DE102022210390A1 - Ladegerät und Verfahren zum Betrieb des Ladegerätes - Google Patents

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Abstract

Ladegerät für ein Fahrzeug,
wobei das Ladegerät (500) eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit (100) zum Anschließen einer ein - oder mehrphasigen Wechselspannung und eine PFC-Stufe (200) zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem Zwischenanschluss (300) umfasst, wobei die PFC-Stufe (200) je Phase der n-Phasen eine Halbbrücke (210, 220, 230) umfasst, wobei ein erstes Schaltelement (S1) einerseits mit den positiven Enden der Halbbrücken und andererseits mit dem positiven Zwischenanschluss (310) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, einen Stromfluss zwischen den positiven Enden der Halbbrücken und dem positiven Zwischenanschluss (310) über das erste Schaltelement (S1) zu ermöglichen oder zu unterbrechen.

Description

  • 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 computerlesbares Speichermedium.
  • Stand der Technik
  • Ladegeräte, beispielsweise in Fahrzeugen mit einem elektrischen Antrieb in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug, dienen zum Nachladen von Batterien, bevorzugt Akkumulatoren oder Traktionsbatterien, 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.
  • 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 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 Zwischenkondensator 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 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. Zu Beginn des Ladevorgangs wird das Ladegerät über die eine PFC-Stufe an die sinusförmige Eingangsspannung aus dem Wechselspannungsnetz, oder das AC-Niederspannungsnetz, angeschlossen. Die PFC Stufe ist ausgangsseitig mit dem Zwischenkondensator verbunden oder verschaltet, der Teil eines Spannungszwischenkreises ist. Der Spannungszwischenkreis ist bei Anschluss an das AC-Niederspannungsnetz entladen. Durch seine geringe Impedanz entsteht beim Zuschalten des AC-Niederspannungsnetzes ein hoher Einschaltstrom, der den Spannungszwischenkreis auflädt. Zur Vermeidung netzseitiger Störungen oder zur Zerstörung von Komponenten der Leistungselektronik, beispielsweise Sicherungsauslösung wegen Überstrom, muss dieser Einschaltstrom begrenzt werden. Eine verbreitete Umsetzung zur Einschaltstrombegrenzung ist die Begrenzung über Vorladewiderstände in den Anschlussleitungen zwischen dem Wechselspannungsnetz und der PFC-Stufe, die während des normalen Betriebes über Relais überbrückt werden. Ein entsprechender Einschaltstrom muss in jeder Anschlussleitung der PFC-Stufe begrenzt werden. Dies erfordert eine Vielzahl an Vorladewiderständen und Relais. Daher besteht Bedarf an einer einfachen und kompakten Lösung, die ein Aufladen des Zwischenkondensators mit weniger Bauteilen ermöglicht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird ein Ladegerät für ein Fahrzeug bereitgestellt, wobei das Ladegerät eingangsseitig eine ein- oder mehrphasige, n-phasige, wobei n ganzzahlig größer gleich 1 ist, bevorzugt dreiphasige, Eingangsanschlusseinheit zum Anschließen einer n-phasigen Wechselspannung und eine PFC-Stufe zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem zweipoligen Zwischenanschluss umfasst. Der Zwischenanschluss umfasst einen positiven Zwischenanschluss und einen negativen Zwischenanschluss. Die PFC-Stufe umfasst je Phase der n-Phasen eine n-te Halbbrücke. Eine Halbbrücke umfasst 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 Drossel mit jeweils einem der n-Eingangsanschlüsse