fahrzeug.
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Die Ladestation umfasst bevorzugt einen ladestationseitigen Resonanzkreises. Dieser ladestationseitige Resonanzkreis kann beispielsweise in einer Bodenplatte angeordnet sein, über welcher der Resonanzkreis des Fahrzeugs angeordnet werden kann, um den Energiespeicher des Fahrzeugs zu laden. Bevorzugt umfasst die Ladestation einen Wechselrichter zur Bereitstellung einer Wechselspannung für den ladestationseitigen Resonanzkreis.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, mit einem Hochvolt-Bordnetz,
- - das einen Energiespeicher, insbesondere eine Batterie, und
- - einen Resonanzkreis zum induktiven Laden des Energiespeichers, umfasst, wobei das Fahrzeug wahlweise in einem Lade-Modus oder einem Sleep-Modus betreibbar ist,
- - wobei in dem Lade-Modus eine Niedervolt-Versorgungsspannung zur Versorgung mindestens eines Steuergeräts zum Steuern eines Ladevorgangs des Energiespeichers aktiviert ist, und
- - wobei in dem Sleep-Modus die Niedervolt-Versorgungsspannung zur Versorgung des mindestens einen Steuergeräts deaktiviert ist, oder der max. Verbrauch der Steuergeräte stark begrenzt ist (üblicherweise auf <1mA) mit folgenden Verfahrensschritten:
- - Kurzschließen des Hochvolt-Bordnetzes und/oder
- - Verstimmen des Resonanzkreises
durch eine mit dem Resonanzkreis elektrisch gekoppelte Schutzschaltung, wenn in dem Sleep-Modus ein elektromagnetisches Feld in den Resonanzkreis eingekoppelt wird.
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Bei dem Ladesystem und dem Verfahren zum Betrieb des Fahrzeugs können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug beschrieben worden sind.
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Die im Zusammenhang mit dem Fahrzeug erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale können, allein oder in Kombination, auch bei der Ladestation und dem Verfahren zum Betrieb des Fahrzeugs Anwendung finden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 ein Ladesystem in einer schematischen Blockdarstellung;
- 2 ein Ladesystem mit einem Fahrzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Blockdarstellung;
- 3 ein Ladesystem mit einem Fahrzeug gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Blockdarstellung;
- 4 ein Schaltbild des Gleichrichters aus 3.
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Die Darstellung 1 zeigt ein Ladesystem 1 mit einer Ladestation 2 und einem Fahrzeug 10, welches beispielsweise als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein kann. Das Ladesystem 1 ermöglicht das induktive Laden eines Energiespeichers 14, beispielsweise einer Batterie, des Fahrzeugs 10 über einen induktiven Energieübertrager 9, der einen ladestationseitigen Resonanzkreis 8 und einem fahrzeugseitigen Resonanzkreis 11 umfasst.
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Die Ladestation 2 ist an einem in 1 nicht gezeigten Energieversorgungsnetz angeschlossen und umfasst ein Wechselspannungs-Filter 5, das optional einen Fehlerstrom-Schutzschalter aufweisen kann. Ein weiterer Bestandteil der Ladestation 2 ist ein Gleichrichter 6, der die über das Energieversorgungsnetz bereitgestellte Wechselspannung, beispielsweise mit einer Netzfrequenz von 50 Hz, in eine Gleichspannung umwandelt. Diese Gleichspannung liegt bevorzugt im Bereich von 400 V bis 1 kV. Aus der Gleichspannung wird dann mit einem Wechselrichter 7 der Ladestation 2 eine Wechselspannung/strom erzeugt, die zur Ansteuerung des ladestationseitigen Resonanzkreises 8 geeignet ist. Der Resonanzkreis 8 kann beispielsweise mit einer Resonanzfrequenz im Bereich von 81.38-90 kHz, beispielsweise bei 85 kHz betrieben werden.
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Das Fahrzeug 10 umfasst ein Hochvolt-Bordnetz 15 mit einem Energiespeicher 14, der dazu eingerichtet ist, in einem Fahrbetrieb eine ausreichende Leistung zum Betrieb eines oder mehrerer elektrischer Antriebe des Fahrzeugs 10 bereitzustellen, die in 1 nicht gezeigt sind. Der fahrzeugseitige Resonanzkreis 11 des induktiven Energieübertragers 9 ist mit einem Gleichrichter 12 verbunden, der die am Resonanzkreis 11 anliegende Wechselspannung/strom in eine Gleichspannung/strom wandelt, mit welcher der Energiespeicher 14 geladen werden kann. Die Gleichspannung ist bevorzugt größer als 60 V, bevorzugt größer als 300 V, besonders bevorzugt größer als 700 V, beispielsweise 800 V.
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Das Fahrzeug 10 ist wahlweise in einem Lade-Modus oder einem Sleep-Modus betreibbar ist. In dem Lade-Modus kann der Energiespeicher 14 über den Energieübertrager 9 aus der Ladestation 2 geladen werden. Dabei ist in dem Lade-Modus eine Niedervolt-Versorgungsspannung zur Versorgung mindestens eines Steuergeräts zum Steuern des Ladevorgangs des Energiespeichers 14 aktiviert. In dem Sleep-Modus ist die Niedervolt-Versorgungsspannung zur Versorgung des mindestens einen Steuergeräts hingegen deaktiviert oder der max. Verbrauch der Steuergeräte stark begrenzt (üblicherweise auf <1mA).
