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Kraftfahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen ein Bordnetz mit einem elektrischen Energiespeicher in Form einer Batterie auf, die zum Antreiben des Kraftfahrzeugs den elektrischen Antrieb speist. Diese Batterien werden Traktionsbatterien genannt. Es werden bekanntermaßen Plug-In-Anschlüsse, d.h. galvanisch verbindende Anschlüsse am Kraftfahrzeug verwendet, um den Energiespeicher aufzuladen oder zur Rückspeisung mit einem stationären Versorgungsnetz verbinden. Hierzu werden Ladestationen eingesetzt, die zwischen dem Versorgungsnetz und dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs geschaltet sind. Derartige Kraftfahrzeuge können Elektrofahrzeuge sein oder können Hybridfahrzeuge sein, die im Gegensatz zu Elektrofahrzeugen einen von mehreren Antrieben aufweisen, der elektrisch ist. Über einen entsprechenden Anschluss, etwa ein Steckanschluss, werden die Kraftfahrzeuge elektrisch von außen kontaktiert, um so Leistung zwischen Fahrzeug und Versorgungsnetz zu übertragen. Versorgungsnetze haben eine konstante Nennspannung, die sich in eine Gleichspannung wandeln lässt, deren Höhe jedoch nicht bei jedem Traktionsbatteriezustand zu der aktuellen Spannungshöhe der Traktionsbatterie passt. Beispielsweise kann bei einem dreiphasigen Wechselstromsystem als Versorgungsnetz die sich aus der verketteten Wechselspannung ergebende Gleichspannung zu hoch sein für eine Traktionsbatterie mit geringem Ladezustand, etwa weil die resultierende Spannungsdifferenz (und somit der Ladestrom) zu hoch wäre.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs auf einfache Weise und mit hoher Leistung bei unterschiedlichen Spannungslagen der Traktionsbatterie laden lässt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Vorteile und Wirkungsweisen ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der beigefügten Figur.
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Zur Erläuterung der hier beschriebenen Ladestation wird deren Funktionsweise anhand eines Verfahrens erläutert, wie es im Folgenden beschrieben ist.
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Es wird ein Verfahren zum Übertragen von elektrischer Leistung beschrieben. Hierbei wird Leistung zwischen einer Ladestation und einem Fahrzeugbordnetz übertragen, insbesondere zwischen einer Ladestation und einem Punkt des Fahrzeugbordnetzes übertragen, wobei über diesen Punkt ein Inverter des Fahrzeugbordnetzes mit einer Traktionsbatterie des Fahrzeugbordnetzes verbunden ist. Mit anderen Worten wird elektrische Energie zwischen der Ladestation und einem batterieseitigen Anschluss des Inverters übertragen. Der Punkt kann insbesondere den Klemmenanschlüssen der Traktionsbatterie entsprechen oder kann ein Punkt sein, über den der Inverter über einen DC/DC-Wandler mit der Traktionsbatterie verbunden ist.
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Das Übertragen von elektrischer Leistung entspricht vorzugsweise einem Ladevorgang, bei dem von der Ladestation Leistung an das Fahrzeugbordnetz bzw. an die Traktionsbatterie abgegeben wird. Weiterhin kann jedoch auch verfahrensgemäß elektrische Leistung in umgekehrter Richtung übertragen werden, etwa von der Traktionsbatterie zur Ladestation, die in diesem Fall als Einspeisestation arbeitet (und insbesondere bidirektional ausgestaltet ist).
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Das Verfahren sieht vor, dass die übertragene Leistung gewandelt wird zwischen einer Gleichstromsignalform und einer Wechselstromsignalform. Beim Laden wird die Leistung gewandelt von einem Wechselstromsignal in ein Gleichstromsignal und beim Rückspeisen wird die Leistung gewandelt von einem Gleichstromsignal (des Fahrzeugbordnetzes) in ein Wechselstromsignal. Das Wechselstromsignal weist eine Phasenanzahl auf. Die Phasenanzahl gibt die Anzahl der Phasen wieder, die Außenleiter sind. Mit anderen Worten gibt die Phasenanzahl des Wechselstromsignals diejenige Anzahl an Wechselströmen wieder, deren Potential sich gegenüber einem Bezugspotential, etwa einem Neutralleiter, unterscheidet.
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Um eine Anpassung an den Zustand der Traktionsbatterie herbeizuführen, wird die Phasenanzahl geändert. Wenn ein Schwellenwert erreicht ist, der einen Batteriezustand wiedergibt, wird die Anzahl der Phasen somit geändert, wodurch sich eine Anpassung der Spannung des Gleichstromsignals ergibt. Hierbei ist das Erreichen des Schwellenwerts das Ereignis, welches zum Ende der Phasenanzahl führt. Welche Ereignisse das Ändern der Phasenanzahl veranlassen können, ist im Weiteren dargestellt. Es kann beispielsweise der Übertragungsvorgang überwacht oder gesteuert werden, wobei hierbei das Überschreiten oder Unterschreiten des Schwellenwerts festgestellt wird und daraufhin eine (andere als die aktuelle) Phasenanzahl vorgegeben wird, oder wobei ein beim Überwachen oder Steuern eine Sollspannung oder ein Soll-Spannungsbereich ermittelt wird, der eine Änderung der Phasenanzahl erfordert.
