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Die Erfindung betrifft ein Ladegerät und ein Verfahren zum Betrieb des Ladegerätes. Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einem Ladegerät, ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang sowie ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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Ladegeräte, beispielsweise in Fahrzeugen mit einem elektrischen Antrieb in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug, dienen zum Nachladen von Batterien, bevorzugt Akkumulatoren, Traktionsbatterien oder Hochvoltbatterien, aus einer elektrischen Energiequelle, bevorzugt einer externen Wechselstromquelle oder dem öffentlichen Wechselstromnetz. Dazu wandelt das Ladegerät einen sinusförmigen Wechselstrom der externen Energiequelle in einen Gleichstrom um. Bei einem einphasigen Wechselstrom pulsiert die Leistung mit der doppelten Frequenz des Wechselstroms.
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Ladegeräte weisen bevorzugt eine zweistufige Leistungselektronik auf. Eine erste Stufe, die so genannte Power-Factor-Correction-Stufe, die PFC-Stufe, wandelt die sinusförmige Eingangsspannung aus dem Wechselspannungsnetz in eine Gleichspannung. Eine zweite Stufe besteht aus einem Gleichspannungswandler oder DC/DC Wandler, der bevorzugt eine galvanische Trennung über einen Transformator sicherstellt und die Spannungsebenen anpasst. Bevorzugt wird mittels einer elektrischen Schaltung und einer Regelung die Ausgangsspannung und/ oder der Ausgangsstrom zum Aufladen der Batterie eingestellt. Zwischen beiden Stufen ist ein Zwischenkreiskondensator angeordnet, der die Leistungspulsation in der doppelten Frequenz des Wechselstroms der Energiequelle puffert. Typischerweise wird dieser Zwischenkreis durch mindestens einen Elektrolytkondensator realisiert. Diese Topologien ermöglichen die Aufrechterhaltung eines nahezu sinusförmigen Eingangsstroms auf der Netzseite zur Erfüllung netzseitiger Normen, eine bevorzugt galvanische Trennung zwischen Netz und Fahrzeug zur Erfüllung von Sicherheitsanforderungen und eine Bereitstellung eines konstanten Ausgangsgleichstroms auf der Seite der Batterie, um die Belastung der Batterie im Ladebetrieb zu minimieren. In einem Fahrzeug mit elektrischem Antrieb ist die Batterie weiter mit einem Wechselrichter verbunden zur Versorgung der elektrischen Antriebsmaschine mit Energie. Parallel zum Wechselrichter ist ein Gleichspannungswandler angeschlossen, zur Versorgung eines Niederspannungsnetzes, oder eines Bordnetzes, des Fahrzeugs zur Versorgung der Steuergeräte mit Energie.
Zur Vermeidung hoher Einschaltströme in die Kapazitäten (u.a. die Zwischenkreiskapazitäten) des Ladegerätes beim eingangsseitigen Anschließen einer externen Energiequelle an das Ladegerät sind in den Anschlussleitungen üblicherweise Vorladewiderstände in Reihe zwischen die Anschlusspole und die Zwischenkreiskapazitäten geschaltet. Nach dem Aufladen der Zwischenkreiskapazitäten und dem damit verbundenen erheblich reduzierten und normalisierten Stromfluss durch die Anschlussleitungen werden diese Vorladewiderstände mittels eines Schalters kurzgeschlossen zur Vermeidung der Verluste durch die Vorladewiderstände. Lediglich für den Moment des Anschließens oder Einschaltens einer externen Energiequelle werden somit Vorladewiderstände, Schalter und entsprechende Kurzschlussschaltungen in einem Ladegerät benötigt. Daher besteht der Bedarf für Ladegeräte, die ohne diesen zusätzlichen Aufwand und effizient betrieben werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Ladegerät für ein Fahrzeug zum Laden einer ausgangsseitig anschließbaren Hochvoltbatterie bereitgestellt. Das Ladegerät umfasst eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit zum Anschließen einer ein- oder dreiphasigen Wechselspannung, eine PFC-Stufe zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem Zwischenanschluss aus der Wechselspannung, mindestens einen Zwischenkreiskondensator, der zwischen einen positiven Zwischenanschlusspol und einen negativen Zwischenanschlusspol des Zwischenanschluss geschaltet ist, und einen Gleichspannungswandler zur Wandlung der Gleichspannung in eine ausgangsseitige Ladespannung. Bevorzugt ist die Ladespannung eine Hochvolt-Gleichspannung von beispielsweise 400 oder 800 Volt.