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Um die Gefahr zu reduzieren, die von in das Hochvolt-Bordnetz 15 im Sleep-Modus eingekoppelten fremden Feldern ausgeht, sind bei dem Fahrzeug 10 besondere Maßnahmen getroffen, die anhand der Darstellungen in 2 bis 4 näher erläutert werden sollen. So umfasst das Fahrzeug 10 eine mit dem Resonanzkreis 11 elektrisch gekoppelte Schutzschaltung 21, die dazu eingerichtet ist, in dem Sleep-Modus und beim Einkoppeln eines elektromagnetischen Felds in den Resonanzkreis 11 kurzzuschließen und/oder den Resonanzkreis 11 zu verstimmen, damit im Hochvolt-Bordnetz 15 keine Spannung >60 Volt DC auftritt. Hierdurch kann die Gefahr verringert werden, dass Personen durch ein in das Hochvolt-Bordnetz 15 eingekoppelte elektromagnetische Feld Schaden nehmen, während sich das Fahrzeug 10 in dem Sleep-Modus befindet. Ebenso kann ein nicht befugtes/ unüberwachtes Laden der Batterie verhindert werden.
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Die Darstellung in 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ladesystems 1 gemäß der Erfindung. Die Ladestation 2 umfasst einen Gleichrichter 6 und einen Wechselrichter 7, sowie einen ladestationseitigen Resonanzkreis, der Teil des induktiven Energieübertragers 9 ist, welcher die Ladestation 2 mit dem Fahrzeug 10 koppelt. Das Fahrzeug 10 umfasst ein Hochvolt-Bordnetz 15 mit einem fahrzeugseitigen Resonanzkreis 11 als Teil des induktiven Energieübertragers 9, einem Gleichrichter 12, einem Gleichspannungswandler oder Gleichstromwandler 13 und einem Energiespeicher 14. Einen Teil der Schutzschaltung 21 bildet ein mit dem Resonanzkreis 11 gekoppeltes Spannungsversorgungsmodul 20, über welches die Schutzschaltung 21 im Sleep-Modus mit Energie versorgt wird. Die Schutzschaltung 21 weist ein Spannungsversorgungsmodul 20 auf, das dazu eingerichtet ist, aus dem über den Resonanzkreis 11 eingekoppelten elektromagnetischen Feld eine Sleep-Versorgungsspannung bereitzustellen.
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Die Schutzschaltung 21 ist dabei derart ausgebildet, dass sie mindestens einen, bevorzugt mehrere Schalter des Gleichspannungswandlers oder Gleichstromwandler 13 derart ansteuert, insbesondere in einen leitenden Zustand versetzt, dass diese Schalter beide Pole des Hochvolt-Bordnetzes 15 mit dem Erdpotential verbinden. Insofern wird im Sleep-Modus beim Einkoppeln eines fremden Felds ein Kurzschluss des Hochvolt-Bordnetzes 15 hergestellt. Als Schalter der Schutzschaltung werden bei diesem Ausführungsbeispiel Schalter des Gleichspannungs/stromwandlers 13 verwendet, die im Lademodus zum Laden des Energiespeichers 14 schaltend angesteuert werden.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Ladesystems 1 gemäß der Erfindung. Das Ladesystem 1 entspricht im Wesentlichen dem Ladesystem gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, so dass auf die entsprechende Beschreibung verweisen wird. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach 2 ist bei dem Fahrzeug 10 nach 3 der Energiespeicher 14 direkt mit einem Gleichspannungs/stromwandler 12 verbunden, der seinerseits mit dem fahrzeugseitigen Resonanzkreis 11 des induktiven Energieübertragers 9 gekoppelt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind in dem Hochvolt-Bordnetz 15, insbesondere in dem Gleichrichter 12, per se keine Schalter vorhanden, die im Sleep-Modus zum Kurzschließen des Hochvolt-Bordnetzes 15 genutzt werden könnten. Daher umfasst die Schutzschaltung 21 - wie in 4 gezeigt - zwei zusätzliche Schalter S1, S2, die in dem Gleichrichter 12 parallel zu den beiden Dioden angeordnet sind, welche die Eingangspole des Gleichrichters 12 mit dem Erdpotential verbinden.
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Bei den vorstehend beschriebenen Hochvolt-Bordnetzen 15 der Fahrzeuge 10 ist bevorzugt zwischen der Sleep-Versorgungsspannung und der Niedervolt-Versorgungsspannung eine Schutzdiode angeordnet, welche derart gepolt ist, dass diese elektrisch leitend ist, wenn die Versorgungsspannung größer ist als die Sleep-Versorgungsspannung. Hierdurch kann bei einem Wechsel aus dem Sleep-Modus heraus verhindert werden, dass die Spannungsquellen der Sleep-Versorgungsspannung und der Niedervolt-Versorgungsspannung gegeneinander arbeiten. Alternativ können zwischen der Sleep-Versorgungsspannung und der Niedervolt-Versorgungsspannung mehrere, insbesondere zwei Schütze, angeordnet sein, um die Pole der Sleep-Versorgungsspannung und der Niedervolt-Versorgungsspannung wahlweise voneinander zu trennen.
