DE3233248A1

DE3233248A1 - Schaltung fuer ein bordladegeraet zum aufladen einer batterie eines elektrofahrzeuges

Info

Publication number: DE3233248A1
Application number: DE19823233248
Authority: DE
Inventors: Horst Ing.(grad.) 4788 Warstein Scholz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1982-09-08
Filing date: 1982-09-08
Publication date: 1984-03-08

Description

Schaltung für ein Bordladegerät zum Aufladen einer Batterie eines
Elektrofahrzeuges Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 für ein Bordladegerät zum Aufladen einer Batterie eines Elektrofahrzeuges aus einem Wechselstromnetz über eine ungesteuerte Gleichrichterbrückenschaltung mit Halbleiterventilen und einen in der Gleichstromdiagonale liegenden Gleichspannungspaarwandler, der die weiteren im Oberbegriff angegebenen Merkmale aufweist.
Derartige Schaltungen mit einem in einem Gleichstromkreis liegenden Gleichspannungswandler oder einem in der Gleichstromdiagonale einer Gleichrichterbrücke liegenden Sperrwandler sind als netzrückwirkungsarme Gleichrichter für Ladegeräte kleiner Leistung bei Elektrofahrzeugen einsetzbar, die in größerer Anzahl an einem gemeinsamen Versorgungsnetz betrieben werden können. Schaltungen für netzrückwirkungsarme Pulsgleichrichter beruhen weitgehend auf den von sogenannten getakteten Netzteilen her bekannten Grundschaltungen Hochsetzwandler, Tiefsetzwandler, Sperrwandler, bei denen die Schaltfrequenz des Wandlers (Taktfrequenz) erheblich größer als die Frequenz des Versorgungsnetzes ist. Die genannten Wandler-Grundschaltungen arbeiten Im harmonischen Betrieb, indem unter Verwendung eines geeigneten Steuerverfahrens das Übertragungsverhältnis von Eingangswechselstrom des Gleichrichters, der sinusförmig vorgegeben wird, zum geglätteten Gleichstrom im Batterieladestromkreis harmonisch während einer Netzperiode verändert wird.
Die eingangs angegebene Schaltung mit Sperrwandler ist für den harmonischen Betrieb besonders rünstig. Die Schaltinduktivität des Spe,rwandlers muß zwar die gesamte Gleichstromleistung zwischenspeichern, somit für ein ausreichendes Speichervermögen bemessen sein, jedoch bedarf es zusätzlicher Siebmittel für Oberwellenströme im Gleich stromkreis nicht, ganz im Unterschied zu den Schaltungen für Hoch-und Tiefsetzwandler. Es wird die zwischengespeicherte Leistung in einen Ladekondensator gegeben, mit dem eine einstellbare konstant bleibende Gleichspannunlg der Batteriespannung entgegengesetzt wird.
Im Eingangskreis zum Gleichrichter genügt ein kleines auf Netzfrequenz abgestimmtes Eingangsfilter, mit dem ein lückenfreier sinusförmiger Eingangswechselstrom erzwungen wird. Auch der Aufwand für die Steuerung des Sperrwandlers ist gering, da eine sinusförmige Sollvorgabe für den Eingangswechselstrom nicht erforderlich ist, es genügt eine Steuerschaltung für Pulsbreitenmodulation.
Die angegebenen Vorzüge der Sperrwandlerschaltung machen diese zur Verwendung für Bordladegeräte von Elektrofahrzeugen geeignet, wo ein möglichst großes Verhältnis von Größe und Gewicht zur Leistung des Ladegerätes erwünscht ist.
Ein solches Ladegerät für Traktionsbatterien eines Elektrofahrzeuges, bestehend aus einem Gleichspannungssperrwandler mit einem gesteuerten Leistung transistor, einen Leistungsübertrager als Schaltinduktivität und einer sogenannten Abschaltentlastungsschaltung für den Leistungstransistor, welches mit guten Wirkungsgrad arbeitet, ist durch DE-AS 30 09 359 bekannt.
Ein günstiges Verhältnis der Baugröße und des Gewichts zur Leistung wird bei diesem Ladegerät mit einer besonderen Anordnung der erwähnten Abschaltentlastungsschaltung erzielt, in welcher diese Schaltung zwei Sperrwandlern mit zwei im Gegentakt gesteuerten Transistoren und mit zwei übertragern, in deren gemeinsamen Sekundärkreis liegend, zugeordnet ist.