der n-phasigen Eingangsanschlusseinheit über jeweils eine n-te Anschlussleitung verbindbar. Somit ist beispielsweise der Mittenabgriff der ersten Halbbrücke über die erste Drossel über die erste Anschlussleitung mit dem ersten Eingangsanschluss verbindbar. Somit ist beispielsweise der Mittenabgriff der zweiten Halbbrücke über die zweite Drossel über die zweite Anschlussleitung mit dem zweiten Eingangsanschluss verbindbar, und so weiter. Die n-Halbbrücken sind parallel geschaltet. Die High-Side-Schalter sind mit den positiven Enden der Halbbrücken und die Low-Side-Schalter mit den negativen Enden der Halbbrücken verbunden. Die negativen Enden der Halbbrücken sind mit dem negativen Zwischenanschluss verbunden. Zwischen den positiven Zwischenanschluss und den negativen Zwischenanschluss ist ein Zwischenkondensator geschaltet. Dieser Zwischenkondensator ist Teil des Spannungszwischenkreis. Ein erstes Schaltelement ist einerseits mit den positiven Enden der Halbbrücken und andererseits mit dem positiven Zwischenanschluss verbunden. Das erste Schaltelement ist dazu eingerichtet, einen Stromfluss zwischen den positiven Enden der Halbbrücken und dem positiven Zwischenanschluss über das erste Schaltelement zu ermöglichen oder zu unterbrechen. Bevorzugt für eine klarere Darstellung wird im Folgenden stets die Formulierung verwendet, dass das erste Schaltelement einerseits mit den positiven Enden der Halbbrücken und andererseits mit dem positiven Zwischenanschluss verbunden ist. Bevorzugt ist gleichbedeutend, dass das erste Schaltelement einerseits mit den negativen Enden der Halbbrücken und andererseits mit dem negativen Zwischenanschluss verbunden ist. Bevorzugt ergibt sich dies schon daraus, dass die Bezeichnung „positiv“ und „negativ“ lediglich als unterschiedliche Bezeichnung verwendet wird und inhaltlich gleichbedeutend mit einer Aufzählung, etwa „erste“ und „zweite“, ersetzt werden kann.
  • Vorteilhaft wird eine Schaltung für ein Ladegerät mit einem mehrphasigen Wechselspannungseingang bereitgestellt, bei der die Möglichkeit besteht, dass ein Einschaltstrom zum Aufladen des Zwischenkondensators über alle Phasen des Wechselspannungseingangs und durch die PFC-Stufe fließt. Mittels des ersten Schaltelementes kann der Einschaltstrom im Anschluss an die Halbbrücken durch das erste Schaltelement unterbrochen werden. Bevorzugt ist parallel zum ersten Schaltelement ein Vorladewiderstand angeordnet, der einen begrenzten Ladestrom, zum Aufladen des Zwischenkondensators am ersten Schaltelement vorbei, ermöglicht. Bevorzugt wird erst nach Aufladen des Zwischenkondensators das erste Schaltelement geöffnet und eine niederohmige Verbindung zwischen den positiven Enden der Halbbrücken und dem positiven Zwischenanschluss ermöglicht. Vorteilhaft entfallen die ansonsten notwendigen n-Vorladewiderstände, bevorzugt mit jeweils einem Überbrückungsschaltelement, zwischen den einzelnen Eingangsanschlüssen und den Drosseln der PFC-Stufe. Bevorzugt ist der Vorladewiderstand ein Kaltleiter oder PTC -Widerstand, der zur Begrenzung des Einschaltstroms genutzt wird. Bevorzugt fließt der Einschaltstrom zum Aufladen des Zwischenkondensators von mindestens einem der Eingangsanschlüsse über die PFC-Stufe und den Vorladewiderstand in den Zwischenkondensator. Der Vorladewiderstand verringert den Einschaltstrom und verhindert damit einen Überstrom. Bevorzugt zur Vermeidung der Verluste des Vorwiderstands wird dieser mittels Schließen des ersten Schaltelementes bei im Wesentlichen aufgeladenen Zwischenkondensator überbrückt.