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Das hier beschriebene Verfahren kann verwendet werden, um elektrische Leistung von der Ladestation an den Punkt zu übertragen, um so einen Ladevorgang zu realisieren. Alternativ kann elektrische Leistung von dem Punkt des Fahrzeugbordnetzes an die Ladestation übertragen werden, wodurch ein Rückspeisevorgang realisiert wird. Die Ladestation kann unidirektional ausgebildet sein, um nur eine Übertragung ausgehend von der Ladestation zu realisieren, oder kann bidirektional ausgestaltet sein, um neben dem Ladevorgang auch den Rückspeisevorgang ausführen zu können.
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Beim Übertragen von elektrischer Leistung ausgehend von der Ladestation wird die Phasenanzahl erhöht, wenn der Schwellenwert erreicht wird. Das Ändern der Phasenanzahl wird somit ausgeführt durch Erhöhen dieser Phasenanzahl. Übertragen von elektrischer Leistung zu der Ladestation hin, wird beim Erreichen des Schwellenwerts die Phasenanzahl verringert. Dies gilt insbesondere für Einleiter-Dreileiternetze, wie sie insbesondere in europäischen Versorgungsnetzen anzutreffen sind. Das Erhöhen der Phasenanzahl, d.h. der Anzahl der angeschlossenen Außenleiter, geht bei derartigen Netzen einher mit einer Erhöhung der Leistung bzw. der (verketteten) Spannung. Es tritt eine Erhöhung der Leistung auf, wenn die Phasenanzahl erhöht wird, etwa bei einer Umschaltung von einphasige auf dreiphasige Versorgung. Das Ändern der Phasenzahl ist verknüpft mit der Erhöhung der Leistung beim Übertragen von Leistung ausgehend von der Ladestation, etwa um beim Laden die Ladeleistung zu erhöhen, wenn die zu ladende Batterie eine ausreichende Spannung (vgl. den hier genannten Schwellwert) erreicht hat. Beim Übertragen von Leistung ausgehend von der Ladestation ist das Ändern der Phasenanzahl synonym zu einer Erhöhung der Leistung bzw. Spannung durch Änderung der Anschlusskonfiguration. Beim Übertragen von Leistung ausgehend zu der Ladestation hin (d.h. beim Rückspeisen) ist das Ändern der Phasenanzahl synonym zu einer Verringerung der Leistung bzw. Spannung durch Änderung der Anschlusskonfiguration, wie im Weiteren dargestellt ist. Bei einem unsymmetrischen System, bei dem eine Phase eine höhere Spannung ggü. einem Bezugspotential wie Erde ausweist als eine andere Phase (etwa ein ergänztes Drehstromsystem wie es in Nordamerika verwendet wird), dann soll die Änderung der angeschlossenen Phase (unter Änderung der Spannung) auch als Änderung der Phasenanzahl betrachtet werden, da die Änderung der verwendeten Phase den gleichen Effekt hat wie die Erhöhung der an den ACDC-Wandler angeschlossenen Phasen (etwa von 1 auf 3) eines symmetrischen Systems.
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Bei dem Übertragen von elektrischer Leistung zu der Ladestation hin (d. h. beim Rückspeisen) wird der Schwellenwert von oben erreicht, beispielsweise wenn es sich um eine Klemmenspannung handelt, während beim Laden, d. h. Übertragen von Leistung an die Traktionsbatterie der Schwellenwert von unten erreicht wird, insbesondere wenn der Schwellenwert eine Klemmenspannung wiedergibt. Anstatt einer Klemmenspannung kann auch der Ladezustand betrachtet werden. Die Phasenanzahl wird beim Ladevorgang daher erhöht, wenn ein Schwellenwert erreicht bzw. überschritten wird. Die Phasenanzahl wird verringert, wenn beim Rückspeisen ein Schwellenwert erreicht und unterschritten wird. Neben der hier dargestellten Abhängigkeit von einem Zustand der Batterie können auch andere Mechanismen verwendet werden, um die Phasenanzahl abhängig von einem Ereignis zu ändern, wie im Weiteren dargestellt ist.
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Als ein Beispiel kann die Phasenanzahl von eins auf drei erhöht werden. Hierbei kann anfangs ein Wechselstromsignal verwendet werden, das durch die Spannung zwischen einer Phasenleitung und einem Neutralleiter oder Sternpunkt definiert ist (oder auch zwischen zwei Phasen besteht, etwa in Nordamerikanischen Systemen). Nach dem Erhöhen der Phasenanzahl (in Europäischen, d.h. nicht erweiterten Dreileitersystemen) kann das Wechselstromsignal ein Drehstromsignal sein, d. h. ein Wechselstromsignal mit drei Phasen. Beim Verringern der Phasenanzahl kann von einem entsprechenden dreiphasigen Wechselstromsignal bzw. Drehstrom-Wechselstromsignal auf ein einphasiges System wie vorangehend erwähnt gewechselt werden. Das Ändern der Phasenanzahl kann daher vorsehen, dass zunächst einphasig geladen wird und dann dreiphasig, oder zunächst dreiphasig zurückgespeist wird, und dann einphasig. Mit anderen Worten kann das Ändern der Phasenanzahl vorgesehen werden durch Ändern des Ladevorgangs von einphasigen Laden auf dreiphasiges Laden.