Hingegen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu treffen, um eine Schaltung der eingangs angegebenen Art ohne Verminderung des Baugröße-Gewicht-zu-Leistungs-Verhältnisses eines Bordladegerätes derart auszubilden, daß ein möglichst sinusförmiger Eingangsstrom erzielt wird, die Schaltung mithin netzrückwirkungsarm wird.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Lehre darin, zwei oder mehr Gleichspannungssperrwandler zu verwenden, deren Reihenschaltungen der Primärwicklung je eines übertragers und je eines Leistungstransistors in der Gleichstromdiagonale der Brückenschaltung miteinander parallelgeschaltet sind und ferner die Reihenschaltungen der Sekundärwicklungen je eines Übertragers und je einer Gleichrichterdiode miteinander parallelgeschaltet sind und auf einen gemeinsamen Glättungskondensator arbeiten, wobei die Leistungstransistoren derart zeitlich versetzt zueinander stromleitend gesteuert werden, daß die Stromflußzeiten der jeweils eingeschalteten impulsförmigen Gleichströme überlappungsfrei sind.
Es können Sperrwandler in jeder geraden und ungeraden, zumindest einstelligen Anzahl, der vorgesehenen Leistung entsprechend, verwendet werden, die zeitlich versetzt zueinander derart steuerbar sind, daß das Oberwellenspektrum des Eingangsstromes ein möglichst schmalbandiges wird.
Entsprechend einer weiteren Ausbildung der Erfindung (nach Patentanspruch 2) ist von den verwendeten Sperrwandlern je eine Primärwicklung eines übertragers mit je einem Thyristor in Reihe parallelgeschaltet und diese Parallelschaltung mit einem gemeinsamen Leistungstransistor in Reihe geschaltet, wobei die Thyristoren nacheinander zyklisch jeweils während einer Steuer-Taktperiode gleichzeitig mit dem Leistungstransistor angesteuert wird.
Den Primärwicklungen einer Anzahl k von Sperrwandlern ist bei dieser Variante der Schaltung gemäß der Erfindung nach Art einer Sparschaltung ein einziger Leistungstransistor gemeinsam zugeordnet. Dieser wird mit der n-fachen Steuerfrequenz angesteuert, wobei die n Thyristoren einzeln durch den Steuersignalgeber des Transistors über einen Steuersignalverteiler mit der einfachen Steuerfrequenz jeweils gleichzeitig mit dem Leistungstransistor angesteuert werden.
Durch die Erfindung werden Vorteile erzielt, die darin gesehen werden, daß die Spitzenwerte der mittels des Leistungstransistors mit einer vielfach höheren Frequenz als die Frequenz des Eingangswechsel stromes geschalteten Taktströme mit der Anzahl der verwendeten Sperrwandler niedriger werden. Damit werden durch hohe Spitzenströme bedingte Schwierigkeiten vermieden, entlastende Beschaltungsmaßnahmen können vereinfacht werden.
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigen Figur 1 eine Schaltung mit einem Pulsgleichrichter und drei Sperrwandlern für ein Bordladegerät, Figur 2 Zeitausschnitte von Stromdiagrammen zur Erläuterung der Wirkungsweise einer Schaltung nach Figur 1, Figur 3 eine Variante der Schaltung nach Figur 1 mit zwei Sperrwandlern, Figur 4 ein Stromdiagramm während einer Halbperiode des Eingangswechselstromes bei der Schaltung nach Figur 3.
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente der Schaltungen sowie gleiche Meßgrößen mit den gleichen Bezugszeichen ver sehen. Mit den beiden Schaltungen nach Figuren 1 und 3 wird eine Batterie B eines Elektrofahrzeuges aus einem Einphasen-Wechselstromnetz N über eine ungesteuerte Gleichrichterbrücke G mit drei in deren Gleichstromdiagonale unter sich parallelen Gleichspannungssperrwandlern, deren Schaltinduktivität je ein übertrager 1, 1' bis 3, 3' ist, einmittelseines zu den Sekundärwicklungen 1' bis 3' parallel liegenden Glättungskondensators C konstantglatter Ladegleichstrom 1L zugeführt. Dem Gleichrichter G ist ein auf Durchlaß der Grundschwingung des zugeführten, dem Netz entnommenen Wechselstromes i, abgestimmter LC-Tiefpaß vorgeordnet. Die Gleichspannungssperrwandler sind Reihenschaltungen je einer übertrager-Primärwicklung 1 bis 3 und je eines Leistungstransistors T1 bis T3, die in der Gleichstromdiagonale der Brücke G parallelgeschaltet sind, und Reihenschaltungen je einer zugeordneten übertragerSekundärwicklung 1' bis 3' sowie je einer Gleichrichterdiode D1 bis D3, die zu der Parallelschaltung des Glättungskondensators C und der Batterie B parallelgeschaltet sind. Jedem Transistor T1 bis T3 ist eine Steuereinheit Stl bis St3 zugeordnet, die mit der Wechselspannung synchronisiert wird. Diese Steuereinheiten geben Taktimpulse mit gleichhohen Frequenzen ab und steuern die zugeordneten Transistoren T1 bis T3 periodisch jeweils