  • Eine externe Energiequelle ist bevorzugt ein ein- oder mehrphasiges, bevorzugt 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 bevorzugt mit einem entsprechenden Wechselspannungsnetz über die n-phasige Eingangsanschlusseinheit verbunden oder an die entsprechende Wechselspannung angeschlossen. Bevorzugt umfasst die n-phasige Eingangsanschlusseinheit einen Neutralleiteranschluss zum Anschließen eines Neutralleiters des anzuschließenden Wechselspannungsnetzes. Eine zu ladende Batterie ist bevorzugt ein Akkumulator oder eine Traktionsbatterie, mittels derer Energie ein elektrischer Antriebstrang eines Fahrzeugs betrieben wird. Eine Gleichrichtungsschaltung ist bevorzugt ein Gleichrichter zur Wandlung des Wechselstroms in einen Gleichstrom. 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 MOS-FET, 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.
  • In einer Ausgestaltung wird zum Aufladen des Zwischenkondensators vor Beginn eines Ladevorgangs das erste Schaltelement geöffnet, dass kein Ladestrom von den positiven Enden der Halbbrücken über das erste Schaltelement zu dem positiven Zwischenanschluss fließt.
  • Vorteilhaft wird eine Ansteuerung des ersten Schaltelementes bereitgestellt, die einen Stromfluss durch das erste Schaltelement verhindert beim Aufladen des Zwischenkondensators. Da der Strom durch den dem ersten Schaltelement parallel geschalteten Vorladewiderstand fließt entsteht kein hoher Einschaltstrom oder Überstrom durch die Phasen der Eingangsanschlusseinheit.
  • In einer Ausgestaltung wird der Zwischenkondensator so lange aufgeladen, bis die Spannung am Zwischenkondensator einem vorgebbaren Spannungswert entspricht oder diesen überschreitet.
  • Das Öffnen des ersten Schaltelementes für den Aufladevorgang des Zwischenkondensators wird so lange durchgeführt, bis die Spannung am Zwischenkondensator einem vorgebbaren Spannungswert entspricht oder diesen überschreitet. Hierzu wird die Spannung am Zwischenkondensator mittels einer Ermittlungseinheit oder einer Messeinrichtung ermittelt und mit dem vorgebbaren Spannungswert verglichen. Dieser vorgebbare Spannungswert wird in Abhängigkeit der an mindestens einem der Eingangsanschlüsse anliegenden Spannung vorgegeben oder entspricht dieser. Zur Bestimmung des vorgebbaren Wertes wird bevorzugt die Spannung, die an einem der Eingangsanschlüsse anliegt, mittels einer geeigneten Ermittlungseinheit oder Messeinrichtung ermittelt und bevorzugt in Abhängigkeit des Betrags der maximalen Amplitude als Spannungswert vorgegeben. Alternativ wird bevorzugt der Spannungswert in Abhängigkeit der angeschlossenen Wechselspannung oder der Region, in der das Ladegerät betrieben wird, vorgegeben, oder bevorzugt aus einem Kennfeld ausgelesen und vorgegeben.
  • Alternativ wird in einer anderen Ausgestaltung der Zwischenkondensator so lange aufgeladen, bis der Wechselstrom durch mindestens eine der Anschlussleitungen einen vorgebbaren Wechselstromwert unterschreitet. Bevorzugt beträgt der vorgebbare Wechselstromwert 100mA. Bevorzugt wird der vorgebbare Wechselstromwert so gering vorgegeben, dass bei einem anschließenden Ansteuern des ersten Schaltelementes derart, dass ein Ladestrom von den positiven Enden der Halbbrücken über das erste Schaltelement zu dem positiven Zwischenanschluss geleitet wird, kein Überstrom auftritt. Bevorzugt wird hierzu der Wechselstrom während des Aufladens des Zwischenkondensators mittels einer Wechselstrommesseinheit ermittelt. Die Wechselstrommesseinheit ist hierzu bevorzugt mindestens zwischen einem der Eingangsanschlüsse und dem Zwischenanschluss angeordnet.