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In erweiterten Dreiphasenwechselstromsystemen (als Versorgungsnetz) besteht eine Anzapfung in der Mitte (bezogen auf die jeweiligen Potentiale) einer zwischen einer ersten und einer zweiten Phase, etwa innerhalb einer Transformatorwicklung des Versorgungsnetzes. Die Anzapfung („High Leg“) ist mit einem Neutralleiter bzw. mit einem Bezugspotential (Erde) verbunden. Zwischen zwei Phasen besteht eine erste Spannung, während zwischen einer dritten Phase des Systems einerseits und der Anzapfung (bzw. dem Bezugspotential) andererseits eine höhere Spannung besteht. Wird daher von einer Anbindung über zwei Phasen (die erste und zweite Phase) eine geringere Leistung übertragen als bei einer Anbindung über die dritte Phase und der Anzapfung. Zur Erhöhung der Leistung bzw. der Spannung wird daher von einer Anbindung über zwei Phasen auf eine Anbindung über die dritte Phase und die Anzapfung (d.h. Bezugspotential), oder mit anderen Worten auf eine Anbindung über eine Erweiterung des Dreileiternetzes, gewechselt. Diese Erhöhung tritt auf bei der Übertragung ausgehend von der Ladestation (etwa, wenn ein Schwellenwert überschritten wurde) und entspricht dem Ändern der Phasenanzahl, insbesondere beim Laden. Zur Verringerung der Leistung bzw. der Spannung wird daher auf eine Anbindung über zwei Phasen ausgehend von einer Anbindung über die dritte Phase und die Anzapfung, oder mit anderen Worten auf eine Anbindung über zwei Phasen des Dreileiternetzes, gewechselt. Diese Verringerung tritt auf bei der Übertragung von Leistung zur Ladestation hin (etwa, wenn ein Schwellenwert überschritten wurde) und entspricht dem Ändern der Phasenanzahl, insbesondere bei der Rückspeisung. Ferner kann die Phasenanzahl dahingehend geändert werden, dass zunächst eine dreiphasige Übertragung stattfindet und das Ändern der Phasenanzahl dadurch ausgeführt wird, dass statt der dreiphasigen Übertragung/Konfiguration die oben genannte dritte Phase und die Anzapfung zur Übertragung verwendet werden, etwa um die Leistung zu verringern. Zudem kann die Phasenanzahl dahingehend geändert werden, dass zunächst eine dreiphasige Übertragung stattfindet und das Ändern der Phasenanzahl dadurch ausgeführt wird, dass statt der dreiphasigen Übertragung/Konfiguration die oben genannte dritte Phase und die Anzapfung zur Übertragung verwendet werden, etwa um die Leistung zu verringern. Schließlich kann die Phasenanzahl dahingehend geändert werden, dass zunächst das „High leg“ und die (hinsichtlich des Potential) gegenüberliegende (dritte) Phase angeschlossen ist, und das Ändern der Phasenanzahl dadurch ausgeführt wird, dass statt der Übertragung über die Erweiterung des Drehstromsystems (d.h. über das „High leg“) die Spannung zwischen zwei Phasen zur Übertragung verwendet wird, etwa um die Leistung zu erhöhen.
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Ausgelöst wird das Ändern durch ein Ereignis, insbesondere durch das Erreichen des Schwellenwerts bzw. durch dessen Unter- oder Überschreiten. Der Schwellenwert, bei dessen Erreichen die Phasenanzahl geändert wird, kann ein vorgegebener Ladezustand der Traktionsbatterie sein, kann eine vorgegebene Klemmenspannung der Traktionsbatterie sein, kann eine vorgegebene Abgabeleistung oder kann eine vorgegebene Aufnahmeleistung der Traktionsbatterie sein.
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Erreicht beispielsweise der Ladezustand der Traktionsbatterie von anfänglichen 20 % einen Ladezustand von 80 %, dann wird die Phasenanzahl erhöht, beispielsweise in den von einphasigen Laden auf dreiphasigen Laden umgeschaltet wird. Als auslösender Parameter, d. h. als Grundlage für das betreffende Ereignis, kann auch die Klemmenspannung verwendet werden, wobei von einphasigen Laden auf dreiphasiges Laden umgeschaltet wird, wenn die Leerlaufspannung die Spitzen-Spitzenspannung des Wechselstromsignals (vor Ändern der Phasenanzahl) aufweist. Bei einem einphasigen Wechselspannungssystem mit einer Effektivspannung von 230 Volt ergibt sich nach Gleichrichtung eine Spannung von ca. 325 Volt. Sobald diese Spannung (einschließlich einer ggf. vorhandenen positiven oder negativen Marge) erreicht ist, kann auf dreiphasiges Laden umgestellt werden, bei dem sich bei einer Effektivspannung von 400 Volt (dreiphasiges System mit dem Effektivwert einer Einzelphase von 230 Volt) ein gleichgerichtetes Gleichstromsignal von 565 Volt ergibt.