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Erfindungsgemäß ist der Gleichspannungswandler bidirektional ausgebildet. Das bedeutet, dass der Gleichspannungswandler je nach Ansteuerung der Leistungsschalter des Gleichspannungswandlers elektrische Energie von dem Zwischenanschluss zur anschließbaren Hochvoltbatterie übertragen kann oder Energie aus der Hochvoltbatterie zu dem Zwischenanschluss übertragen kann. An dem Zwischenanschluss ist der mindestens eine Zwischenkreiskondensator angeschlossen, der folglich aufgeladen wird, wenn mittels des bidirektionalen Gleichspannungswandlers die Energie der ausgangsseitig anschließbaren Hochvoltbatterie zum Zwischenanschluss übertragen wird zum Laden des mindestens einen Zwischenkreiskondensators. Bevorzugt wird die elektrische Energie am Zwischenanschluss von einer ausgangsseitig an das Ladegerät angeschlossenen Hochvoltbatterie, bevorzugt eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs, über den an den Zwischenanschluss angeschlossenen bidirektionalen GleichspannungsWandler bereitgestellt.
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Vorteilhaft wird ein Ladegerät bereitgestellt, bei dem ungewollte Einschaltströme effizient verhindert werden können. Folglich wird eine vereinfachte, kostengünstige und nachhaltige Lösung oder Schaltungstopologie bereitgestellt, da Vorladewiderstände, Messtechnik und Kurzschlussschaltungen nicht benötigt werden.
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Bevorzugt umfasst die PFC-Stufe eine erste, eine zweite und eine dritte Halbbrücke, bevorzugt in Abhängigkeit der anzuschließenden ein- oder dreiphasigen Wechselspannung. Bevorzugt umfassen die erste, zweite und dritte Halbbrücke jeweils eine Reihenschaltung mit einem High-Side-Schalter und einem Low-Side-Schalter. Jeweils ein Mittenabgriff zwischen dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter einer Halbbrücke ist über jeweils eine erste, zweite und dritte Drossel mit jeweils einem ersten, zweiten und dritten Eingangsanschluss der, bevorzugt dreiphasigen, Eingangsanschlusseinheit über jeweils eine erste, zweite und dritte Anschlussleitung verbindbar. Somit ist bevorzugt der Mittenabgriff der ersten Halbbrücke über die erste Drossel über die erste Anschlussleitung mit dem ersten Eingangsanschluss verbindbar. Somit ist bevorzugt der Mittenabgriff der zweiten Halbbrücke über die zweite Drossel über die zweite Anschlussleitung mit dem zweiten Eingangsanschluss verbindbar. Somit ist bevorzugt der Mittenabgriff der dritten Halbbrücke über die dritte Drossel über die dritte Anschlussleitung mit dem dritten Eingangsanschluss verbindbar. Bevorzugt sind die Halbbrücken sind parallel geschaltet und deren Enden mit dem zweipoligen Zwischenanschluss verbunden. Die High-Side-Schalter sind mit einem positiven Zwischenanschluss und die Low-Side-Schalter mit einem negativen Zwischenanschluss des zweipoligen Zwischenanschluss verbunden.