  • Vorteilhaft wird eine Ansteuerung für das Ladegerät bereitgestellt, die einen hohen Einschaltstrom durch die Phasen der Eingangsanschlusseinheit zum Anschließen der mehrphasigen Wechselspannung verhindert.
  • In einer anderen Ausgestaltung wird zur Bereitstellung von elektrischer Energie am Zwischenanschluss für einen Ladevorgang eine an der Eingangsanschlusseinheit bereitgestellte Wechselspannung über die PFC-Stufe zumindest teilweise als Gleichspannung am positiven Zwischenanschluss und am negativen Zwischenanschluss bereitgestellt, wobei das erste Schaltelement geschlossen wird, dass ein Ladestrom von den positiven Enden der Halbbrücken über das erste Schaltelement zu dem positiven Zwischenanschluss fließt.
  • Bei einem Ladevorgang wandelt das Ladegerät an der Eingangsanschlusseinheit bereitgestellte elektrische Energie, die bereitgestellte Wechselspannung oder den bereitgestellten Wechselstrom, in eine Ladespannung zum Laden einer Batterie um, bevorzugt zum Laden einer Fahrzeugbatterie. Hierzu ist das Ladegerät zweistufig aufgebaut. Mittels der ersten Stufe, der PFC-Stufe, wird die sinusförmige Eingangsspannung aus dem Wechselspannungsnetz in eine Gleichspannung am Spannungszwischenkreis gewandelt. Mittels der zweiten Stufe, einem nachgeschalteten Gleichspannungswandler, der bevorzugt eine galvanische Trennung über einen Transformator sicherstellt, werden die Spannungsebenen angepasst und ausgangsseitig mittels einer Schaltung und einer Regelung die Ladespannung und der Ladestrom zum Laden der Batterie bereitgestellt.
  • Vorteilhaft wird eine Topologie bereitgestellt, die für einen Ladevorgang ein Bereitstellen einer Gleichspannung am Zwischenanschluss ermöglicht, wobei die Energie dafür von einer externen Energiequelle, die eine mehrphasige Wechselspannung an der Eingangsanschlusseinheit bereitstellt, bereitgestellt wird.
  • In einer anderen Ausgestaltung ist der Zwischenkondensator als Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator und einem zweiten Kondensator ausgestaltet.
  • Der Zwischenkondensator 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.
  • Vorteilhaft wird eine geeignete Schaltungstopologie zum Anschluss eines Neutralleiters bereitgestellt.
  • Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit einem Ladegerät, wie oben beschrieben, wobei der Antriebstrang insbesondere eine Traktionsbatterie, einen Wechselrichter und/ oder eine elektrische Maschine umfasst. Vorteilhaft wird ein Antriebsstrang eines elektrischen Fahrzeugs mit einem Ladegerät mit einer vereinfachten Schaltungstopologie bereitgestellt.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang, wie oben beschrieben.
    Vorteilhaft wird ein Fahrzeug mit einem Ladegerät mit einer vereinfachten Schaltungstopologie bereitgestellt.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines wie oben vorgestellten Ladegerätes mit dem Schritt: Ansteuern des ersten Schaltelementes sowie der High-Side und Low-Side Schalter der Halbbrücken zum Bereitstellen von elektrischer Energie am Zwischenkondensator.
  • Mittels der Ansteuerung des ersten Schaltelementes und der Schalter der Halbbrücken wird die am Eingangsanschluss anliegende Wechselspannung zunächst zum Aufladen des Zwischenkondensators verwendet und anschließend dauerhaft in eine Gleichspannung gewandelt zur Versorgung des angeschlossenen Gleichspannungswandlers des Ladegerätes zur Erzeugung der Ladespannung für die zu ladende Batterie. Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem eine Bereitstellung einer Gleichspannung am Spannungszwischenkreis ermöglicht wird.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren auszuführen.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren auszuführen.
  • 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.
  • Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform einer Schaltungstopologie für ein Ladegerät
    • 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Schaltungstopologie für ein Ladegerät,
    • 3 ein schematisch dargestelltes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang mit einem Ladegerät,
    • 4 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb eines Ladegeräts
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die 1 zeigt ein Ladegerät 500, bevorzugt für ein Fahrzeug. Das Ladegerät 500 umfasst eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit 100 zum Anschließen einer beispielhaft dargestellten dreiphasigen Wechselspannung, eine PFC-Stufe 200 zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem Zwischenanschluss 300. Die PFC-Stufe 200 des Ladegerätes 500 umfasst eine erste 210, eine zweite 220 und eine dritte 230 Halbbrücke. Die erste, zweite und dritte Halbbrücke 210, 220, 230 umfasst 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 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 der Mittenabgriff der ersten Halbbrücke 210 über die erste Drossel 202 über die erste Anschlussleitung 110 mit dem ersten Eingangsanschluss L1 verbindbar. Somit ist der Mittenabgriff der zweiten Halbbrücke 220 über die zweite Drossel 204 über die zweite Anschlussleitung 120 mit dem zweiten Eingangsanschluss L2 verbindbar. Somit ist 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 mit dem zweipoligen Zwischenanschluss 300 verbunden. Die High-Side-Schalter sind 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 Batterie 470, bevorzugt einer Traktionsbatterie oder Hochvolt-Batterie. Bevorzugt ist parallel zu der Batterie 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 Niederspannungsverbraucher 480, sind an das Bordnetz des Fahrzeugs 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 liegt ausgangsseitig am Gleichspannungswandler 450 an.
  • Ausgehend von dem Ladegerät 500 nach 1 umfasst das erfindungsgemäße Ladegerät 500 nach 2 eine ein- oder mehrphasige, eine n-phasige Eingangsanschlusseinheit 100 zum Anschließen einer mehrphasigen Wechselspannung mit n-Phasen, wobei n größer gleich 1 ist. Beispielhaft ist eine dreiphasige Eingangsanschlusseinheit zum Anschließen einer ein- bis dreiphasigen Wechselspannung dargestellt. Die n-Halbbrücken 210, 220, 230 sind parallel geschaltet. Die High-Side-Schalter der Halbbrücken sind mit den positiven Enden der Halbbrücken und die Low-Side-Schalter der Halbbrücken sind mit den negativen Enden der Halbbrücken verbunden. Die negativen Enden der Halbbrücken sind mit dem negativen Zwischenanschluss 320 verbunden. Ein erstes Schaltelement S1 ist einerseits mit den positiven Enden der Halbbrücken und andererseits mit dem positiven Zwischenanschluss 310 verbunden. Es ist dazu eingerichtet, einen Stromfluss zwischen den positiven Enden der Halbbrücken und dem positiven Zwischenanschluss 310 über das erste Schaltelement S1 zu ermöglichen oder zu unterbrechen. Bevorzugt ist dem ersten Schaltelement S1 ein Vorladewiderstand, bevorzugt ein schaltbarer Widerstand, ein Kaltleiter oder PTC -Widerstände, parallel geschaltet, damit ein Anlaufstrom oder Einschaltstrom beim Anschließen einer Wechselspannung an die Eingangsanschlusseinheit 100 abklingt und begrenzt wird, bevor das erste Schaltelement S1 geschlossen wird. Den Halbbrücken 210, 220, 230 ist ein Zwischenkondensator CZ parallel geschaltet. Zwischen den positiven Zwischenanschluss 310 und den negativen Zwischenanschluss 320 ist ein Zwischenkondensator CZ geschaltet. Bevorzugt wird der Zwischenkondensator