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Das Wandeln der Leistung ist im Falle des Ladens ein Gleichrichten. Das Gleichrichten kann ungesteuert durchgeführt werden, kann jedoch vorzugsweise auch gesteuert ausgeführt werden, etwa wenn nach dem Ändern der Phasenanzahl eine zu hohe Spannung am Gleichstromsignal auftreten würde. Nach dem Ändern der Phasenanzahl wird somit vorzugsweise das Wandeln betrieben mittels einer Phasenanschnittsteuerung, d. h. mittels eines gesteuerten Gleichrichters. Mittels der Phaseneinschnittsteuerung kann in bekannter Weise die sich ergebende Spannung des Gleichstromsignals eingestellt werden. Insbesondere im Rahmen einer Regelung, deren Regelungsziel eine Sollspannung ist. Diese Sollspannung entspricht der Soll-Ladespannung, die sich mit dem Ladezustand der Traktionsbatterie verändern kann.
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Die Phasenanzahl wird verändert, wenn eine Ist-Zustandsgröße der Traktionsbatterie den Schwellenwert erreicht. Das auslösende Ereignis zur Änderung der Phasenanzahl kann somit das Erreichen des Schwellenwerts sein, wobei hierbei eine Ist-Zustandsgröße (Klemmenspannung, Leerlaufspannung, Abgabeleistung, Aufnahmeleistung oder auch die Temperatur) verwendet wird. Ferner kann ein Soll-Spannungsbereich vorgegeben sein, wobei die Änderung des Soll-Spannungsbereichs das Ereignis ist, welches zum Ändern der Phasenanzahl führt. Mit anderen Worten können Soll-Spannungsbereiche (für das Gleichstromsignal) vorgegeben werden, wobei beispielsweise jeder Phasenanzahl oder zumindest zwei verschiedenen Phasenanzahlen unterschiedliche Soll-Spannungsbereiche zugeordnet sind. Die vorangehend genannten Ist-Zustandsgrößen und auch der hier genannte Soll-Spannungsbereich kann von dem Fahrzeugbordnetz vorgegeben werden. Bei Ist-Zustandsgrößen können diese ermittelt werden und insbesondere an die Ladestation abgegeben werden. Ein Soll-Spannungsbereich kann beispielsweise von einem Lademanagement der Traktionsbatterie vorgegeben werden und übermittelt werden. Weiterhin kann von einem derartigen Management auch direkt die Phasenanzahl abgegeben werden, ggf. einschließlich eines Phasenanschnittparameters. Zudem kann anstatt eines Soll-Spannungsbereichs auch eine Sollspannung vorgegeben werden, insbesondere von dem Batteriemanagement, um so direkt die Spannung vorzugeben, welche ggf. unter Änderung der Phasenanzahl und insbesondere durch Einstellen der betreffenden Phaseneinschnittsteuerung vorgesehen wird.
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Die Leistung wird vorzugsweise in der Ladestation gewandelt. Auch die Phasenanzahl wird in der Ladestation geändert. Hierzu kann die Ladestation eine Schalteinheit aufweisen, mittels der die Phasenanzahl geändert werden kann.
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Es wird im Folgenden eine Ladestation für konduktiv ladbare Fahrzeuge beschrieben, wie sie in Anspruche 1 dargestellt ist. Die Ladestation ist eingerichtet, das hier beschriebene Verfahren auszuführen.
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Die Ladestation weist eine Gleichspannungsschiene, einen Fahrzeuganbindungsanschluss, einen mehrphasigen AC-Versorgungsnetzanschluss und einen AC/DC-Wandler auf. Der Wandler ist zwischen dem Versorgungsnetzanschluss und der Gleichspannungsschiene angeschlossen. Der Fahrzeuganbindungsanschluss ist eingerichtet, mit einem Fahrzeugbordnetz gekoppelt zu werden und ist insbesondere gemäß einem Ladestandard ausgebildet. Der AC-Versorgungsnetzanschluss entspricht einem Wechselstrom-Versorgungsnetzanschluss und weist ein Wechselstromsignal auf. Der AC/DC-Wandler ist ein Gleichrichter, insbesondere ein ungesteuerter oder vorzugsweise ein gesteuerter Gleichrichter und kann undirektional oder bidirektional ausgestaltet sein. Der AC-Versorgungsnetzanschluss ist insbesondere ein Drehstromanschluss.
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Der AC-Versorgungsnetzanschluss ist über eine Schalteinheit mit dem AC/DC-Wandler verbunden. Mittels der Schalteinheit kann die Phasenanzahl geändert werden. Mit anderen Worten sind verschiedenen Schaltzuständen der Schalteinheit auch unterschiedliche Phasenanzahlen zugeordnet. Die Schalteinheit weist mindestens einen ersten und einen zweiten Schaltzustand auf. In den unterschiedlichen Schaltzuständen sind eine unterschiedliche Anzahl von Phasen des AC-Versorgungsnetzanschluss mit dem AC/DC-Wandler verbunden. Im ersten und im zweiten Schaltzustand sind somit unterschiedliche Phasenanzahlen des AC-Versorgungsnetzanschluss mit dem AC/DC-Wandler verbunden. Durch die Ansteuerung des Schaltzustandes kann somit mittels der Schalteinheit die Phasenanzahl eingestellt werden, über die das Wechselstromsignal verfügt.