bis zu einer halben Taktperiode lang auf, wodurch dreieckförmig ansteigende Pulsströme I1, I2, I3 eingeschaltet werden, die durch die Primärwicklungen 1 bis 3 der drei Sperrwandler fließen (s. Diagramm a) bis c) in Figur 2). Wie hieraus zu ersehen ist, werden T1 bis T3 zeitlich zueinander um etwa 1200 el versetzt angesteuert und daher die drei Pulsströme entsprechend zeitlich eingeschaltet. Beim oder kurz nach dem Ende des Pulstromes Ifl wird ein Pulsstrom 12 eingeschaltet, nach dem Ende desselben ein Pulsstrom I3 und nach dessen Ende wieder ein Pulsstrom I1 usw. Es wird jeder Leistungstransistor so gesteuert, daß beim nächsten Wiedereinschalten der zugeordnete Übertrager ganz abmagnetisiert ist, damit alle Pulsströme mit Wert Null eingeschaltet werden. Während der Abmagnetisierung der Übertrager führen die Sekundärwicklungen 1', 2', 3' Pulsströme I' I2, I3, die etwa linear abklingen, in den Glättungskondensator C.
Durch die zugeführten Pulsströme wird in C elektrisch Energie gespeichert, die nach Eintritt der Stationarität als konstantbleibende Gleichspannung zum Laden der Batterie verfügbar ist. Die Leistungstransistoren T1 bis T3 sind so gesteuert, daß die Pulsströme I1 bis I3 genau um 1200 el, auf eine Taktperiode T bezogen, zeitlich zueinander versetzt sind. Dann ist der Ausgangsgleichstrom IG der Gleichrichterschaltung G lückenfrei aus den drei Pulsströmen mit der Taktperiode T/3 zusammengesetzt (s. Diagramm d) in Figur 2). Der Wsrtebereich der Zeit t der Diagramme in Figur 2 umfaßt einen kurzen Querschnitt einer Halbperiode des Wechselstromes i(10 ms).
Im Unterschied hierzu umfaßt der Zeitwertebereich des Diagramms in der Figur 4 eine Halbperiode des Wechsel stromes, was durch die miteingezeichnete Halbperiode der am Eingang von G (Figur 1) angelegten etzwechselspannung u ^, erkennbar gemacht ist. Die erwähnten Pulsströme sind im Diagramm der Figur 4 lingegen mit vergleichsweise sehr langer Taktperiode T dargestellt, ur sie voneinander unterscheidbar zu machen.
Die auf einer sinusförmigen Hüllkurve liegenden Spitzenwerte der Pulsströme sind verhältnisgetreu mit Pulshöhen dargestellt, wie diese im Taktbetrieb mit entsprechend niederer Taktfrequenz 1/T erreicht werden.
In der Praxis werden jedoch bei der oben beschriebenen Schaltung erfindungsgemäß schon die einzelnen Sperrwandler mit hoher Taktfrequenz betrieben, so daß die dabei erreichten Spitzenwerte der Pulsströme in den Leistungstransistoren bei gleicher Leistung des Bordladegeräts bei weitem nicht so hoch, wie in Figur 4 dargestellt, werden..
Durch diese Herabsetzung der Spitzenwerte ergeben sich Vorteile, die darin gesehen werden, daß die Leistungstransistoren beim Schalten der Pulsströme mehrfach entlastet sind und daher keiner über einen normalen Aufwand hinausgehender Schutzmittel und Beschaltungsmaßnahmen bedürfen, und daß die Ladeschaltung nahezu verlustfrei mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitet. Dadurch ist es auch möglich, Sparschaltungen mit zwei oder mehr Sperrwandlern und mit einem gemeinsamen Leistungstransistor als Ladeschaltung für Bordladegeräte zu verwenden.
Die Schaltungsvariante nach Figur 3 besteht aus zwei Gleichspannungssperrwandlern mit einem gemeinsamen Leistungstransistor Tr in Reihenschaltung mit der Parallelschaltung zweier Stromzweige, in welchen die Primärwicklung 1 bzw. 2 je eines Wandlerübertragers und ein Thyristor Thl bzw. Th2 in Reihe geschaltet sind. Die von den Sekundärwicklungen 1' bzw. 2' ausgehenden Stromkreise mit Gleichrichterdioden D1, D2, Glättungskondensator C und Batterie sind entsprechend Figur 1 ausgebildet. Die Batterie, die Gleichrichterbrücke und der vorgeordnete LC-Tiefpaß sind in der Figur 4 weggelassen.
Zu dieser Schaltung werden die Thyristoren abwechselnd im Gegentakt jeweils während einer Steuer- oder Taktperiode T gleichzeitig mit Tr angesteuert. Dies geschieht mittels eines Frequenzteilers FT als Taktimpulsverteiler, dessen Eingang mit dem Ausgang der Steuereinheit St verbunden ist, so daß die Thyristoren Thl und Th2 mit der halben Taktfrequenz 2T der Taktimpulse aus St angesteuert sind (Figur 4).
Die Thyristoren werden jeweils beim Abschalten von Tr selbstgelöscht.
Leerseite