CZ mittels einer Reihenschaltung aus einem ersten C1 und einem zweiten C2 Kondensator ersetzt (nicht dargestellt). Bevorzugt ist die zweite Anschlussleitung 120 ist in einen ersten Teil der zweiten Anschlussleitung 120_1 und in einen zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung 120_2 aufgeteilt. Bevorzugt ist hierzu ein zweites Schaltelement S2 vorgesehen, welches zwischen dem ersten Teil der zweiten Anschlussleitung 120_1 und dem zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung 120_2 angeordnet ist. Bevorzugt ist das zweite Schaltelement S2 dazu eingerichtet, einen Ladestrom von dem zweiten Eingangsanschluss L2 über den ersten Teil und den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung 120_1, 120_2 zu der zweiten Drossel 204 zu leiten oder einen Ladestrom von der ersten Anschlussleitung 110 über den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung 120_2 zu der zweiten Drossel 204 zu leiten. Bevorzugt ist zur Umsetzung dieser Funktion das zweite Schaltelement S2 als ein Wechsler ausgestaltet. Bevorzugt wird aufgrund der Ausgestaltung des zweiten Schaltelementes als zweiter Wechsler ein Kurzschluss zwischen der ersten Anschlussleitung und dem ersten Teil der zweiten Anschlussleitung unterbunden. Bevorzugt wäre ein Kurzschluss zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss mittels eines fehlerhaft angesteuerten einfachen Schaltelementes möglich. Mittels des zweiten Wechslers kann dieser Fehlerfall bei der Ansteuerung zuverlässig ausgeschlossen werden. Bevorzugt werden auch noch in weitere Phasen neben der ersten und der zweiten Phase einer PFC-Stufe ein dem zweiten Schaltelement und dessen Anordnung entsprechendes Schaltelement eingebaut. Vorteilhaft wird bevorzugt bei Anschluss einer einphasigen externen Energiequelle der Ladestrom mittels des zweiten und weiterer Schaltelemente auf mehrere Phasen verteilt, um die einzelnen Bauelemente der PFC-Stufe gleichmäßiger zu belasten. Bevorzugt ist jeweils in Reihe zu den Drosseln ein Stromsensor angeordnet zur Ermittlung des Stroms durch die jeweilige Drossel 202, 204, 206 (nicht dargestellt). In Abhängigkeit der ermittelten Ströme werden bevorzugt die High-Side-Schalter und die Low-Side-Schalter sowie die Schaltelemente angesteuert zur Umsetzung der gewünschten Betriebsmodi. Bevorzugt ist ein Spannungssensor (V) zwischen dem positiven und dem negativen Zwischenanschluss 310, 320 angeordnet zur Ermittlung oder Messung der Spannung am Zwischenkondensator. In Abhängigkeit der ermittelten Spannung werden bevorzugt die High-Side-Schalter und die Low-Side-Schalter sowie die Schaltelemente angesteuert zur Umsetzung der gewünschten Betriebsmodi. Bevorzugt ist der negative Zwischenanschluss 320 mit Masse GND verbunden. Bevorzugt ist GND ein internes Spannungspotential. Bevorzugt wird die Spannung am Zwischenkondensator zwischen dem positiven Zwischenanschluss 310 und dem negativen Zwischenanschluss 320 gemessen oder ermittelt. Bevorzugt wird die Spannung am Eingangsanschluss gegen einen Neutralleiteranschluss (nicht dargestellt) gemessen und ermittelt. Bevorzugt sind die Schaltelemente als Halbleiterschalterbauelemente (IGBT oder MOSFETS, basierend auf Si, SiC oder GaN) oder als Schütze oder Relais vorgesehen.
  • Die 3 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.
  • 4 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 werden das erste Schaltelement S1 sowie die High-Side und Low-Side Schalter der Halbbrücken 210, 220, 230 zum Bereitstellen von elektrischer Energie am Zwischenkondensator CZ angesteuert. Mit Schritt 815 endet das Verfahren.