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Die Schalteinheit kann eine elektromechanische oder eine halbleiterbasierte Schalteinheit sein. Die Schalteinheit kann jeweils ein Schaltelement für jede Phase bis auf eine aufweisen. Die Schaltelemente der Schalteinheit können eingerichtet sein, sowohl verfahrensgemäß als auch gemäß einer Trennsignalvorgabe angesteuert zu werden. Dadurch erhalten die Schalteinheiten zusätzlich die Funktion eines Sicherheitsmechanismus, der bei Bestehen eines Fehlers auslöst und den AC/DC-Wandler von dem Versorgungsnetz abtrennt, das über den Versorgungsnetzanschluss angeschlossen ist.
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Im ersten Schaltzustand sind alle Phasen des AC-Versorgungsnetzanschlusses mit dem AC/DC-Wandler verbunden. Dies sind insbesondere drei Phasen. Im zweiten Schaltzustand ist mindestens eine Phase weniger als im ersten Schaltzustand mit dem AC/DC-Wandler verbunden. Jedoch ist im zweiten Schaltzustand mindestens eine Phase mit dem AC/DC-Wandler verbunden. Im zweiten Schaltzustand kann insbesondere nur eine Phase des Versorgungsnetzanschlusses mit dem AC/DC-Wandler über die Schalteinheit verbunden sein. Die Bezeichnung „erste“ und „zweite“ im Kontext des Schaltzustands ist lediglich eine identifizierende Benennung und gibt keine Reihenfolge an. Bei einem Ladevorgang wird insbesondere zunächst der zweite Schaltzustand eingestellt, wobei dann in dem ersten Schaltzustand (d. h. ausgehend von einphasigen Laden auf dreiphasiges Laden) umgeschaltet wird.
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Die Ladestation kann ferner eine Steuerung aufweisen, welche einen Eingang vorsieht. Die Steuerung ist ansteuernd mit der Schalteinheit verbunden. Die Steuerung ist eingerichtet, gemäß einem Kommunikationssignal den Schaltzustand der Schalteinheit zu ändern. Hierbei kann das Kommunikationssignal kann insbesondere von einem Fahrzeug stammen, beispielsweise von einem Fahrzeugbordnetz, von der Traktionsbatterie des Fahrzeugs oder von einem Batteriemanagementsystem des Fahrzeugbordnetzes. Das Kommunikationssignal kann einen Ist-Zustand der Batterie, einen Soll-Spannungsbereich, eine Soll-Spannung oder auch direkt eine gewünschte Phasenanzahl oder einen Lademodus (etwa ein- oder dreiphasig) wiedergeben. Falls das Kommunikationssignal einen Ist-Zustand der Batterie wiedergibt, dann umfasst das Fahrzeug eine Ermittlungseinrichtung, um den entsprechenden Zustand der Batterie zu ermitteln, wobei die Ladestation eingerichtet ist, von dieser Ermittlungseinrichtung den betreffenden Zustand zu empfangen.
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Die Steuerung kann eingerichtet sein als Kommunikationssignal ein Signal zu empfangen, das einen Ladezustand, eine Klemmenspannung, eine Leerlaufspannung, eine Abgabeleistung oder eine Aufnahmeleistung einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs wiedergibt. Die Steuerung ist eingerichtet, unterschiedliche Schaltzustände bei unterschiedlichen Ladezuständen, Klemmenspannungen, Leerlaufspannungen, Abgabeleistungen oder Aufnahmeleistungen einzustellen.
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Die Steuerung kann ferner eingerichtet sein, als Kommunikationssignal ein Signal zu empfangen, das mindestens einen ersten und einen zweiten Soll-Spannungsbereich oder eine erste und eine zweite Soll-Spannung angibt. Die Steuerung ist eingerichtet, bei Empfang des ersten Soll-Spannungsbereichs bzw. der ersten Soll-Spannung den ersten Schaltzustand einzustellen, um bei Empfang des zweiten Soll-Spannungsbereichs oder der zweiten Soll-Spannung den zweiten Schaltzustand einzustellen. Der zweite Soll-Spannungsbereich liegt unter den ersten Soll-Spannungsbereich. Die zweite Soll-Spannung liegt ebenso unter der ersten Soll-Spannung. Die Steuerung kann ferner einen Regelkreis realisieren, bei dem etwa die Spannung oder die Leistung einer Traktionsbatterie als Sollvorgabe vorgegeben wird. Der Regelkreis weist somit als Sollgröße eine Größe auf, die an den Fahrzeuganbindungsanschluss herrscht (d. h. Strom, Spannung oder hierüber fließende Leistung). Die Soll-Größe dieses Regelkreises kann über den Eingang empfangen werden, insbesondere von dem Fahrzeug bzw. von dem Bordnetz oder einem Batteriemanagementsystem. Die Steuerung kann zudem ausgestaltet sein, neben dem ersten und dem zweiten Schaltzustand einen Phasenanschnittzustand vorzusehen, bei zumindest ein Schaltelement der Schalteinheit gemäß einer Phasenanschnittsteuerung eingestellt wird.