Claims

Schaltung für ein Bordladegerät zum Aufladen einer Batterie eines Elektrofahrzeuges Patentansprüche Schaltung für ein Bordladegerät zum Aufladen einer Batterie eines Elektrofahrzeuges aus einem Wechselstromnetz über eine ungesteuerte, Halbleiterventile enthaltende Gleichrichterbrückenschaltung, welcher ein auf Durchlaß der Grundschwingung des zugeführten Wechselstromes abgestimmtes LC-Filter vorgeordnet ist, und einen in der Gleichstromdiagonale liegenden Gleichspannungswandler, bestehend aus einer Reihenschaltung der Primärwicklung eines Übertragers und eines Leistungstransistors, die Sekundärwicklung des Übertragers ist über eine Gleichrichterdiode mit der Batterie verbunden, der ein Glättungskondensator parallel liegt, wobei die Taktperiode des Gleichspannungsperrwandlers klein ist gegenüber der Periode des Wechselstromes, und der Leistungstransistor jeweils nach Entmagnetisierung des Übertragers stromleitend gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Gleichspannungssperrwandler verwendet sind, deren Reihenschaltungen der Primärwicklung je eines übertragers (1, 1'; 2, 2'; ...) und je eines Leistungstransistors (T1, T2 ...) in der Gleichstromdiagonale der Brückenschaltung (G) miteinander parallelgeschaltet sind und ferner die Reihenschaltungen der Sekundärwicklungen (1', 2', ...) je eines Übertragers und je einer Gleichrichterdiode (D1, D2, ...) miteinander parallelgeschaltet sind und auf einen gemeinsamen Glättungskondensator (C) arbeiten, wobei die Leistungstransistoren derart zeitlich versetzt zueinander stromleitend gesteuer; werden, daß die Stromflußzeiten der jeweils einqeschalt:Pten implsförmigon GlFichstromn (T) ijhgrliippungsfrei sind.
2. Schaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß von den verwendeten Gleichspannungssperrwandlern je eine Primärwicklung eines Übertragers (1, 1'; 2, 2', ...) mit je einem Thyristor (Thl, Th2, ...) in Reihe parallelgeschaltet sind und diese Parallelschaltung mit einem gemeinsamen Leistungstransistor (Tr) in Reihe geschaltet ist, und daß die Thyristoren ndcheinander zyklisch jeweils während einer Steuer-Taktperiode (T) gleichzeitig mit dem Leistungstransistor angesteuert sind.