Claims (10)

  1. Ladegerät für ein Fahrzeug, wobei das Ladegerät (500) eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit (100) zum Anschließen einer ein - oder mehrphasigen Wechselspannung mit n-Phasen, wobei n größer gleich 1 ist, und eine PFC-Stufe (200) zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem zweipoligen Zwischenanschluss (300) umfasst, wobei die PFC-Stufe (200) je Phase der n-Phasen eine Halbbrücke (210, 220, 230) umfasst, wobei eine Halbbrücke (210, 220, 230) jeweils eine Reihenschaltung mit einem High-Side-Schalter (211, 213, 215) und einem Low-Side-Schalter (212, 214, 216) umfasst, wobei jeweils ein Mittenabgriff zwischen dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter der Halbbrücke über jeweils eine Drossel (202, 204, 206) mit jeweils einem der n-Eingangsanschlüsse (L1, L2, L3) der Eingangsanschlusseinheit (100) über jeweils eine n- te Anschlussleitung (110, 120, 130) verbindbar ist, wobei die n-Halbbrücken (210, 220, 230) parallel geschaltet sind und wobei die High-Side-Schalter mit den positiven Enden der Halbbrücken und die Low-Side-Schalter mit den negativen Enden der Halbbrücken verbunden sind, wobei die negativen Enden der Halbbrücken mit dem negativen Zwischenanschluss (320) verbunden sind, wobei zwischen den positiven Zwischenanschluss (310) und den negativen Zwischenanschluss (320) ein Zwischenkondensator (CZ) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass wobei ein erstes Schaltelement (S1) einerseits mit den positiven Enden der Halbbrücken und andererseits mit dem positiven Zwischenanschluss (310) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, einen Stromfluss zwischen den positiven Enden der Halbbrücken und dem positiven Zwischenanschluss (310) über das erste Schaltelement (S1) zu ermöglichen oder zu unterbrechen.
  2. Ladegerät nach Anspruch 1, wobei zum Aufladen des Zwischenkondensators (CZ) vor Beginn eines Ladevorgangs das erste Schaltelement (S1) geöffnet wird, dass kein Ladestrom von den positiven Enden der Halbbrücken über das erste Schaltelement (S1) zu dem positiven Zwischenanschluss (310) fließt.
  3. Ladegerät nach Anspruch 2, wobei der Zwischenkondensator (CZ) solange aufgeladen wird, bis die Spannung am Zwischenkondensator (CZ) einen vorgebbaren Spannungswert überschreitet.
  4. Ladegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Bereitstellung von elektrischer Energie am Zwischenanschluss (300) für einen Ladevorgang eine an der Eingangsanschlusseinheit (100) bereitgestellte Wechselspannung über die PFC-Stufe (200) zumindest teilweise als Gleichspannung am positiven Zwischenanschluss (310) und am negativen Zwischenanschluss (320) bereitgestellt wird, wobei das erste Schaltelement (S1) geschlossen wird, dass ein Ladestrom von den positiven Enden der Halbbrücken über das erste Schaltelement (S1) zu dem positiven Zwischenanschluss (310) fließt.
  5. Ladegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zwischenkondensator (CZ) als Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator (C1) und einem zweiten Kondensator (C2) ausgestaltet ist.
  6. Antriebsstrang (600) eines Fahrzeugs (700) mit einem Ladegerät (500) nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei der Antriebstrang (600) insbesondere eine Traktionsbatterie (470), einen Wechselrichter (472) und/ oder eine elektrische Maschine (474) umfasst.
  7. Fahrzeug (700) mit einem Antriebsstrang (600) nach Anspruch 6.
  8. Verfahren (800) zum Betrieb eines Ladegerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit dem Schritt: Ansteuern (810) des ersten Schaltelementes (S1) sowie der High-Side und Low-Side Schalter der Halbbrücken (210, 220, 230) zum Bereitstellen von elektrischer Energie am Zwischenkondensator (CZ).
  9. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren (800) nach Anspruch 8 auszuführen.
  10. Computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren (800) nach Anspruch 8 auszuführen.
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