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Zudem kann die Steuerung eingerichtet sein, als Kommunikationssignal ein Signal zu empfangen, das eine Soll-Phasenzahl angibt. Anstatt der Soll-Phasenanzahl kann das Kommunikationssignal auch einen Soll-Lademodus angeben. Die Steuerung ist eingerichtet, einen Schaltzustand der Schalteinheit einzustellen, der der Soll-Phasenanzahl bzw. dem Soll-Ladezustand entspricht.
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Es kann auch ein Bordnetz vorgesehen sein, welches einen AC/DC-Wandler umfasst, die er hier beschrieben ist. Dieser AC/DC-Wandler ist über eine Schalteinheit (ebenso wie hier beschrieben) mit einem konduktiven Bordnetzanschlusspunkt (etwa ein Steckverbindungselement) des Bordnetzes verbunden. Der Bordnetzanschlusspunkt ist zum Anschluss an eine Ladestation eingerichtet, die ein Wechselstromsignal mit mehreren Phasen bereithält. Der Bordnetzanschlusspunkt ist mehrphasig. Mittels der in diesem Absatz beschriebenen Schalteinheit kann wie hierin beschrieben die Phasenanzahl verändert werden. Das Bordnetz umfasst eine Steuerungseinheit, die insbesondere mindestens eine der Funktionen der hier beschriebenen Steuerung bereithält und insbesondere eine entsprechende Eingangsschnittstelle aufweist, die mindestens eine der Funktionen des hierin beschriebenen Eingangs hat. Dadurch kann innerhalb des Fahrzeugbordnetzes eine Leistung, die zwischen dem Bordnetzanschlusspunkt und dem restlichen Bordnetz (insbesondere der Batterie) ausgetauscht werden. Die Leistung wird einem Gleichstromsignal (der Batterie oder einem der Batterie nachgeschalteten DCDC-Wandler) und einem Wechselstromsignal (am Bordnetzanschlusspunkt), das eine Phasenanzahl aufweist, gewandelt werden. Es wird wie hierin beschrieben die Phasenanzahl geändert, wenn ein Schwellenwert erreicht ist, der einen Batteriezustand wiedergibt, wenn ein entsprechender Soll-Spannungsbereich oder Soll-Spannungswert vorgegeben wird, oder wenn ein Steuersignal empfangen wird, das eine (Soll-)Phasenanzahl wiedergibt.
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Die Figur dient zur Veranschaulichung der hier beschriebenen Vorgehensweise. Die Figur zeigt eine Ladestation L, die über einen Versorgungsnetzanschluss 14 mit einem Versorgungsnetz VN (Wechselstrom) angeschlossen ist, und die über einen Fahrzeuganbindungsanschluss 12 mit einem Bordnetz BN eines konduktiv ladbaren Fahrzeugs verbunden werden kann.
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Die Figur zeigt eine Ladestation L, die an ein Bordnetz BN eines Plug-In-Fahrzeugs angeschlossen ist, und die ferner an einem Versorgungsnetz VN angeschlossen ist. Hierbei ist das Bordnetz BN über einen Fahrzeuganbindungsanschluss (kabelbasierend) mit der Ladestation LS verbunden. Die Ladestation LS umfasst ferner eine Gleichspannungsschiene 10. Zwischen der Gleichspannungsschiene 10 und dem Versorgungsnetzanschluss 14 ist ein AC/DC-Wandler 40 angeschlossen. Der AC/DC-Wandler 40 ist über eine Schalteinheit, welche die Schalter S1 und S2 umfasst, mit dem Versorgungsnetzanschluss 14 verbunden. Jeder Schalter S1, S2 verbindet eine Phase des (AC-)Versorgungsnetzanschlusses 14 mit der Wechselstromseite des AC/DC-Wandlers 40. Dieser ist insbesondere als Gleichrichter ausgestaltet.
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Im ersten Zustand der Schalteinheit sind die beiden Schalter S1, S2 geschlossen. Es ergibt sich eine dreiphasige Anbindung des AC/DC-Wandlers 40 an den Versorgungsnetzanschluss 14. Der Versorgungsnetzanschlusses 14 ist wiederum dreiphasig, vgl. Phasen L1, L2, L3 und Neutralleiter N mit einem Wechselstrom-Versorgungsnetz VN verbunden. Eine Phase L3 des AC/DC-Wandlers 40 ist direkt mit dem Versorgungsnetzanschluss 14 verbunden. In einem zweiten Zustand, in dem die beiden Schalter S1, S2 geöffnet sind, ergibt sich eine einphasige Anbindung des AC/DC-Wandlers 40 an den Versorgungsnetzanschluss 14. Der Neutralleiter N ist über einen (optionalen) Schalter S3 mit dem AC/DC-Wandler verbunden. Dadurch kann ausgewählt werden, ob die Leistung über eine Spannung zwischen dem Neutralleiter und einer Phase übertragen wird, oder über Spannungen zwischen den Phasen. Hierbei werden wie eingangs erwähnt unterschiedliche Phasenanzahlen verwendet werden, und es ergeben sich unterschiedliche Leistungen bzw. (zum Teil verkettete) Spannungen.