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Eine externe Energiequelle ist bevorzugt ein einphasiges, zweiphasiges oder dreiphasiges Wechselspannungsnetz, bevorzugt des öffentlichen Niederspannungsnetzes. Bevorzugt ist dies in einer nordamerikanischen Region oder japanischen Region ein einphasiges Wechselspannungsnetz mit 120 oder 240 Volt. Bevorzugt ist dies in einer chinesischen oder europäischen Region ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz mit ungefähr 230 Volt. Für den Ladebetrieb des Ladegerätes wird das Ladegerät mit einem entsprechenden Wechselspannungsnetz verbunden oder an die entsprechende Wechselspannung angeschlossen. Eine zu ladende Hochvoltbatterie ist bevorzugt ein Akkumulator oder eine Traktionsbatterie, mittels derer Energie ein elektrischer Antriebstrang eines Fahrzeugs betrieben wird. Ein High-Side-Schalter oder ein Low-Side-Schalter einer Halbleiterbrücke ist bevorzugt ein Leistungshalbleiterschalter, welcher eine intrinsische Diode umfasst, bevorzugt ist es ein IGBT oder MOSFET, bevorzugt basierend auf Si, SiC oder GaN-Technologie. Bevorzugt bedeutet die Formulierung, Verbinden von bspw. einem Mittenabgriff mit einer Anschlussleitung, das Anschließen, Kontaktieren oder Verbinden der Bauteile mittels einer elektrisch leitfähigen Leitung oder einer galvanischen Verbindung. Die Formulierung Sperren, verhindern, entkoppeln oder einen Stromfluss unterbinden bedeutet das Auftrennen einer elektrisch leitfähigen Leitung oder Verbindung. Bevorzugt wird die Formulierung geschaltet gleichbedeutend mit elektrisch verbunden verwendet, wobei schaltbar verbunden bedeutet, dass eine elektrische Verbindung, bevorzugt mittels eines Schalters oder Schaltelementes, herstellbar oder trennbar ist. Bevorzugt wird die Formulierung angeordnet verwendet um die Position einer elektrischen Komponente, bevorzugt eines Schalters oder Schaltelementes, innerhalb der Schaltungstopologie zu definieren, wobei dies eine elektrische Verbindung mit den daneben angeordneten elektrischen Komponenten umfasst.
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In einer anderen Ausgestaltung ist der Zwischenkreiskondensator als Reihenschaltung aus einem ersten und einem zweiten Kondensator ausgebildet.
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Der mindestens eine Zwischenkreiskondensator ist als Reihenschaltung aus mindestens einem ersten und einem zweiten Kondensator ausgebildet und zwischen den positiven und negativen Anschlusspol des Zwischenanschluss geschaltet. Der Zwischenkreiskondensator ist bevorzugt als Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Kondensators ausgestaltet. Bevorzugt ist die Kapazität des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators gleich groß. Bevorzugt wird an einem Mittenabgriff zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator ein Neutralleiter, bevorzugt schaltbar, zum Anschluss an einen entsprechenden Kontakt der Eingangsanschlusseinheit angeschlossen. Bevorzugt wird ein Neutralleiter für den Betrieb des Ladegerätes mit asymmetrischer Belastung vorgesehen. Bevorzugt liegt eine asymmetrische Belastung bei einem Betrieb mit einem 2-Phasen Netz oder auch bei asymmetrischer Belastung bei einem Betrieb mit einem 3-Phasen Netz vor, also zweiphasiger oder dreiphasiger Wechselspannung. In diesen Fällen fließt über den Neutralleiter ein Ausgleichsstrom zurück ins eingangsseitig angeschlossene Wechselspannungsnetz.
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Vorteilhaft wird eine geeignete Schaltungstopologie zum Anschluss eines Neutralleiters bereitgestellt.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einem Ladegerät, wie oben beschrieben, wobei der Antriebstrang insbesondere eine Hochvoltbatterie, einen Wechselrichter und/ oder eine elektrische Maschine umfasst. Vorteilhaft wird ein Antriebsstrang eines elektrischen Fahrzeugs mit einem Ladegerät mit einer vereinfachten Schaltungstopologie bereitgestellt.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang, wie oben beschrieben.