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An der Gleichspannungsschiene ergeben sich für unterschiedliche Schaltzustände unterschiedlich (gleichgerichtete) Spannungen, insbesondere da sich bei einem verketteten Wechselstromsystem bei Gleichrichtung eine höhere Spannung ergibt als bei einem einphasigen Wechselstromsystem gleicher Phasen-Effektivspannung.
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Ferner ist eine Steuerung C dargestellt, die ansteuernd mit der Schalteinheit verbunden ist. Ist die Klemmenspannung oder der Ladezustand der Traktionsbatterie B zunächst gering, dann sind die Schaltelemente S1, S2 geöffnet, wobei die Steuerung die Einstellung des Schaltzustands übernimmt. Erreicht während dem (dann einphasigen) Ladezustand die Klemmenspannung bzw. der Ladezustand über einen bestimmten Schwellenwert, werden die Schaltelemente S1, S2 geschlossen, so dass der AC/DC-Wandler Drehstrom erhält. Aufgrund der höheren Phasenzahl ergibt sich an der Gleichspannungsschiene 10 eine höhere Ladespannung und die Batterie kann auf einen höheren Wert aufgeladen werden.
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Um den Schaltzustand zu entscheiden, empfängt die Steuerung C über einen Eingang E ein Kommunikationssignal K, beispielsweise von dem Fahrzeugbordnetz BN. Abhängig von diesem wird der Schaltzustand der Schalteinheit (umfassend die Schalter S1, S2) eingestellt. Ferner kann abhängig von dem Kommunikationssignal ein Schalter S1 (oder beide Schalter) gemäß einer Phasenanschnittsteuerung eingestellt werden. Es kann für jede Phase ein Schaltelement vorgesehen werden, wobei diese gemäß einer Phasenanschnittsteuerung angesteuert werden können, insbesondere innerhalb eines Regelkreises, der gemäß einer Soll-Spannung die Schalter ansteuert.
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Die untere gestrichelte Linie gibt die Schnittstelle zwischen der Ladestation und dem Versorgungsnetz VN an, zu der insbesondere der Versorgungsnetzanschluss 14 gehört. Die obere gestrichelte Linie gibt die Schnittstelle zwischen Ladestation und Bordnetz BN an, zu der insbesondere der Fahrzeuganbindungsanschluss 12 gehört, insbesondere ein Ladestecker, der über ein Kabel mit dem Rest der Ladestation LS verbunden ist. Über diesen Fahrzeuganbindungsanschluss 12, über einen anderen Anschluss oder auch drahtlos kann das Kompatibilitätssignal K von dem Bordnetz BN an die Steuerung C bzw. an deren Eingang E übertragen werden.
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Die Schaltelemente sind vorzugsweise in einem offenen Schaltzustand, wenn ein Steuereingang des Überbrückungsschalters keinen festgelegten Pegel aufweist (default off). Die Schaltelemente können elektromechanische Schalter sein oder können Halbleiterschalter sein, beispielsweise TRIACs, Thyristoren, MOSFETs oder IGBTs.
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Das Bordnetz BN des Fahrzeugs umfasst eine Batterie B, die über einen Punkt P mit einem Inverter I verbunden ist. Eine Wechselstromseite des Inverter I ist mit einer elektrischen Maschine M verbunden, während die Gleichstromseite des Inverters mit dem Punkt P und somit mit der Batterie B verbunden ist. Ist die Ladestation mit dem Bordnetz verbunden, dann ist der Fahrzeuganbindungsanschluss 12 mit dem Punkt P verbunden. Das Bordnetz BN weist somit einen Ladeanschluss auf, der mit dem Punkt P verbunden ist, und der ausgestaltet ist, mit dem Fahrzeuganbindungsanschluss 12 der Ladestation LS verbunden zu werden.
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Zwischen der Batterie B und dem Inverter I kann ein DC/DC-Wandler zur Aufbereitung der Gleichspannung einer Batterie zur Versorgung des Inverters vorgesehen sein. Der Punkt P, an dem die Ladeleistung eingespeist wird, befindet sich vorzugsweise zwischen einem derartigen DC/DC-Wandler und der Batterie B kann jedoch auch zwischen dem Inverter I und den DC/DC-Wandler des Bordnetzes BN liegen. Wie dargestellt, kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Batterie B direkt, d. h. ohne Stromwandlung mit dem Inverter I verbunden ist, und dass diese Verbindung den Punkt P umfasst.
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Die Steuerung C kann ferner einen Fehlereingang aufweisen. Liegt an diesem ein Fehlersignal an, werden die Schaltelemente S1, S2 geöffnet, unabhängig von dem Kommunikationssignal.