Vorteilhaft wird ein Fahrzeug mit einem Ladegerät mit einer vereinfachten Schaltungstopologie bereitgestellt.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines wie oben vorgestellten Ladegerätes mit dem Schritt: Aufladen des mindestens einen Zwischenkreiskondensators, der zwischen dem positiven Zwischenanschlusspol und dem negativen Zwischenanschlusspol des Zwischenanschluss geschaltet ist mit Energie aus der anschließbaren Hochvoltbatterie mittels des bidirektionalen Gleichspannungswandlers.
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Mittels eines Rückwärtsbetriebs des Gleichspannungswandlers des Ladegerätes wird der Zwischenkreiskondensator aufgeladen. Vorteilhaft werden bei einem anschließenden Anschließen oder Zuschalten einer eingangsseitigen externen Energiequelle, bevorzugt höhere, Einschaltströme verhindert, da der Zwischenkreiskondensator bereits geladen ist.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Steuerung in dem Ladegerät, diese veranlassen, das beschriebene Verfahren auszuführen.
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Ferner betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch eine Steuerung in dem Ladegerät diese veranlassen, das beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des Ladegeräts entsprechend auf das Verfahren bzw. den Antriebsstrang und das Fahrzeug und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Schaltungstopologie für ein Ladegerät
- 2 ein schematisch dargestelltes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang mit einem Ladegerät,
- 3 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb eines Ladegeräts
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt ein Ladegerät 500, bevorzugt für ein Fahrzeug. Das Ladegerät 500 umfasst eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit 100 zum Anschließen einer ein- bis dreiphasigen Wechselspannung, eine PFC-Stufe 200 zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem Zwischenanschluss 300. Das Ladegerät 500 umfasst mindestens einen Zwischenkreiskondensator C1, C2, der zwischen einen positiven Zwischenanschlusspol 310 und einen negativen Zwischenanschlusspol 320 des Zwischenanschluss 300 geschaltet ist und einen Gleichspannungswandler 450 zur Wandlung der Gleichspannung in eine ausgangsseitige Ladespannung. Der Gleichspannungswandler 450 ist bidirektional ausgestaltet zum Laden des mindestens einen Zwischenkreiskondensators C1, C2 aus der ausgangsseitig anschließbaren Hochvoltbatterie. Bevorzugt sind Relays zwischen der Eingangsanschlusseinheit 100 und der PFC Stufe 200 oder eine entsprechende Schaltung (nicht dargestellt) vorgesehen, die einen Stromfluss aus der Eingangsanschlusseinheit 100 in Richtung des Zwischenkreiskondensators C1, C2 unterbindet, solange das Vorladen des Zwischenkreiskondensators C1, C2 über den Gleichspannungswandler 450 nicht abgeschlossen ist. Die PFC-Stufe 200 des Ladegerätes 500 umfasst bevorzugt eine erste 210, eine zweite 220 und eine dritte 230 Halbbrücke. Die erste, zweite und dritte Halbbrücke 210, 220, 230 umfasst bevorzugt jeweils eine Reihenschaltung mit einem High-Side-Schalter 211, 213, 215 und einem Low-Side-Schalter 212, 214, 216. Jeweils ein Mittenabgriff zwischen dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter einer Halbbrücke ist bevorzugt über jeweils eine erste, zweite und dritte Drossel 202, 204, 206 mit jeweils einem ersten, zweiten und dritten Eingangsanschluss L1, L2, L3 der Eingangsanschlusseinheit 100 über jeweils eine erste, zweite und dritte Anschlussleitung 110, 120, 130 verbindbar. Somit ist