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Allgemein sei bemerkt, dass die Ladestation LS zunächst als stationäre Einheit betrachtet werden kann, die fest mit einem Untergrund verbunden ist und insbesondere auch fest mit dem Versorgungsnetz VN verbunden ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Ladestation ein mobiles Gerät ist, und beispielsweise über eine Steckverbindung als Versorgungsnetzanschluss mit dem Versorgungsnetz VN verbunden sein kann.
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Die Ladestation LS kann ferner eingerichtet sein, an das Bordnetz ein Vorabsignal zu senden, welches wiedergibt, dass sich der Schaltzustand ändern wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Schaltelemente nur dann geschlossen werden, wenn vom Bordnetz BN ein Quittierungssignal bzw. Zustimmungssignal abgegeben wird an die Ladestation L, dass es sich um ein Bordnetz handelt, welches zum mehrphasigen Laden eignet, bzw. dass der Zustand der Batterie erreicht ist, in dem mehrphasig geladen werden kann. Zwischen der Ladestation und dem Bordnetz kann somit ein Quittierungsprotokoll ablaufen, bei dem seitens des Bordnetzes BN bestätigt werden muss, dass ein Schließen der Schaltelemente S1, S2 zulässig ist, nachdem die Ladestation ein entsprechendes Kommunikationssignal K erhalten hat. Ohne Bestätigung werden die Schaltelemente S1, S2 nicht geschlossen.
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Wie erwähnt kann die Ladestation alternativ oder in Kombination auch zur Rückspeisung von Energie von dem Bordnetz in ein Versorgungsnetz hinein ausgebildet sein. In diesem Fall ist der AC/DC-Wandler bidirektional ausgestaltet und eingerichtet, ein ein- oder mehrphasiges Wechselstromsignal an dem Versorgungsnetzanschluss 14 abzugeben. Der AC/DC-Wandler ist dann eingerichtet, Wechselstromsignale in unterschiedlichen Phasenanzahlen abzugeben. Das Versorgungsnetz kann ein öffentliches Versorgungsnetz sein, kann jedoch auch ein Inselnetz sein.
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In der 1 ist ein symmetrisches Dreiphasennetz (ohne Erweiterung) dargestellt, wie es etwa in Europa vorliegt. Die 1 kann jedoch auch zur Erläuterung der Ladestation zur Verwendung in einem Dreiphasennetz mit Erweiterung verwendet werden, wie es in Nordamerika verwendet wird. Hierbei ist eine Wicklung eines Transformators des Versorgungsnetzes mit einer mittigen Anzapfung ausgestattet, dem „High leg“. Die betreffende Stelle ist symbolisch mit HL bzw. x bezeichnet. Der Neutralleiter N kann dabei entfallen. In einer ersten Konfiguration sind diese Anzapfung sowie die Phase L3 mit dem AC/DC-Wandler 40 verbunden; der betreffende Anzapfungsanschluss der Ladestation LS ist dabei mit dem Gleichrichter 40 verbunden, vorzugsweise über einen Schalter. Ansonsten sind in dieser Konfiguration keine Leiter oder Phasen mit der Ladestation verbunden. In einer zweiten Konfiguration sind die Phasen L2 und L3 (oder L1 und L3 oder auch L1 und L2) mit dem AC/DC-Wandler 40 verbunden (und ansonsten keine Phasen oder Leiter). In der ersten Konfiguration besteht eine höhere Spannung an der Wechselstromseite des AC/DC-Wandlers 40 als bei der zweiten Konfiguration. Beim Überschreiten bzw. Unterschreiten des Schwellwerts wird zwischen den beiden Konfigurationen gewechselt. Die Konfigurationen haben unterschiedliche Phasenanzahlen, wobei in diesem speziellen Fall eine höhere Phasenanzahl (zweite Konfiguration ggü. der ersten Konfiguration) nicht eine höhere, sondern eine geringere Leistung bzw. eine geringere Spannung bedeutet. Die Konfiguration wird mit dem Schaltzustand der Schalteinheit eingestellt. Zu dieser Schalteinheit gehört auch, falls vorhanden, ein Schalter zwischen dem AC/DC-Wandlers 40 und einem ladestationsseitigen Anschluss für die Anzapfung bzw. den Anschluss „High leg“ eines erweiterten Drehstromnetzes.
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In der Figur ist mit dem Versorgungsnetz VN' ein alternatives Versorgungsnetz dargestellt, wie es etwa in Nordamerika verwendet wird. Eine entsprechende Ladestation wäre wie die Ladestation LS ausgebildet, wobei mittels der Schalteinheit eingestellt werden kann, ob die Phase L1 (zusammen mit einem Neutralleiter) angeschlossen wird, ob die Phase L3 (zusammen mit einem Neutralleiter) angeschlossen wird, oder ob die Spannung zwischen den Phasen L1 und L2 genutzt wird. Das Versorgungsnetz VN' hat eine Dreieckkonfiguration, wobei aufgrund der Anzapfung mit Verbindung zum Neutralleiter N das Versorgungsnetz VN' unsymmetrisch ist. Das Versorgungsnetz VN hat eine Sternkonfiguration und ist symmetrisch.