bevorzugt der Mittenabgriff der ersten Halbbrücke 210 über die erste Drossel 202 über die erste Anschlussleitung 110 mit dem ersten Eingangsanschluss L1 verbindbar. Somit ist bevorzugt der Mittenabgriff der zweiten Halbbrücke 220 über die zweite Drossel 204 über die zweite Anschlussleitung 120 mit dem zweiten Eingangsanschluss L2 verbindbar. Somit ist bevorzugt der Mittenabgriff der dritten Halbbrücke 230 über die dritte Drossel 206 über die dritte Anschlussleitung 130 mit dem dritten Eingangsanschluss L3 verbindbar. Die Halbbrücken 210, 220, 230 sind parallel geschaltet. Deren Enden sind bevorzugt mit dem zweipoligen Zwischenanschluss 300 verbunden. Die High-Side-Schalter sind bevorzugt mit einem positiven Zwischenanschluss 310 und die Low-Side-Schalter mit einem negativen Zwischenanschluss 320 verbunden. An den Zwischenanschluss 300 ist bevorzugt ein Gleichspannungswandler 450 angeschlossen. Die Gleichspannung an dem Zwischenanschluss 300, die eingangsseitig am Gleichspannungswandler 450 anliegt, wird bevorzugt in eine Ladespannung gewandelt zum Laden einer ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers 450 anschließbaren Hochvoltbatterie 470, bevorzugt einer Traktionsbatterie. Bevorzugt ist parallel zu der Hochvoltbatterie 470 ein weiterer Gleichspannungswandler 460, bevorzugt ein Tiefsetzsteller, angeschlossen, zur Wandlung der Ladespannung in eine Niedervoltspannung zum Laden einer Niedervoltbatterie 462 und zur Versorgung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs zur Versorgung der Steuergeräte eines Fahrzeugs. Die Niedervoltbatterie 462, wie bevorzugt auch weitere nicht dargestellte Niederspannungsverbraucher, sind an das Bordnetz an den Anschlusspolen 482 und 484 angeschlossen. Bevorzugt ist der weitere Gleichspannungswandler 460 ein bidirektionaler Gleichspannungswandler. Bevorzugt kann so der weitere Gleichspannungswandler 460 zum Vorladen des Hochspannungszwischenkreises verwendet werden, bevor die Batterie 470 an das Ladegerät 500 angeschlossen wird. Der Hochspannungszwischenkreis ist zwischen dem weiteren Gleichspannungswandler 460, der Hochvoltbatterie 470 und dem Gleichspannungswandler 450 des Ladegerätes 500 angeordnet.
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Bevorzugt sind die Schaltelemente als Halbleiterschalterbauelemente (IGBT oder MOSFETS, basierend auf Si, SiC oder GaN) oder als Schütze oder Relais vorgesehen.
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Die 2 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug 700 mit einem Antriebsstrang 600 mit einem Ladegerät 500. Das Fahrzeug 700 ist hier nur beispielhaft mit vier Rädern dargestellt, wobei die Erfindung gleichermaßen in beliebigen Fahrzeugen mit einer beliebigen Anzahl an Rädern zu Lande, zu Wasser und in der Luft einsetzbar ist. Der beispielhaft dargestellte Antriebsstrang 600 umfasst mindestens ein Ladegerät 500. Weiter umfasst der Antriebsstrang bevorzugt eine Batterie 470, einen Wechselrichter 472 und oder eine elektrische Maschine 474.
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Die 3 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren 800 zum Betrieb eines Ladegeräts 500. Das Verfahren 800 startet mit dem Schritt 805. In Schritt 810 wird der mindestens eine Zwischenkreiskondensator C1, C2, der zwischen dem positiven Zwischenanschlusspol und dem negativen Zwischenanschlusspol 320 des Zwischenanschluss 300 geschaltet ist mit Energie aus der anschließbaren Hochvoltbatterie mittels des bidirektionalen Gleichspannungswandlers 450 aufgeladen. Mit Schritt 815 endet das Verfahren.
